1、太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池 測(cè)試分測(cè)試分析析 太陽(yáng)電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件為：太陽(yáng)電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件為：25、AM1.5、1000W/m2 太陽(yáng)電池關(guān)鍵參數(shù)太陽(yáng)電池關(guān)鍵參數(shù) 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Voc：open circuit voltage 短路電流短路電流Isc：short circuit current 填充因子填充因子FF：filling factor 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率Eff：conversion efficiency 最大最大工作電流工作電流Im：maximum current 最大最大工作電壓工作電壓Vm：maximum Voltage 最大最大工作工作功率功率Pm：maximum power 假設(shè)太陽(yáng)電

2、池的理論模型是由一理想電流源（光假設(shè)太陽(yáng)電池的理論模型是由一理想電流源（光 照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管、一照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管、一 個(gè)并聯(lián)電阻個(gè)并聯(lián)電阻Rsh 與一個(gè)電阻與一個(gè)電阻Rs 所組成，如下圖所組成，如下圖 所示。圖中，所示。圖中， Iph 為太陽(yáng)電池在光照時(shí)該等效電源輸為太陽(yáng)電池在光照時(shí)該等效電源輸 出電流，出電流，Id 為光照時(shí)通過(guò)太陽(yáng)電池內(nèi)部為光照時(shí)通過(guò)太陽(yáng)電池內(nèi)部 二極管的電流。二極管的電流。 在沒(méi)有光照時(shí)其通過(guò)電流在沒(méi)有光照時(shí)其通過(guò)電流I與正向偏壓與正向偏壓U的關(guān)的關(guān) 系為：系為： I=Isexp(qU/kT)-1 (1) 式中，式中，Is 是二

3、極管飽和電流。是二極管飽和電流。 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 電流定律電流定律 電壓定律電壓定律 對(duì)于直流情況對(duì)于直流情況 u1+u2=u3+u4 u4+uab=u5，則：，則：uab=u5-u4 由基爾霍夫定律得：由基爾霍夫定律得： IRs+U-(Iph-Id-I)Rsh=0 （2） 式中，式中，I 為太陽(yáng)電池的輸出電流，為太陽(yáng)電池的輸出電流，U 為為 輸出電壓。由于輸出電壓。由于U=IRL， I(RL+ Rs+Rsh)=(Iph-Id) Rsh （3） 或或 I(RL+ Rs+Rsh)/ Rsh =Iph-Id (4) I(RL+ Rs+Rsh)/ Rsh =Iph-Id 因?yàn)橐驗(yàn)镽sU /

4、 Rsh , Iph =Isc 所以所以 ) 1ln( s ph oc I I q kT V 利用利用I-V測(cè)試可以獲得太陽(yáng)電池的短路電路、開(kāi)路測(cè)試可以獲得太陽(yáng)電池的短路電路、開(kāi)路 電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。 太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 條件為：條件為： 25、 AM1.5、 1000W/ m2 SP FFVI ph ocsc 并聯(lián)電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響并聯(lián)電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響 串聯(lián)電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響串聯(lián)電阻對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響 小結(jié)：晶體硅太陽(yáng)電池工藝路線小結(jié)：晶體硅太陽(yáng)電池工藝路線 硅片清洗硅片清洗 制絨工藝制絨工藝擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝邊緣刻蝕

5、工藝邊緣刻蝕工藝 氫氟酸清洗工藝氫氟酸清洗工藝 PECVD鍍膜工藝鍍膜工藝印刷燒結(jié)印刷燒結(jié)工藝工藝測(cè)試測(cè)試工藝工藝 組件工序組件工序 Graph of cell output current (red line) and power (blue line) as function of voltage. Also shown are the cell short-circuit current (Isc) and open-circuit voltage (Voc) points, as well as the maximum power point (Vmp, Imp). Click on

6、the graph to see how the curve changes for a cell with low FF. 1976年卡爾松和路昂斯基報(bào)告了無(wú)定形硅（簡(jiǎn)稱(chēng)年卡爾松和路昂斯基報(bào)告了無(wú)定形硅（簡(jiǎn)稱(chēng)a一一Si） 薄膜薄膜太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池的誕生。當(dāng)時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為的誕生。當(dāng)時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率為24。時(shí)。時(shí) 隔隔20多年，多年，a一一Si太陽(yáng)電池現(xiàn)在已發(fā)展成為最實(shí)用廉價(jià)的太陽(yáng)電池現(xiàn)在已發(fā)展成為最實(shí)用廉價(jià)的 太陽(yáng)電池品種之一。世界上總組件生產(chǎn)能力每年在太陽(yáng)電池品種之一。世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW 以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷(xiāo)售額在以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷(xiāo)售額在10億美元以上。億美元以上。 3

7、.2 薄膜硅太陽(yáng)電池基本結(jié)構(gòu)薄膜硅太陽(yáng)電池基本結(jié)構(gòu) 非晶硅非晶硅太陽(yáng)電池在太陽(yáng)電池在70年代中期誕生，這是科學(xué)家力年代中期誕生，這是科學(xué)家力 圖使從事的科研工作適應(yīng)社會(huì)需求的一個(gè)范例。圖使從事的科研工作適應(yīng)社會(huì)需求的一個(gè)范例。 他們?cè)趫?bào)告中提出了發(fā)明非晶硅太陽(yáng)電他的兩大目他們?cè)趫?bào)告中提出了發(fā)明非晶硅太陽(yáng)電他的兩大目 標(biāo)：標(biāo)：與昂貴的晶體硅太陽(yáng)電池競(jìng)爭(zhēng)；利用非晶硅太與昂貴的晶體硅太陽(yáng)電池競(jìng)爭(zhēng)；利用非晶硅太 陽(yáng)電池發(fā)電，與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)電池發(fā)電，與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)。 70年代曾發(fā)生過(guò)年代曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重嚴(yán)重的能源危機(jī)，這種背景催促科的能源危機(jī)，這種背景催促科 學(xué)家把對(duì)學(xué)家把對(duì)a-Si材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉

8、價(jià)太陽(yáng)電池材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉價(jià)太陽(yáng)電池 應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實(shí)際上又是非晶半導(dǎo)體向應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實(shí)際上又是非晶半導(dǎo)體向 晶體半導(dǎo)體的第三次挑戰(zhàn)。晶體半導(dǎo)體的第三次挑戰(zhàn)。 太陽(yáng)電池本來(lái)是晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱(chēng)，太太陽(yáng)電池本來(lái)是晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱(chēng)，太 陽(yáng)電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用陽(yáng)電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用 昂貴的晶體半導(dǎo)體材料制造，廉價(jià)的非晶硅薄膜材昂貴的晶體半導(dǎo)體材料制造，廉價(jià)的非晶硅薄膜材 料也可以勝任。料也可以勝任。 無(wú)定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角無(wú)定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角 是在是在1950年。年。 當(dāng)時(shí)人們

9、在尋找適用于電視攝像管和復(fù)印設(shè)備當(dāng)時(shí)人們?cè)趯ふ疫m用于電視攝像管和復(fù)印設(shè)備 用的光電導(dǎo)材料時(shí)找到了無(wú)定形硒（用的光電導(dǎo)材料時(shí)找到了無(wú)定形硒（a-Se）和）和 無(wú)定形三硫化銻（無(wú)定形三硫化銻（a-SbS3）。）。 當(dāng)時(shí)還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域， 而晶體半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)而晶體半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)能帶理論，早在能帶理論，早在 30年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導(dǎo)年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導(dǎo) 體光電特性和器件開(kāi)發(fā)正是熱點(diǎn)。體光電特性和器件開(kāi)發(fā)正是熱點(diǎn)。 而而a-Se和和a-SbS3這類(lèi)材料居然在沒(méi)有基礎(chǔ)理論這類(lèi)材料居然在沒(méi)有基礎(chǔ)理論 的情況下

