非晶硅太陽電池

隨着煤炭、石油等現有能源的頻頻告急和生態環境的惡化，使得人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源。其中包括水能、風能和太陽能，而太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等優勢使其必將成為21世紀的最主要能源之一。太陽是一個巨大的能源，其輻射出來的功率約為 其中有 被地球截取，這部分能量約有 的能量闖過大氣層到達地面，在正對太陽的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。

目前太陽能發電分為光熱發電和光伏發電兩種形式。太陽能熱發電是利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，將一定的工質加熱到較高的温度（通常為幾百攝氏度到上千攝氏度），然後通過常規的熱機動發電機發電或通過其他發電技術將其轉換成電能。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。目前光—電轉換器有兩種：一種是光—伽伐尼電池，另一種是光伏效應。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件，將光伏組件串聯起來再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。因為光伏發電規模大小隨意、能獨立發電、建設時間短、維護起來也簡單．所以從70年代開始光伏發電技術得到迅速發展，日本、德國、美國都大力發展光伏產業，他們走在了世界的前列，我國在光伏研究和產業方面也奮起直追，現在以每年20%的速度迅速發展。

1970年代的能源危機，1973年發生的石油危機告訴我們一個事實：能源問題是人類21世紀面臨的最大的環境問題。據報道，以現在人類對石油和煤炭等能源材料的消耗速度計算，全球的石油儲量可以維持人類使用43年，而煤炭儲量夠人類使用200年。能源問題早已經引起全世界的關注。發展新能源和可再生能源是全人類的共識，也是21世紀世界經濟發展中最具決定性的選擇。從目前的替代能源的情況看，風能、地熱、核能、潮汐能、太陽能等，其中只有太陽能才是一種取之不盡用之不竭、無污染的清潔能源，因此也只有大力發展太陽能，並且也只能是使太陽能被人類更好地更有效地利用才能從根本上解決人類面臨的能源問題。

發展太陽能，首先應從發展太陽能電池入手。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。太陽能電池的工作原理是，太陽光照在半導體P-N 結上，形成空穴-電子對，在P-N 結電場的作用下，N 型半導體的空穴往P 型區移動，P 型區中的電子往N 型區移動，接通電路後就形成電流。太陽能電池是一種重要的可再生能源，既可作為獨立能源，亦可實現併網發電，而且是零污染排放。通過太陽能轉換的電能再用於工廠生產、日常使用，以此讓太陽能服務於人類。早期的太陽能電池，主要原料是晶體硅，並且成本較高，因此只用於太空探索方面。由於晶體硅成本較高，且晶體硅太陽能電池消耗硅材料較多，另外由於科技的發展，終於在1974年Carlson在實驗室內研製出最早的非晶硅太陽能電池。非晶硅電池（a-Si）是用沉積在導電玻璃或不鏽鋼襯底上的非晶硅薄膜製成的太陽能電池。Carlson研製出最早的非晶硅太陽能電池，揭開了非晶硅太陽能電池在光電子器件或PV 組件中應用的幄幕，但是當時的非晶硅轉換效率很低，不到1%。

隨後非晶硅太陽能電池開始快速發展，並且轉換效率逐漸提高：

1977年，Carlson等研製成功了能量轉換效率達5.5%的非晶硅肖特基勢壘電池；1978年，日本大阪大學研製出非晶硅PIN電池，轉換效率達4.5%；1981年秋，大阪大學又製備出了改進的a-SiC:H/a-Si:H PIN異質結太陽能電池, 其能量轉換效率突破了 8%, 其中, P 型寬禁帶 a-SiC:H 被用來作為電池的窗口材料，1982年，這種a-SiC:H/a-Si:H PIN異質結太陽能電池的效率又突破了10%；到1987年，非晶硅電池轉換效率已達12%；1990年，日本Sanyo（三陽）公司生產的非晶硅太陽能電池，轉換效率15.8%；1994年，日本出現了採用PECVD方法制備的Back Surface Field結構的非晶硅電池，轉換效率達18.9%。 ^[1] 

