多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽能電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350－450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣體，在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環節，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。

多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區館再結晶技術在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達16.42%。半導體、芯片、集成電路、設計、版圖、芯片、制造、工藝、制程、封裝、測試。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達12．2％。中國光電發展技術中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅粒”太陽能電池，但有關性能方面的報道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發展，其實早在70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發展，目前世界上己有許多家公司在生產該種電池產品。

非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應，使得電池性能不穩定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。

疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩定性的關鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；②頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減小；④疊層太陽能電池各子電池是串聯在一起的。

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經過不同的電池工藝過程可分別制得單結電池和疊層太陽能電池。

目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進展：第一、三疊層結構非晶硅太陽能電池轉換效率達到13％，創下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產能力達5MW。美國聯合太陽能公司（VSSC）制得的單結太陽能電池最高轉換效率為9．3%，三帶隙三疊層電池最高轉換效率為上述最高轉換效率是在小面積（0．25cm2）電池上取得的。

曾有文獻報道單結非晶硅太陽能電池轉換效率超過12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉換效率為13．2％。國內關于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學的耿新華等采用工業用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽能電池。

非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

注：太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）用于把太陽的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率略低，但價格更便宜。

三、非晶硅薄膜太陽能電池的優點

非晶硅太陽能電池之所以受到人們的關注和重視，是因為它具有如下諸多的優點：

1.非晶硅具有較高的光吸收系數，特別是在0.3-0.75um 的可見光波段，它的吸收系數比單晶硅要高出一個數量級。因而它比單晶硅對太陽能輻射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收90%有用的太陽能，這是非晶硅材料最重要的特點，也是它能夠成為低價格太陽能電池的最主要因素。

2. 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內變化，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。

3.制備非晶硅的工藝和設備簡單，淀積溫度低，時間短，適于大批生產，制作單晶硅電池一般需要1000度以上的高溫，而非晶硅電池的制作僅需200度左右。

4.由于非晶硅沒有晶體硅所需要的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題，因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價的玻璃襯底，并且易于實現大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能耗少，約100千瓦小時，能耗的回收年數比單晶硅電池短很多。