10、發(fā)展成為產(chǎn)值在的情況下發(fā)展成為產(chǎn)值在10億美元的大產(chǎn)業(yè)，億美元的大產(chǎn)業(yè)， 非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動(dòng)了非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動(dòng)了 對(duì)非晶材料的科學(xué)技術(shù)研究。對(duì)非晶材料的科學(xué)技術(shù)研究。 1957年斯皮爾成功地測(cè)量了年斯皮爾成功地測(cè)量了a一一Se材料的漂材料的漂 移遷移率；移遷移率； 1958年美國(guó)的安德松第一次在論文中提出，年美國(guó)的安德松第一次在論文中提出， 無(wú)定形體系中存在電子局域化效應(yīng)：無(wú)定形體系中存在電子局域化效應(yīng)： 1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為“非非 晶態(tài)、無(wú)定形態(tài)及液態(tài)電子半導(dǎo)體晶態(tài)、無(wú)定形態(tài)及液態(tài)電子半導(dǎo)體”的文章的文

11、章 中，提出了對(duì)非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的中，提出了對(duì)非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的 論點(diǎn)，即論點(diǎn)，即決定固體的基本電子特性是屬于金決定固體的基本電子特性是屬于金 屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝 聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位 情況。情況。 從從1960年起，人們開(kāi)始致力于制備年起，人們開(kāi)始致力于制備a-Si和和a- Ge薄膜材料。薄膜材料。最最先采用的方法主要是濺射法先采用的方法主要是濺射法 。 1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（年斯特林等人第一次采用輝光放電（ GD）或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)

12、為）或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)為 PECVD）制備了氫化無(wú)定形硅（）制備了氫化無(wú)定形硅（a-Si：H） 薄膜。薄膜。 這種方法采用射頻（直流）電磁場(chǎng)激勵(lì)低壓這種方法采用射頻（直流）電磁場(chǎng)激勵(lì)低壓 硅烷等氣體，輝光放電化學(xué)分解，在襯底上硅烷等氣體，輝光放電化學(xué)分解，在襯底上 形成形成a-Si薄膜。開(kāi)始采用的是電感耦合方式薄膜。開(kāi)始采用的是電感耦合方式 ，后來(lái)演變?yōu)殡娙蓠詈戏绞剑@就是后來(lái)的，后來(lái)演變?yōu)殡娙蓠詈戏绞剑@就是后來(lái)的 太陽(yáng)電池用太陽(yáng)電池用a-Si材料的主要制備方法。材料的主要制備方法。 1960年發(fā)生了非晶半導(dǎo)體在器件應(yīng)用領(lǐng)域年發(fā)生了非晶半導(dǎo)體在器件應(yīng)用領(lǐng)域 向晶體半導(dǎo)體的第二次挑

13、戰(zhàn)。向晶體半導(dǎo)體的第二次挑戰(zhàn)。 這就是當(dāng)年美國(guó)人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無(wú)這就是當(dāng)年美國(guó)人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無(wú) 定形半導(dǎo)體材料具有電子開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)作用。定形半導(dǎo)體材料具有電子開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)作用。 這個(gè)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用上雖然不算成功，但在學(xué)這個(gè)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用上雖然不算成功，但在學(xué) 術(shù)上卻具有突破性的價(jià)值。術(shù)上卻具有突破性的價(jià)值。 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者莫特稱(chēng)，這比晶體管的發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者莫特稱(chēng)，這比晶體管的發(fā) 明還重要。它把科學(xué)家的興趣從傳統(tǒng)的晶明還重要。它把科學(xué)家的興趣從傳統(tǒng)的晶 體半導(dǎo)體材料引向了非晶半導(dǎo)體材料，掀體半導(dǎo)體材料引向了非晶半導(dǎo)體材料，掀 起了研究非晶半導(dǎo)體材料的熱潮。起了研究非晶半導(dǎo)體材料的熱潮。 由于非晶硅材

14、料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近由于非晶硅材料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近 程配位與相應(yīng)晶體的相當(dāng)。程配位與相應(yīng)晶體的相當(dāng)。 但它是長(zhǎng)程無(wú)序，原子間的鍵長(zhǎng)與鍵角存但它是長(zhǎng)程無(wú)序，原子間的鍵長(zhǎng)與鍵角存 在隨機(jī)的微小變化，它的實(shí)際結(jié)構(gòu)為硅原在隨機(jī)的微小變化，它的實(shí)際結(jié)構(gòu)為硅原 子組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硅懸掛鍵密子組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硅懸掛鍵密 度比較高。度比較高。 這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本特點(diǎn)。這樣這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本特點(diǎn)。這樣 復(fù)雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既復(fù)雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既 有相似之處，也存在巨大的差別。其相似有相似之處，也存在巨大的差別。其相似 之處在于，價(jià)電子能態(tài)也

15、可分為導(dǎo)帶、價(jià)之處在于，價(jià)電子能態(tài)也可分為導(dǎo)帶、價(jià) 帶和禁帶，但導(dǎo)帶與價(jià)帶都帶有伸向禁帶帶和禁帶，但導(dǎo)帶與價(jià)帶都帶有伸向禁帶 的帶尾態(tài)。的帶尾態(tài)。 帶尾態(tài)與鍵長(zhǎng)、鍵角的隨機(jī)變化有關(guān)，導(dǎo)帶帶尾態(tài)與鍵長(zhǎng)、鍵角的隨機(jī)變化有關(guān)，導(dǎo)帶 底價(jià)帶頂被模糊的遷移邊取代，擴(kuò)展態(tài)與局底價(jià)帶頂被模糊的遷移邊取代，擴(kuò)展態(tài)與局 域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛 鍵在隙帶中引進(jìn)高密度的局域態(tài)。鍵在隙帶中引進(jìn)高密度的局域態(tài)。 通常隙態(tài)密度高于通常隙態(tài)密度高于1017cm3，過(guò)剩載流子通，過(guò)剩載流子通 過(guò)隙態(tài)復(fù)合，所以通常非晶材料的光電導(dǎo)很過(guò)隙態(tài)復(fù)合，所以通常非晶材料的光電導(dǎo)很 低

16、，摻雜對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置的調(diào)節(jié)作用也很低，摻雜對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置的調(diào)節(jié)作用也很 小，這種小，這種a-Si材料沒(méi)有有用的電子特性。材料沒(méi)有有用的電子特性。 氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補(bǔ)償氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補(bǔ)償 ，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至1016 cm3以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級(jí)以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級(jí) 電子特長(zhǎng)。電子特長(zhǎng)。 Thin film Si:H advantages Abundantly available raw materials Low Si and energy consumption Flexibl