非晶硅太陽電池是以玻璃、不鏽鋼及特種塑料為襯底的薄膜太陽電池，結構如圖2所示。為減少串聯電阻，通常用激光器將TCO膜、非晶硅(A-si)膜和鋁(Al)電極膜分別切割成條狀， 如圖1所示。國際上採用的標準條寬約1cm,稱為一個子電池，用內部連接的方式將各子電池串連起來，因此集成型電池的輸出電流為每個子電池的電流，總輸出電壓為各個子電池的串聯電壓。在實際應用中，可根據電流、電壓的需要選擇電池的結構和麪積，製成非晶硅太陽電池。

第一層為普通玻璃,是電池的基底。

第二層為TCO，即透明氧化物導電膜，一方面光從它穿過被電池吸收，所以要求它的光透過率高；另一方面作為電池的一個電極，所以要求它能夠導電。TCO 一般製備成絨面，主要起到減少反射光從而增加光的吸收率的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底沉積形成的。太陽能電池的第一層為P層，即窗口層；其次是i 層，即太陽能電池的本徵層，光生載流子主要在這一層產生；然後是n層，起到連接i極和背電極的作用。最後是背電極和Al/Ag 電極。

由於a-Si(非晶硅)多缺陷的特點，a-Si 的p-n 結是不穩定的，而且光照時光電導不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si 太陽能電池基本結構不是p-n結而是p-i-n 結。摻硼形成P 區，摻磷形成n 區，i 為非雜質或輕摻雜的本徵層(因為非摻雜的a-Si 是弱n 型)。重摻雜的p、n 區在電池內部形成內建勢，以收集電荷。同時兩者可與導電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i 區是光敏區，此區中光生電子、空穴是光伏電力的源泉。入射光儘可能多地進入i區，最大限度地被吸收，並有效地轉換為電能，因此對i區要求是既保證最大限度地吸收入射光，又要保證光生載流子最大限度地輸運到外電路。

非晶體硅結構的長程無序破壞了晶體硅電子躍遷的動量守恆選擇定則，相當於使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料。它對光子的吸收係數很高，通常0.5μm 左右厚度的a-Si 就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p-i-n 結構的a-Si 電池的厚度取0.5μm 左右，而作為死光吸收區的p、n 層的厚度在10nm 量級。

太陽能電池以光電效應工作的結晶體太陽能電池和薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處於萌芽階段。太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏特效應。所謂光生伏特效應就是當物體受到光照時，物 體內的電荷分佈狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

非晶硅太陽電池的工作原理是基於半導體的光伏效應。當太陽光照射到電池上時，電池吸收光能產生光生電子—空穴對，在電池內建電場Vb的作用下，光生電子和空穴被分離，空穴漂移到P邊，電子漂移到N邊，形成光生電動勢VL, VL 與內建電勢Vb相反，當VL = Vb時，達到平衡; IL = 0, VL達到最大值，稱之為開路電壓Voc 當外電路接通時，則形成最大光電流，稱之為短路電流Isc，此時VL= 0;當外電路加入負載時，則維持某一光電壓VL和光電流IL。 ^[1] 

非晶硅太陽電池的方法有很多種，包括等離子增強型化學氣相沉積，反應濺射法、輝光放電法、電子束蒸發法和熱分解硅烷法等。

1、反應濺射法：首先利用紅外光激光對TCO導電玻璃基片進行激光刻線；激光刻線後進行超聲清洗；基片清洗後裝入專用沉積夾具，推入烘箱進行預熱；預熱後沉積夾具推入PECVD沉積真空室，利用PECVD沉積工藝，進行非晶硅沉積；而後利用綠激光對沉積好非晶硅的基片進行第二次激光刻線，刻線後進行清洗；然後對清洗好的基片利用PVD技術，鍍金屬背電極複合膜，作為金屬背電極複合膜之一的氧化鋅層沉積在非晶硅層表面，其他金屬背電極層沉積在氧化鋅層之上；然後利用綠激光對沉積好金屬背電極的基片進行第三次激光刻線，刻線後進行清洗，至此，電池芯片結構已經形成；之後對電池芯片進行層壓封裝，並安裝接線盒及引出導線；最後，對組件進行性能檢測，合格品裝箱。根據生產的光伏組件的大小規格，生產週期一般需要三至四小時。 ^[2] 