17、e, Roll-to-Roll Large area, low temperature (ND, 對(duì)于對(duì)于p-n+結(jié)，結(jié)， ND NA, ) 1 )( 2 ( 0 D r DnD Nq VxX )( 2 ( 0 AD ADr DD NN NN q VX ) 1 )( 2 ( 0 A r DpD Nq VxX a-Si 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu): p-i-n 非晶態(tài)半導(dǎo)體的能隙非晶態(tài)半導(dǎo)體的能隙: 稱(chēng)為遷移率隙（稱(chēng)為遷移率隙（EC EV） 帶尾狀態(tài)與帶尾狀態(tài)與 弱弱Si-Si鍵有鍵有 關(guān)，也因此關(guān)，也因此 帶尾的寬度帶尾的寬度 可看成是非可看成是非 晶硅薄膜無(wú)晶硅薄膜無(wú) 序度的一種序度的一種 量

18、度。量度。 局域態(tài)在正常狀態(tài)下是電中性的，對(duì)于價(jià)帶尾局域態(tài)在正常狀態(tài)下是電中性的，對(duì)于價(jià)帶尾 的態(tài)，當(dāng)它失去電子時(shí)即帶正電，故呈現(xiàn)為施的態(tài)，當(dāng)它失去電子時(shí)即帶正電，故呈現(xiàn)為施 主性質(zhì)；主性質(zhì)； 而對(duì)于導(dǎo)帶尾的態(tài)，當(dāng)它獲得電子時(shí)即帶負(fù)電而對(duì)于導(dǎo)帶尾的態(tài)，當(dāng)它獲得電子時(shí)即帶負(fù)電 ，故呈現(xiàn)為受主性質(zhì)。因此，價(jià)帶尾和導(dǎo)帶尾，故呈現(xiàn)為受主性質(zhì)。因此，價(jià)帶尾和導(dǎo)帶尾 的局域態(tài)分別是類(lèi)施主能級(jí)和類(lèi)受主能級(jí)。的局域態(tài)分別是類(lèi)施主能級(jí)和類(lèi)受主能級(jí)。 非晶硅的懸掛鍵態(tài)非晶硅的懸掛鍵態(tài)缺陷態(tài)（一種局域態(tài)）缺陷態(tài)（一種局域態(tài)） 分布在能隙之中，懸掛鍵密度的峰值位置對(duì)應(yīng)分布在能隙之中，懸掛鍵密度的峰值位置對(duì)應(yīng) 著著Fe

19、rmi能級(jí)的位置。能級(jí)的位置。 因?yàn)橐驗(yàn)镾i的懸掛鍵只有一個(gè)電子，呈現(xiàn)為電中性的懸掛鍵只有一個(gè)電子，呈現(xiàn)為電中性 ，所以懸掛鍵相當(dāng)于起著施主作用，它的分布，所以懸掛鍵相當(dāng)于起著施主作用，它的分布 常常使得常常使得Fermi能級(jí)偏向與導(dǎo)帶靠近，從而導(dǎo)能級(jí)偏向與導(dǎo)帶靠近，從而導(dǎo) 致一般的非晶硅總是呈現(xiàn)為致一般的非晶硅總是呈現(xiàn)為n型導(dǎo)電性。型導(dǎo)電性。 遷移率隙中的局域態(tài)是嚴(yán)重影響電子遷移率的遷移率隙中的局域態(tài)是嚴(yán)重影響電子遷移率的 重要因素。因此，為了提高非晶硅的載流子遷重要因素。因此，為了提高非晶硅的載流子遷 移率，就應(yīng)該設(shè)法降低局域態(tài)密度。移率，就應(yīng)該設(shè)法降低局域態(tài)密度。 采用等離子體增強(qiáng)采用等

20、離子體增強(qiáng)CVD方法、分解硅烷（方法、分解硅烷（SiH4 ）而得到非晶硅時(shí)，實(shí)際上在所得到的非晶硅）而得到非晶硅時(shí)，實(shí)際上在所得到的非晶硅 中含有相當(dāng)數(shù)量的氫原子，這種材料就是非晶中含有相當(dāng)數(shù)量的氫原子，這種材料就是非晶 硅硅-氫合金（氫合金（a-Si H），常稱(chēng)為氫化非晶硅。），常稱(chēng)為氫化非晶硅。 a-Si H的密度約低于單晶硅的的密度約低于單晶硅的1%3%。 在氫含量約為在氫含量約為10%的優(yōu)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)a-Si H中，主中，主 要由懸掛鍵引起的局域態(tài)密度可以降到要由懸掛鍵引起的局域態(tài)密度可以降到 1016cm 3/eV以下。以下。 a-Si H中電子遷移率的典型值達(dá)到了中電子遷移率的典型值達(dá)

21、到了5 10 cm2/(Vs)。 雖然摻氫非晶硅（雖然摻氫非晶硅（a-Si H）中的載流子遷）中的載流子遷 移率較高于未摻氫的非晶硅，但是總的說(shuō)來(lái)移率較高于未摻氫的非晶硅，但是總的說(shuō)來(lái) ，終究因?yàn)椋K究因?yàn)閍-Si H不是晶體，其中存在大不是晶體，其中存在大 量的缺陷，它的載流子遷移率還是很低的，量的缺陷，它的載流子遷移率還是很低的， 特別是與單晶硅比較起來(lái)更是如此（單晶硅特別是與單晶硅比較起來(lái)更是如此（單晶硅 的電子遷移率約為的電子遷移率約為1400 cm2/(Vs)）。）。 a-Si H的一個(gè)重大缺點(diǎn)就是其性能不穩(wěn)定的一個(gè)重大缺點(diǎn)就是其性能不穩(wěn)定 ，即具有一種所謂亞穩(wěn)特性。導(dǎo)致，即具有一種

22、所謂亞穩(wěn)特性。導(dǎo)致a-Si H 出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的原因是其結(jié)構(gòu)缺陷的問(wèn)題。出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的原因是其結(jié)構(gòu)缺陷的問(wèn)題。 亞穩(wěn)效應(yīng)：亞穩(wěn)效應(yīng)：因?yàn)樵谝驗(yàn)樵赼-Si H結(jié)構(gòu)中存在著結(jié)構(gòu)中存在著 較弱的較弱的Si-Si鍵、以及懸掛鍵和氫鍵，它鍵、以及懸掛鍵和氫鍵，它 們之間將達(dá)到亞穩(wěn)平衡；因此，就很容易們之間將達(dá)到亞穩(wěn)平衡；因此，就很容易 通過(guò)外加能量使通過(guò)外加能量使a-Si H結(jié)構(gòu)偏離其原始結(jié)構(gòu)偏離其原始 平衡狀態(tài)而產(chǎn)生衰退，同時(shí)也可以通過(guò)加平衡狀態(tài)而產(chǎn)生衰退，同時(shí)也可以通過(guò)加 熱使它又從衰退狀態(tài)回到原始狀態(tài)，這種熱使它又從衰退狀態(tài)回到原始狀態(tài)，這種 狀態(tài)之間的變化稱(chēng)為狀態(tài)之間的變化稱(chēng)為 “亞穩(wěn)效應(yīng)亞穩(wěn)效應(yīng)

23、”（ metastability effect）。）。 a-Si H的亞穩(wěn)特性也就是造成它的器件性能的亞穩(wěn)特性也就是造成它的器件性能 不穩(wěn)定的重要原因。不穩(wěn)定的重要原因。 例如，例如， a-Si H太陽(yáng)電池，在受到太陽(yáng)光照射太陽(yáng)電池，在受到太陽(yáng)光照射 之后，其暗電導(dǎo)和光電導(dǎo)會(huì)隨著光照時(shí)間的延之后，其暗電導(dǎo)和光電導(dǎo)會(huì)隨著光照時(shí)間的延 長(zhǎng)而不斷下降，但若在長(zhǎng)而不斷下降，但若在200oC下退火幾小時(shí)之下退火幾小時(shí)之 后，又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，這種現(xiàn)象往往稱(chēng)后，又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，這種現(xiàn)象往往稱(chēng) 為為SW效應(yīng)（效應(yīng)（stabler-wronski effect）。）。 又如，對(duì)于又如，對(duì)于a-Si

24、H TFT，在較長(zhǎng)時(shí)間施加?xùn)牛谳^長(zhǎng)時(shí)間施加?xùn)?偏壓以后，閾值電壓以及亞閾斜率將發(fā)生漂移偏壓以后，閾值電壓以及亞閾斜率將發(fā)生漂移 ，就是這種亞穩(wěn)特性的表現(xiàn)。，就是這種亞穩(wěn)特性的表現(xiàn)。 也正是由于這個(gè)原因，采用也正是由于這個(gè)原因，采用a-Si H制作的有制作的有 源選址液晶顯示器（源選址液晶顯示器（AMLCD），不能在太陽(yáng)），不能在太陽(yáng) 光照射下長(zhǎng)時(shí)間地工作。光照射下長(zhǎng)時(shí)間地工作。 a-Si H出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的重要過(guò)程就是外界作出現(xiàn)亞穩(wěn)特性的重要過(guò)程就是外界作 用使得用使得a-Si H中產(chǎn)生出新的懸掛鍵。中產(chǎn)生出新的懸掛鍵。 因此，引起因此，引起a-Si H性能不穩(wěn)定的根本原因就性能不穩(wěn)定的根本原

25、因就 在于較弱的在于較弱的Si-Si鍵的存在以及氫鍵的參與。鍵的存在以及氫鍵的參與。 可見(jiàn)，可見(jiàn)，a-Si H中中10%左右的氫，可以起到使左右的氫，可以起到使 懸掛鍵飽和的良好作用，但與此同時(shí)氫又將引懸掛鍵飽和的良好作用，但與此同時(shí)氫又將引 起不良的亞穩(wěn)衰退效應(yīng)。起不良的亞穩(wěn)衰退效應(yīng)。 總之，總之，a-Si H的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)有待解決的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)有待解決 的重要問(wèn)題。的重要問(wèn)題。 非晶硅太陽(yáng)電池的工藝過(guò)程非晶硅太陽(yáng)電池的工藝過(guò)程 玻璃襯底多晶硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)玻璃襯底多晶硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 玻璃襯底多晶硅太陽(yáng)電池工藝過(guò)程玻璃襯底多晶硅太陽(yáng)電池工藝過(guò)程 玻璃玻璃清洗清洗 鍍導(dǎo)電膜鍍導(dǎo)電膜 TC

26、O 導(dǎo)電膜清導(dǎo)電膜清 洗洗(離線離線) 激光劃線激光劃線(1) PE-CVD p-i-n 激光劃線激光劃線(2) 濺射濺射 背電極鍍膜背電極鍍膜 激光劃線激光劃線(3) 組件工序組件工序 TCO（Transparent conducting oxide）玻）玻 璃，即透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃，是在平板玻璃，即透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃，是在平板玻 璃表面通過(guò)物理或者化學(xué)鍍膜的方法均勻鍍上璃表面通過(guò)物理或者化學(xué)鍍膜的方法均勻鍍上 一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜，主要包括一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜，主要包括In、Sn 、Zn和和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜 材料。材料。 最初

27、最初TCO為為ITO(Indium Tin Oxide -InSnO), 首先被應(yīng)用于平板顯示器中，現(xiàn)在首先被應(yīng)用于平板顯示器中，現(xiàn)在ITO類(lèi)型的類(lèi)型的 導(dǎo)電玻璃仍是平板顯示器行業(yè)的主流玻璃電極導(dǎo)電玻璃仍是平板顯示器行業(yè)的主流玻璃電極 產(chǎn)品。產(chǎn)品。 ITO是所有電阻技術(shù)觸屏及電容技術(shù)觸摸屏都是所有電阻技術(shù)觸屏及電容技術(shù)觸摸屏都 用到的主要材料，實(shí)際上電阻和電容技術(shù)觸摸用到的主要材料，實(shí)際上電阻和電容技術(shù)觸摸 屏的工作面就是屏的工作面就是ITO涂層。涂層。 薄膜太陽(yáng)電池占世界光伏市場(chǎng)份額已超過(guò)薄膜太陽(yáng)電池占世界光伏市場(chǎng)份額已超過(guò)10 ，由于，由于ITO成本較高，光伏用成本較高，光伏用TCO逐漸被

28、逐漸被 SnO2所替代。所替代。 SnO2鍍膜也簡(jiǎn)稱(chēng)鍍膜也簡(jiǎn)稱(chēng)FTO，目前主要是用于生產(chǎn)，目前主要是用于生產(chǎn) 建筑用建筑用Low-E玻璃。即低輻射玻璃，其鍍膜玻璃。即低輻射玻璃，其鍍膜 層具有對(duì)可見(jiàn)光高透過(guò)及對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高反層具有對(duì)可見(jiàn)光高透過(guò)及對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高反 射的特性，使其與普通玻璃及傳統(tǒng)的建筑用射的特性，使其與普通玻璃及傳統(tǒng)的建筑用 鍍膜玻璃相比，具有優(yōu)異的隔熱效果和良好鍍膜玻璃相比，具有優(yōu)異的隔熱效果和良好 的透光性。的透光性。 其導(dǎo)電性能比其導(dǎo)電性能比ITO略差，但具有成本相對(duì)較低略差，但具有成本相對(duì)較低 ，激光刻蝕容易，光學(xué)性能適宜等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)，激光刻蝕容易，光學(xué)性能適宜等優(yōu)點(diǎn)。通

29、過(guò) 對(duì)普通對(duì)普通Low-E的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，制造的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，制造 出了導(dǎo)電性比普通出了導(dǎo)電性比普通Low-E好，并且?guī)в徐F度的好，并且?guī)в徐F度的 產(chǎn)品。產(chǎn)品。 利用這一技術(shù)生產(chǎn)的利用這一技術(shù)生產(chǎn)的TCO玻璃已經(jīng)成為薄膜光玻璃已經(jīng)成為薄膜光 伏電池的主流產(chǎn)品。伏電池的主流產(chǎn)品。 TCO薄膜的制備方法薄膜的制備方法 反應(yīng)磁控濺射鍍膜：反應(yīng)磁控濺射鍍膜：濺射過(guò)程中，在高氧流濺射過(guò)程中，在高氧流 量的情況下，從靶材中轟擊出的金屬量的情況下，從靶材中轟擊出的金屬I(mǎi)n、Sn 原子在真空室內(nèi)或襯底表面能充分和氧反應(yīng)原子在真空室內(nèi)或襯底表面能充分和氧反應(yīng) 生成生成In2O3和和SnO2。 絲

30、印或噴墨打印法：絲印或噴墨打印法：目前僅日本住友有絲目前僅日本住友有絲 印法的實(shí)用技術(shù)，在該公司自有產(chǎn)品上印法的實(shí)用技術(shù)，在該公司自有產(chǎn)品上 使用。使用。絲印方法采用微晶絲印方法采用微晶ITO粉劑；噴粉劑；噴 墨打印采用納米級(jí)墨打印采用納米級(jí)ITO粉劑。粉劑。 A-Si 薄膜制備方法薄膜制備方法 非晶非晶硅硅薄膜薄膜太陽(yáng)電池制造太陽(yáng)電池制造程程 (玻璃基材玻璃基材) 非晶非晶硅硅薄膜薄膜太陽(yáng)電池制造太陽(yáng)電池制造程程 (玻璃基材玻璃基材) “Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell” UniSolar 非晶硅太陽(yáng)電池的工藝過(guò)程非晶硅太陽(yáng)電池的工藝過(guò)程 玻璃襯底多晶硅