2、等離子增強型化學氣相沉積方法：採用一連串沉積室，在生產中構成連續程序，以實現大批量生產。同時，非晶硅太陽電池很薄，可以製成疊層式，或採用集成電路的方法制造，在一個平面上，用適當的掩模工藝，一次製作多個串聯電池，以獲得較高的電壓。

3、輝光放電法：將一石英容器抽成真空，充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷，用射頻電源加熱，使硅烷電離，形成等離子體，非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。 ^[3] 

太陽能電池的種類有很多，按材料來分，有硅基太陽能電池（單晶，多晶，非晶），化合物半導體太陽能電池（砷化鎵（GaAs），磷化銦（InP），碲化鎘（CdTe）, 銅銦鎵硒（CIGS）），有機聚合物太陽能電池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太陽能電池，納米晶太陽能電池；按結構來分，有體結晶型太陽能電池和薄膜太陽能電池。

（1）材料和製造工藝成本低

首先，非晶硅太陽能電池可以節省很多的硅材料。非晶硅具有較高的光吸收係數，特別是在0.3-0.75μm的可見光波段，它的吸收係數比單晶硅要高出一個數量級，因而它比單晶硅對太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜就能吸收90%有用的太陽光能。一般情況下非晶硅電池的厚度小於0.5um ，而晶體硅太陽電池的基本厚度為240-270um，相差200多倍，因此非晶硅太陽能電池要節省很多的硅材料。 材料是生產高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，化學工業可大量供應，且價格十分便宜。

由於反應温度低，可在200℃左右的温度下製造，因此可以在玻璃、不鏽鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上澱積薄膜，易於大面積化生產，成本較低。單節非晶硅薄膜太陽能電池的生產成本目前可降到1.2美元/Wp。疊層非晶硅薄膜電池的成本可降至1美元/Wp以下。

綜上，從原材料及生產工藝上來考慮，非晶硅的生產相對來説成本很低，並且這也成為非晶硅太陽能電池最大的優勢。

（2）能量返回期短

由於製造非晶硅電池原材料及較低温生產能源消耗少，在每一階段,製造非晶硅太陽能電池所需消耗的電能比生產單晶硅太陽能電池少,因此它的能量返回期較短。以轉換效率為6%的非晶硅太陽電池，其生產用電約1.9度電/瓦，由它發電後返回的時間約為1.5-2年，能量返回期短。而其他多晶硅、單晶硅電池的發電返回時間一般6年以上。

（3）適於大批量生產

非晶硅材料是由氣相澱積形成的，目前已被普遍採用的方法是等離子增強型化學氣相澱(PECVD)法。此種製作工藝可以連續在多個真空澱積室完成，從而實現大批量生產。採用玻璃基板的非晶硅太陽能電池，其主要工序（PECVD）與TFT-LCD陣列生產相似，生產方式均具有自動化程度高、生產效率高的特點。

（4）品種多，用途廣

晶硅可以在任何形狀的基底上製作，並且可以可以在柔性基底或者很薄的不鏽鋼和塑料基底上製備超輕量級的太陽能電池；非晶硅太陽電池可做成集成型，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設計製造，可以較方便地製作出適合不同需求的多品種產品。可以較方便地製作出適合不同需求的多品種產品。由於光吸收係數高，暗電導很低，適合製作室內用的微低功耗電源，如手錶電池、計算器電池等；由於a-Si膜的硅網結構力學性能結實，適合在柔性的襯底上製作輕型的太陽能電池；靈活多樣的製造方法，可以製造建築集成的電池，適合用户屋頂電站的安裝。