31、太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)玻璃襯底多晶硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 激光劃線（激光劃線（ 1） 工藝：這一步主要是劃刻工藝：這一步主要是劃刻 氧化錫，使用的氧化錫，使用的1064納納 米波長(zhǎng)的紅外激光器米波長(zhǎng)的紅外激光器 激光劃線（激光劃線（ 2） 工藝：這一步主要是劃刻非晶硅工藝：這一步主要是劃刻非晶硅a-Si，使用的，使用的532納納 米波長(zhǎng)的綠光激光器米波長(zhǎng)的綠光激光器 工藝：這一步主要是劃刻工藝：這一步主要是劃刻 鋁或者銀以及氧化鋅膜，使鋁或者銀以及氧化鋅膜，使 用的用的532納米波長(zhǎng)的綠激光器納米波長(zhǎng)的綠激光器 激光劃線（激光劃線（ 3） 集成型非晶硅太陽(yáng)能電池 集成型非晶硅太陽(yáng)能電池是有 若干分立小電池組合而

32、成的， 類(lèi)似與太陽(yáng)能電池組合板。不 過(guò)它與太陽(yáng)能電池組合板并不 完全相同，其分立電池并非完 全獨(dú)立，而是共用一塊襯底。 實(shí)際上，它們?cè)臼且粋€(gè)整體， 是用光刻技術(shù)將它們組合而成 的大面積太陽(yáng)能電池。 “Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell” UniSolar 不銹鋼襯底不銹鋼襯底a-Si太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 單結(jié)非晶硅單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 非晶硅太陽(yáng)電池內(nèi)光生載流子的生成主要在非晶硅太陽(yáng)電池內(nèi)光生載流子的生成主要在i層，層， 入射光在到達(dá)入射光在到達(dá)i層之前，一部分被摻雜層所吸收。層之前，一部分被摻雜層所吸收。 因?yàn)閷?duì)于非晶硅材料，摻雜將

33、會(huì)使材料帶隙降低，因?yàn)閷?duì)于非晶硅材料，摻雜將會(huì)使材料帶隙降低， 造成對(duì)太陽(yáng)光譜中的短波部分的吸收系數(shù)變大。造成對(duì)太陽(yáng)光譜中的短波部分的吸收系數(shù)變大。 研究表明，即使摻雜層厚度僅有研究表明，即使摻雜層厚度僅有10nm，仍會(huì)將入，仍會(huì)將入 射光的射光的20%左右吸收掉。從而削弱了電池對(duì)短波左右吸收掉。從而削弱了電池對(duì)短波 長(zhǎng)光的響應(yīng)，限制了短路電流的大小。長(zhǎng)光的響應(yīng)，限制了短路電流的大小。 為了減少入射方向摻雜層對(duì)光的吸收以使到達(dá)為了減少入射方向摻雜層對(duì)光的吸收以使到達(dá)i層層 的光增加的目的，人們提出了的光增加的目的，人們提出了單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié) 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。 單

34、結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，是指在迎光面采用寬單結(jié)非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，是指在迎光面采用寬 帶隙的非晶碳化硅膜來(lái)代替帶隙較窄的非晶硅做窗帶隙的非晶碳化硅膜來(lái)代替帶隙較窄的非晶硅做窗 口的結(jié)構(gòu)。利用寬帶隙的非晶碳化硅膜可以明顯改口的結(jié)構(gòu)。利用寬帶隙的非晶碳化硅膜可以明顯改 善太陽(yáng)能電池在短波區(qū)域的收集效率。善太陽(yáng)能電池在短波區(qū)域的收集效率。 下圖是一個(gè)實(shí)際的三層太陽(yáng)電池的例子，該結(jié)構(gòu)是用寬帶下圖是一個(gè)實(shí)際的三層太陽(yáng)電池的例子，該結(jié)構(gòu)是用寬帶 隙的非晶碳化硅薄膜為第一層，用窄帶隙的非晶鍺硅作為隙的非晶碳化硅薄膜為第一層，用窄帶隙的非晶鍺硅作為 第三層，中間夾以非晶硅層。其轉(zhuǎn)換效率理論上最高可達(dá)第三層，

35、中間夾以非晶硅層。其轉(zhuǎn)換效率理論上最高可達(dá) 24%，基本上與單晶硅太陽(yáng)電池的理論最高值一樣。，基本上與單晶硅太陽(yáng)電池的理論最高值一樣。 利用寬帶隙材料做成異質(zhì)結(jié)利用寬帶隙材料做成異質(zhì)結(jié) 結(jié)構(gòu)，不僅是通過(guò)窗口作用結(jié)構(gòu)，不僅是通過(guò)窗口作用 提高短路電流，還可以通過(guò)提高短路電流，還可以通過(guò) 內(nèi)建電勢(shì)的升高提高開(kāi)路電內(nèi)建電勢(shì)的升高提高開(kāi)路電 壓。因?yàn)樵趬骸Ｒ驗(yàn)樵趐層中加碳，能層中加碳，能 隙變寬，隙變寬， p、i兩層中的費(fèi)米兩層中的費(fèi)米 能級(jí)的相對(duì)位置被相應(yīng)拉開(kāi)，能級(jí)的相對(duì)位置被相應(yīng)拉開(kāi)， 因而對(duì)升高內(nèi)建電勢(shì)也有好因而對(duì)升高內(nèi)建電勢(shì)也有好 處。處。 在非晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展過(guò)程中，轉(zhuǎn)換效率的一次幅度較大

36、的在非晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展過(guò)程中，轉(zhuǎn)換效率的一次幅度較大的 提高就是用提高就是用p型的非晶碳化硅膜代替型的非晶碳化硅膜代替p型的非晶硅的結(jié)果。對(duì)于型的非晶硅的結(jié)果。對(duì)于 帶隙為帶隙為1.7eV左右的左右的i層，要求層，要求p層材料的帶隙最好在層材料的帶隙最好在2.0eV左右。左右。 當(dāng)非晶碳化硅膜中碳的成分比在當(dāng)非晶碳化硅膜中碳的成分比在20-30%時(shí)，就能滿足這一要求，時(shí)，就能滿足這一要求， 而且并沒(méi)有給電池的制造工藝增加多少麻煩，而電池的性能卻而且并沒(méi)有給電池的制造工藝增加多少麻煩，而電池的性能卻 得到很大改善。得到很大改善。 Staebler-Wronski Effect 1977 年，年

37、，D.L.Staebler 和和 C.R.Wronski 發(fā)現(xiàn)非晶硅樣品發(fā)現(xiàn)非晶硅樣品 在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間光照后，其光電在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間光照后，其光電 導(dǎo)和暗電導(dǎo)都顯著減小，將照導(dǎo)和暗電導(dǎo)都顯著減小，將照 樣品放在樣品放在150度下退火度下退火30分鐘分鐘 ，再冷卻到室溫，樣品又恢復(fù)，再冷卻到室溫，樣品又恢復(fù) 原來(lái)狀態(tài)。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為原來(lái)狀態(tài)。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為 Staebler-Wronski 效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng) S-W效應(yīng)。研究表明在光照后效應(yīng)。研究表明在光照后 非晶硅中缺陷密度明顯增加。非晶硅中缺陷密度明顯增加。 S-W效應(yīng)的機(jī)制還是一個(gè)有待進(jìn)一步研究解決的效應(yīng)的機(jī)制還是一個(gè)有待進(jìn)一步研究解決的 問(wèn)

38、題，人們提出了各種模型進(jìn)行解釋。問(wèn)題，人們提出了各種模型進(jìn)行解釋。 有的認(rèn)為是光照在樣品中產(chǎn)生了新的缺陷，這種有的認(rèn)為是光照在樣品中產(chǎn)生了新的缺陷，這種 缺陷增加了隙態(tài)密度，降低了光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)。缺陷增加了隙態(tài)密度，降低了光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)。 有的認(rèn)為是光照產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)缺陷。有的認(rèn)為是光照產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)缺陷。 還有的認(rèn)為是光照引起了非晶硅結(jié)構(gòu)的變化，如還有的認(rèn)為是光照引起了非晶硅結(jié)構(gòu)的變化，如 H-Si鍵的斷裂。鍵的斷裂。 以及材料中的雜質(zhì)變化等等。以及材料中的雜質(zhì)變化等等。 由于由于S-W效應(yīng)效應(yīng) ，非晶硅太陽(yáng)，非晶硅太陽(yáng) 電池在光照后電池在光照后 ，非晶硅膜中，非晶硅膜中 缺陷態(tài)密度增缺陷態(tài)密度

39、增 加，導(dǎo)致電池加，導(dǎo)致電池 內(nèi)的光生電子內(nèi)的光生電子 和空穴復(fù)合幾和空穴復(fù)合幾 率增加，電池率增加，電池 的轉(zhuǎn)換效率下的轉(zhuǎn)換效率下 降。降。 非晶硅太陽(yáng)電池的不穩(wěn)非晶硅太陽(yáng)電池的不穩(wěn) 定性集中反映在其能量定性集中反映在其能量 轉(zhuǎn)換效率隨輻照時(shí)間的轉(zhuǎn)換效率隨輻照時(shí)間的 延長(zhǎng)而變化，直到數(shù)百延長(zhǎng)而變化，直到數(shù)百 或數(shù)千小時(shí)后才穩(wěn)定。或數(shù)千小時(shí)后才穩(wěn)定。 這個(gè)問(wèn)題在一定程度上這個(gè)問(wèn)題在一定程度上 影響了這種低成本太陽(yáng)影響了這種低成本太陽(yáng) 電池的應(yīng)用。電池的應(yīng)用。 作為解決方案作為解決方案 可以將電池中可以將電池中i層的厚度減薄，同時(shí)為了避免層的厚度減薄，同時(shí)為了避免 厚度減薄帶來(lái)的對(duì)入射光吸收的減

40、弱，可以厚度減薄帶來(lái)的對(duì)入射光吸收的減弱，可以 用多個(gè)電池串聯(lián)的方式，形成多級(jí)太陽(yáng)能電用多個(gè)電池串聯(lián)的方式，形成多級(jí)太陽(yáng)能電 池組以保證足夠的光吸收。池組以保證足夠的光吸收。 微晶硅接觸層微晶硅接觸層 在單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池中，利用微晶硅來(lái)做摻雜層的在單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池中，利用微晶硅來(lái)做摻雜層的 電池結(jié)構(gòu)也是較為常用的一種。微晶硅有較高的摻雜電池結(jié)構(gòu)也是較為常用的一種。微晶硅有較高的摻雜 效率，在同樣的摻雜水平下，其費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離帶隙中效率，在同樣的摻雜水平下，其費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離帶隙中 央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的帶隙不會(huì)央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的帶隙不會(huì) 因?yàn)閾诫s而有明顯的降低

41、，因此用微晶硅做太陽(yáng)電池因?yàn)閾诫s而有明顯的降低，因此用微晶硅做太陽(yáng)電池 的接觸層，既可減小串聯(lián)電阻，也可增加開(kāi)路電壓，的接觸層，既可減小串聯(lián)電阻，也可增加開(kāi)路電壓， 是理想的是理想的n+或或p+材料。材料。 非晶硅疊層電池非晶硅疊層電池 對(duì)于單結(jié)太陽(yáng)電池，即便是用晶體材料制備的，對(duì)于單結(jié)太陽(yáng)電池，即便是用晶體材料制備的， 其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般在其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般在AM1.5的光照條件的光照條件 下也只有下也只有25%左右。左右。 因?yàn)椋?yáng)光譜的能量分布較寬，而任何一種半因?yàn)椋?yáng)光譜的能量分布較寬，而任何一種半 導(dǎo)體只能吸收其中能量比自己帶隙值高的光子。導(dǎo)體只能吸收其中能量比自己帶

42、隙值高的光子。 其余的光子不是穿過(guò)電池被背面金屬吸收轉(zhuǎn)變?yōu)槠溆嗟墓庾硬皇谴┻^(guò)電池被背面金屬吸收轉(zhuǎn)變?yōu)?熱能，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子，熱能，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子， 使材料發(fā)熱。使材料發(fā)熱。 不僅如此，這些光子產(chǎn)生的熱效應(yīng)還會(huì)升高電池不僅如此，這些光子產(chǎn)生的熱效應(yīng)還會(huì)升高電池 工作溫度而使電池性能下降。工作溫度而使電池性能下降。 為了最大程度的有效為了最大程度的有效 利用更寬廣波長(zhǎng)范圍利用更寬廣波長(zhǎng)范圍 內(nèi)的太陽(yáng)光能量。人內(nèi)的太陽(yáng)光能量。人 們把太陽(yáng)光譜分成幾們把太陽(yáng)光譜分成幾 個(gè)區(qū)域，個(gè)區(qū)域， 用能隙分用能隙分 別與這些區(qū)域有最好別與這些區(qū)域有最好 匹配的材料做成電池，

43、匹配的材料做成電池， 使整個(gè)電池的光譜響使整個(gè)電池的光譜響 應(yīng)接近與太陽(yáng)光光譜，應(yīng)接近與太陽(yáng)光光譜， 如圖所示，如圖所示， 具有這具有這 樣結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池稱(chēng)樣結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池稱(chēng) 為疊層電池。為疊層電池。 從迎光面開(kāi)始，材料的帶從迎光面開(kāi)始，材料的帶 隙依次下降，即最外面的隙依次下降，即最外面的 材料帶隙寬，有利材料帶隙寬，有利于于吸收吸收 短波長(zhǎng)的光，而透過(guò)的長(zhǎng)短波長(zhǎng)的光，而透過(guò)的長(zhǎng) 波長(zhǎng)的光則被里層帶隙較波長(zhǎng)的光則被里層帶隙較 窄的材料吸收，這樣可以窄的材料吸收，這樣可以 最大限度的吸收太陽(yáng)光能最大限度的吸收太陽(yáng)光能 量，同時(shí)。由于各個(gè)子電量，同時(shí)。由于各個(gè)子電 池是串聯(lián)在一起的，總的池是串聯(lián)