（5）高温性能好

當太陽能電池工作温度高於標準測試温度25℃時，其最佳輸出功率會有所下降；非晶硅太陽能電池受温度的影響比晶體硅太陽能電池要小得多。

（6）弱光響應好、充電效率高

非晶硅材料的吸收係數在整個可見光範圍內，在實際使用中對低光強光有較好的適應。 ^[3] 

非晶硅太陽能電池由於其成本低，重量輕等特性在今後的民用乃至工業應用上有着極大的發展前景，因此大力發展非晶硅太陽能電池是個可持續發展的選擇，但有兩個主要問題一直制約着非晶硅太陽能電池的發展：轉換效率低和穩定性問題。

（1）壽命短，穩定性問題

在光的不斷照射下會發生所謂Staebler-Wronski效應，光電轉化效率會下降到原來的25%，這本質上正是非晶硅中有太多的以懸鍵為代表的缺陷，致使結構不穩定。

非晶硅太陽能電池的光電轉換效率會隨着光照時間的延續而衰減，即所謂的光致衰退效應，使得電池性能不穩定。

光致衰退效應也稱 S-W效應，a-Si:H 薄膜經較長時間的強光照射或電流通過,在其內部將產生缺陷而使薄膜的使用性能下降,稱為 Steabler-Wronski效應。對S-W 效應的起因以及造成衰退的微觀機制,目前沒有形成統一的觀點。

總的看法如下：

沒有摻雜的非晶硅薄膜由於其結構缺陷,存在懸掛鍵、斷鍵、空穴等,導致其電學性能差而很難做成有用的光電器件。所以,必須對其進行氫摻雜以飽和它的部分懸掛鍵,降低其缺陷態密度,即形成所謂的 a-Si:H 薄膜。在這種a-Si:H 薄膜材料中,能夠穩定存在的是 Si-H 鍵和與晶體硅類似的 Si-Si 鍵,這些鍵的鍵能較大,不容易被打斷。然而由於a-Si:H 材料結構上的無序,使得一些 Si-Si 鍵的鍵長和鍵角發生變化而使 Si-Si鍵處於應變狀態。高應變的Si-Si 鍵的化學勢與 H 相當, 可以被外界能量打斷,形成 Si-H 鍵或重新組成更強的 Si-Si 鍵。如果斷裂的應變 Si-Si 鍵沒有重構,則 a-Si:H 薄膜的懸掛鍵密度增加。而 S-W 效應就是由於光照導致在帶隙中產生了新的懸掛鍵缺陷態(深能級),這種缺陷態會影響 a-Si:H 薄膜材料的費米能級EF的位置,從而使電子的分佈情況發生變化,進而一方面引起光學性能的變化,另一方面對電子的複合過程產生影響。這些缺陷態成為電子和空穴的額外複合中心,使得電子的俘獲截面增大,壽命下降。

（2）光電轉化效率遠比晶體硅低

現今市場上的晶體硅的光電轉化效率為12%，最近面世的晶體硅的光電轉化效率已經提高到18%，在實驗室裏，甚至可以達到29%(對比:綠色植物的葉綠體的光電轉化效率小於1%)，然而非晶硅的光電轉化效率一直沒有超過10%。 ^[4] 

針對非晶硅太陽能電池存在的問題，可以採取以下措施提高非晶硅太陽能電池效率：

（1）提高非晶硅太陽能電池對光的吸收；

（2）中間層技術的研究；

（3）非晶硅電池疊層技術。

提高電池對光的吸收，可以考慮將氧化物薄膜製成絨面形狀，以減少反射進而增加電池對光的吸收；中間層技術，可以考慮通過窗口層的設計增加光的吸收，或者是通過改變電池i層的結構增加光電轉換效率；通過非晶硅電池疊層技術，提高電池轉換效率並提高單結太陽能電池的穩定性。 ^[5] 