44、在一起的，總的 開(kāi)路電壓比單個(gè)電池高很開(kāi)路電壓比單個(gè)電池高很 多，因而有可能大幅度提多，因而有可能大幅度提 高轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率。 疊層電池的轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制，疊層電池的轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制， 因此，疊層電池設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題是合理因此，疊層電池設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題是合理 選擇各子電池選擇各子電池i層的能隙寬度和厚度層的能隙寬度和厚度，以獲得最，以獲得最 佳電流匹配佳電流匹配，使轉(zhuǎn)換效率最大。，使轉(zhuǎn)換效率最大。 同時(shí)也要控制各個(gè)摻雜層的厚度，以減少其對(duì)同時(shí)也要控制各個(gè)摻雜層的厚度，以減少其對(duì) 入射光子的吸收，也減少光生載流子在這些缺入射光子的吸收，也減少光生載流子在這些缺

45、 陷密度較高的薄層中的復(fù)合損失。陷密度較高的薄層中的復(fù)合損失。 更重要的是各子電池之間有反型結(jié)存在，必須更重要的是各子電池之間有反型結(jié)存在，必須 制備隧穿結(jié)聯(lián)接。制備隧穿結(jié)聯(lián)接。 空間電荷區(qū)寬度：空間電荷區(qū)寬度：XD=xn+xp 根據(jù)電中性要求，空間電荷區(qū)總電荷為零：根據(jù)電中性要求，空間電荷區(qū)總電荷為零： qxnND=qxpNA 可得：可得： D AD A n X NN N x D AD D p X NN N x 根據(jù)半導(dǎo)體物理，可得：根據(jù)半導(dǎo)體物理，可得： 隧穿結(jié)即隧穿結(jié)即p+-n+結(jié)，結(jié)， 對(duì)于對(duì)于NA ND 對(duì)于對(duì)于ND NA, ) 1 )( 4 ( 0 D r DD Nq VX )(

46、2 ( 0 AD ADr DD NN NN q VX ) 1 )( 4 ( 0 A r DD Nq VX HIT太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池 多晶硅薄膜太陽(yáng)電池多晶硅薄膜太陽(yáng)電池 薄膜多晶硅新技術(shù)還原硅片薄膜多晶硅新技術(shù)還原硅片 降低能耗降低能耗2/3，節(jié)省材料，節(jié)省材料2/3 多晶硅片多晶硅片 三氯氫硅三氯氫硅 西門(mén)子多晶硅西門(mén)子多晶硅重熔鑄錠重熔鑄錠切片切片 開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅片生產(chǎn)技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的必開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅片生產(chǎn)技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的必 然趨勢(shì)。然趨勢(shì)。 將集中力量開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅片生產(chǎn)技術(shù)及相將集中力量開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅片生產(chǎn)技術(shù)及相 應(yīng)的電池組件生產(chǎn)技術(shù)。應(yīng)的電池組件生產(chǎn)技術(shù)。 電池片制備工藝簡(jiǎn)化電池片制

47、備工藝簡(jiǎn)化 晶體硅片傳統(tǒng)方法：晶體硅片傳統(tǒng)方法： 薄膜硅簡(jiǎn)化方法薄膜硅簡(jiǎn)化方法 表面制絨表面制絨擴(kuò)散擴(kuò)散鈍化膜鈍化膜表面電極表面電極 表面電極表面電極鈍化膜鈍化膜表面電極表面電極1 2 異質(zhì)襯底多晶硅薄膜制備技術(shù)異質(zhì)襯底多晶硅薄膜制備技術(shù) 由于不同的襯底材料性質(zhì)不同，制備籽由于不同的襯底材料性質(zhì)不同，制備籽 晶層的方法也有所不同。晶層的方法也有所不同。 根據(jù)對(duì)各種襯底性能的分析比較以及目根據(jù)對(duì)各種襯底性能的分析比較以及目 前的非晶硅薄膜沉積工藝，普遍將籽晶前的非晶硅薄膜沉積工藝，普遍將籽晶 層的制備分為兩種類(lèi)型：低溫工藝與高層的制備分為兩種類(lèi)型：低溫工藝與高 溫工藝。溫工藝。 這也分別是我們研

48、究的玻璃襯底與石墨這也分別是我們研究的玻璃襯底與石墨 襯底所將采用的工藝。襯底所將采用的工藝。 低溫制備技術(shù)低溫制備技術(shù) 低溫制備技術(shù)主要應(yīng)用于耐溫比較低的襯底低溫制備技術(shù)主要應(yīng)用于耐溫比較低的襯底 ，比如普通玻璃等，通常制備溫度控制在，比如普通玻璃等，通常制備溫度控制在 1000以下。以下。 此類(lèi)工藝通常需要先在襯底上采用低溫沉積此類(lèi)工藝通常需要先在襯底上采用低溫沉積 方法制作一層非晶硅或者微晶硅，再利相關(guān)方法制作一層非晶硅或者微晶硅，再利相關(guān) 手段將薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅。手段將薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅。 在玻璃襯底上低溫沉積非晶硅的常用方法包在玻璃襯底上低溫沉積非晶硅的常用方法包 括磁控濺射和括磁控濺

49、射和PECVD 沉積。沉積。 l磁控濺射靶材可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)整，從磁控濺射靶材可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)整，從 而制備出本征硅薄膜或者各種類(lèi)型及摻雜濃度的而制備出本征硅薄膜或者各種類(lèi)型及摻雜濃度的 低阻硅薄膜。低阻硅薄膜。 lPECVD 沉積主要是利用硅烷在一定條件下（沉積主要是利用硅烷在一定條件下（ 襯底溫度約襯底溫度約300）裂解生成單質(zhì)硅沉積在襯底）裂解生成單質(zhì)硅沉積在襯底 上形成非晶或者微晶薄膜，摻雜可以通過(guò)沉積過(guò)上形成非晶或者微晶薄膜，摻雜可以通過(guò)沉積過(guò) 程中通入對(duì)應(yīng)摻雜氣體實(shí)現(xiàn)。程中通入對(duì)應(yīng)摻雜氣體實(shí)現(xiàn)。 u在低溫條件下將非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變成多晶硅薄膜在低溫條件下將非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變成多

50、晶硅薄膜 的方法包括：的方法包括： 低溫固態(tài)結(jié)晶法（低溫固態(tài)結(jié)晶法（500） 金屬誘導(dǎo)法，金屬誘導(dǎo)法，XeCl 準(zhǔn)分子激光脈沖法。準(zhǔn)分子激光脈沖法。 l 固態(tài)結(jié)晶法（固態(tài)結(jié)晶法（Solid Phase Crystallization， SPC） 也就是人們常說(shuō)的也就是人們常說(shuō)的“常規(guī)退火常規(guī)退火”，這種方法是將，這種方法是將 非晶硅薄膜放置在具有一定溫度的真空（或者惰非晶硅薄膜放置在具有一定溫度的真空（或者惰 性氣氛）環(huán)境中保持一段時(shí)間。性氣氛）環(huán)境中保持一段時(shí)間。 退火過(guò)程中晶界移動(dòng)、薄膜晶粒逐漸長(zhǎng)大，整個(gè)退火過(guò)程中晶界移動(dòng)、薄膜晶粒逐漸長(zhǎng)大，整個(gè) 過(guò)程中薄膜都保持在固相，所以這種方法被叫做

51、過(guò)程中薄膜都保持在固相，所以這種方法被叫做 固態(tài)結(jié)晶法。固態(tài)結(jié)晶法。 提高溫度或者延長(zhǎng)退火時(shí)間都是有效提高固態(tài)結(jié)提高溫度或者延長(zhǎng)退火時(shí)間都是有效提高固態(tài)結(jié) 晶效果的方法。晶效果的方法。 典型的退火過(guò)程時(shí)間一般為典型的退火過(guò)程時(shí)間一般為20 到到40個(gè)小時(shí)。個(gè)小時(shí)。 l金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法（金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法（Metal Induced Crystallization, MIC） 金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法在近年來(lái)逐漸受到人們的關(guān)注，被認(rèn)金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法在近年來(lái)逐漸受到人們的關(guān)注，被認(rèn) 為是制作多晶硅薄膜電池、平面顯示器、薄膜晶體管的為是制作多晶硅薄膜電池、平面顯示器、薄膜晶體管的 極具推廣潛力的方法。極具推廣潛力的方

52、法。 非晶硅薄膜的金屬誘導(dǎo)結(jié)晶是指當(dāng)非晶硅薄膜與某種非晶硅薄膜的金屬誘導(dǎo)結(jié)晶是指當(dāng)非晶硅薄膜與某種 金屬薄膜相接觸時(shí)，在一定的溫度條件下進(jìn)行退火可以金屬薄膜相接觸時(shí)，在一定的溫度條件下進(jìn)行退火可以 讓非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧さ姆椒āＷ尫蔷Ч璞∧まD(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧さ姆椒ā?常見(jiàn)的鋁、鎳、銅、銀、金等都可以用作金屬誘導(dǎo)結(jié)常見(jiàn)的鋁、鎳、銅、銀、金等都可以用作金屬誘導(dǎo)結(jié) 晶的材料，不同的材料所對(duì)應(yīng)的金屬誘導(dǎo)結(jié)晶溫度各不晶的材料，不同的材料所對(duì)應(yīng)的金屬誘導(dǎo)結(jié)晶溫度各不 相同，但一般都不超過(guò)相同，但一般都不超過(guò)1000，過(guò)程完成的退火時(shí)間，過(guò)程完成的退火時(shí)間 通常為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)。通常為幾十分鐘到幾個(gè)

53、小時(shí)。 上世紀(jì)上世紀(jì)70 年代人們便已經(jīng)展開(kāi)對(duì)金屬誘導(dǎo)結(jié)晶的年代人們便已經(jīng)展開(kāi)對(duì)金屬誘導(dǎo)結(jié)晶的 研究，但是目前為止其機(jī)理仍然沒(méi)有比較完善的研究，但是目前為止其機(jī)理仍然沒(méi)有比較完善的 解釋。解釋。 比如金屬誘導(dǎo)結(jié)晶過(guò)程中的成核機(jī)制，以及宏觀比如金屬誘導(dǎo)結(jié)晶過(guò)程中的成核機(jī)制，以及宏觀 上發(fā)生的層交換等問(wèn)題，都還需要更深入的探索上發(fā)生的層交換等問(wèn)題，都還需要更深入的探索 和理解。和理解。 在應(yīng)用推廣角度來(lái)看，金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法所采用的在應(yīng)用推廣角度來(lái)看，金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法所采用的 材料以及設(shè)備是建立在現(xiàn)有的薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)材料以及設(shè)備是建立在現(xiàn)有的薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn) 體系上的，比如非晶硅薄膜沉積時(shí)用到的磁控濺

54、體系上的，比如非晶硅薄膜沉積時(shí)用到的磁控濺 射或射或PECVD 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 金屬層沉積時(shí)用到的真空蒸鍍?cè)O(shè)備或者粒子束輔金屬層沉積時(shí)用到的真空蒸鍍?cè)O(shè)備或者粒子束輔 助沉積系統(tǒng)也是太陽(yáng)電池底電極制作時(shí)常用的設(shè)助沉積系統(tǒng)也是太陽(yáng)電池底電極制作時(shí)常用的設(shè) 備備 l激光誘導(dǎo)結(jié)晶法（激光誘導(dǎo)結(jié)晶法（Laser Induced Crystallization，LIC） 近年來(lái)被逐漸應(yīng)用到非晶硅晶化工藝過(guò)程中。近年來(lái)被逐漸應(yīng)用到非晶硅晶化工藝過(guò)程中。 這種方法是利用聚焦的短脈沖激光束掃描非晶硅（這種方法是利用聚焦的短脈沖激光束掃描非晶硅（ 或者微晶硅）薄膜以達(dá)到加熱退火的目的。或者微晶硅）薄膜以達(dá)到加熱退火

55、的目的。 掃描速率以及入射光的能量都會(huì)對(duì)退火效果產(chǎn)生影掃描速率以及入射光的能量都會(huì)對(duì)退火效果產(chǎn)生影 響，退火過(guò)程中處在掃描范圍內(nèi)的薄膜可能處于液響，退火過(guò)程中處在掃描范圍內(nèi)的薄膜可能處于液 相（完全熔化）或者固液混合相（部分熔化），這相（完全熔化）或者固液混合相（部分熔化），這 將影響最終結(jié)晶的晶粒大小。將影響最終結(jié)晶的晶粒大小。 值得注意的是，因?yàn)檫@種方法采用的是短脈沖激光值得注意的是，因?yàn)檫@種方法采用的是短脈沖激光 ，退火過(guò)程中襯底的溫度比薄膜的溫度低很多，這，退火過(guò)程中襯底的溫度比薄膜的溫度低很多，這 非常有利于減小襯底雜質(zhì)向薄膜擴(kuò)散。非常有利于減小襯底雜質(zhì)向薄膜擴(kuò)散。 高溫制備技術(shù)高溫

56、制備技術(shù) 多晶硅薄膜的高溫制備技術(shù)主要針對(duì)耐溫較高多晶硅薄膜的高溫制備技術(shù)主要針對(duì)耐溫較高 的襯底材料。的襯底材料。 與低溫制備技術(shù)不同的是，高溫制備選擇襯底與低溫制備技術(shù)不同的是，高溫制備選擇襯底 材料時(shí)除了價(jià)格外還需要重點(diǎn)考慮到以下問(wèn)題材料時(shí)除了價(jià)格外還需要重點(diǎn)考慮到以下問(wèn)題 ： （1）材料的物理性能、化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性（涉及）材料的物理性能、化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性（涉及 雜質(zhì)擴(kuò)散）；雜質(zhì)擴(kuò)散）； （2）襯底表面粗糙度與厚度均勻性；）襯底表面粗糙度與厚度均勻性； （3）熱膨脹系數(shù)（）熱膨脹系數(shù)（TEC）匹配性；）匹配性； u通常可供我們選用的襯底包括：通常可供我們選用的襯底包括： 石墨、不銹鋼、陶瓷、硅廢料等。石墨、不銹鋼、陶瓷、硅廢料等。 相對(duì)低溫方法而言，高溫方法的沉積速率相對(duì)低溫方法而言，高溫方法的沉積速率 往往較快，適合高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。往往較快，適合高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。 但由于采用異質(zhì)襯底，所以高溫沉積方法但由于采用異質(zhì)襯底，所以高溫沉積方法 得到的硅薄膜晶粒也不會(huì)太大（通得到的硅薄膜晶粒也不會(huì)太大（通 常情況下不超過(guò)常情況下不超過(guò)5 微米）。微米）。 此外，還可以通過(guò)之前提到的沉積工藝在此外，還可以通過(guò)之前提到的沉積工藝在 耐高溫襯底上制作一層非晶硅，然后通過(guò)耐高溫襯底上制作一層非晶硅，然后通過(guò) 高溫條件的結(jié)晶方法來(lái)制備多晶