（1） 大規模地成本發電站

1996年美國APS公司在美國加州建了一個400千瓦的非晶硅電站,引起光伏產業振動。

Mass公司(歐洲第三大太陽能系統公司)從中國進口約5MWp的非晶硅太陽能電池。

日本CANECA公司年產25MWp的非晶硅太陽能電池大部分輸往歐洲建大型發電站(約每座500KWp-1000KWp)。

德國RWESCHOOTT公司也具有30MWp年產量,全部用於建大規模太陽能電站。 我國的安徽省蚌埠市在光伏發電產業取得重大突破，2兆瓦非晶硅太陽能示範電站項目建設條件已落實，年內將竣工運營。

（2） 與建築相配合,建造太陽能房

非晶硅太陽能電池可以製成半透明的，如作為建築的一部分，白天既能發電又能使部分光線透過玻璃進入室內，為室內提供十分柔和的照明(紫外線被濾掉)能擋風雨，又能發電；美國，歐洲和日本的太陽能電池廠家已生產這種非晶硅瓦。 同時應該在建築設計時考慮建築與太陽能相結合，即從建築的設計階段就應該開始考慮安裝太陽能電池的需要，使太陽能電池和建築有機地結合在一起，使建築物上的半透明的非晶硅太陽能電池一方面可以做普通玻璃使用，保證室內光照及隔離外界的作用，另一方面可以做太陽能電池使用，將照射在其表面的太陽光吸收並轉換為電能，再電能儲存在特定的電能存儲裝置中，以保證室內的照明及其他的生活需求。

（3） 太陽能照明光源

太陽能照明是以太陽能為能源，通過太陽能電池實現光電轉換，白天用蓄電池積蓄、貯存電能，晚上通過控制器對電光源供電，實現所需要的功能性照明。對太陽能照明光源的要求：由於雨、雪、雷電冰雹的浸蝕和干擾，必須具有合理的安全防護等級和防雷接地；連續陰雨天需要太陽能電池板、蓄電池具有足夠的容量等。由於非晶硅太陽能電池的技術優勢，因此，同樣功率的非晶硅太陽能燈具，其照明時間要比晶體硅太陽能路燈的照明時間長20%，而其成本每瓦要低約10元人民幣。另外，由於非晶硅太陽能電池的弱光效應優於晶體硅太陽能電池，所以在較弱的光照條件下，比如清晨和傍晚或者是陰雨天氣，非晶硅太陽能電池也能吸收並轉換光能，從而保證太陽能照明光源正常工作。以上原因使得非晶硅太陽能電池的在太陽能照明光源中的優勢更加突顯。

（4） 弱光下使用

晶硅電池組件對於波長在780nm以上的光源有一定光電轉化能力，弱光發電特性突出，且製備成本相對晶硅電池低，然而在這個波長範圍內晶硅電池組件是無法發生伏打效應的，就是説晶硅電池在這個波長範圍內很難發電。由於非晶硅太陽能電池在的弱光效應好，已被廣泛用於光伏玩具、草坪燈、太陽能鑰匙扣、太陽能鍾、太陽能手錶、太陽能計算器、太陽能顯示牌等不直接受光照等場合下。

（5）其他場合的應用

①太陽能信號燈

航海、航空和陸上交通信號燈的作用至關重要，許多地方電網不能供電，而太陽能信號燈可解決供電問題，光源以小顆粒定向發光的LED為主。取得了良好的經濟效益和社會效益。

②太陽能景觀燈

應用於廣場、公園、綠地等場所，採用各種造型的小功率LED點光源、線光源，也有冷陰極造型燈來美化環境。太陽能景觀燈可以不破壞綠地而得到較好的景觀照明效果。 ^[4] 

③太陽能手電筒

採用LED作為光源，可以在野外活動或緊急情況時使用。 ^[1]