非晶硅薄膜太阳能电池稳定性技术研究

郑 奇

(湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)

太阳能作为最清洁、最绿色环保和用之不竭的能源受到人们的特别关注，世界各国均高度关注太阳能利用及转换技术的研究和发展.我国政府对于太阳能电池研究及应用高度重视，政府相关投入居世界第一.

半导体材料是最主要的太阳能电池材料，硅太阳能电池利用特殊掺杂技术获得PN结实现光-电转换[1].目前，太阳能电池研究进展很迅速，高转换效率的单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜以及化合物太阳能电池均已被研制开发，众多研究机构的高转换效率太阳能电池的相关报道经常出现.

在各种太阳能电池中，综合考虑转换效率成本、长期经济效益以及技术因素等，非晶硅薄膜太阳能电池优势凸显，其材料丰富、电池成本低、有利于大规模生产，目前已有众多非晶硅薄膜太阳能电池生产线在我国投入使用[2]，如无锡尚德、江西赛维、新奥，以及近期在北京、洛阳、重庆和杭州等地投入的大型非晶薄膜太阳能电池生产线.

目前，国内硅薄膜电池的研究工作虽然并不落后，但科研工作研究的重点过于集中于研究提高其转换效率以缩短其与其他材料电池之间的差距.工艺落后、设备技术国产程度很低而依赖于国外，主要是从美国应用材料公司、瑞士欧瑞康太阳能公司等引进[3].而硅薄膜太阳能电池稳定性差、使用寿命较短，普及速度因此受到影响的问题未能解决.因此，对于非晶硅薄膜太阳能电池首先应从提高其稳定性着手，其次加大工艺技术的研制，提高国产化程度.

1 SI薄膜太阳能电池结构

非晶硅是很好的太阳能材料，其材料很丰富光吸收系数高[4]，实际中基本采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了非晶硅薄膜.

图1 非晶硅太阳能电池结构图Fig.1 Amorphous silicon solar cell structure

图2 非晶硅薄膜内部等效电路图Fig.2 Amorphous silicon thin film internal equivalent circuit diagram

层(layer)材料(material)厚度(thickness)FrontglasslowFeglass3．2mmTCOConductivetransparentmaterial980～1100nma-Si—p-dopedlayer：10～15nmIntrinsiclayer：200～300nmn-dopedlayer：10～20nmuc-Si—p-dopedlayer：20～30nmIntrinsiclayer：1880nmn-dopedlayer：30nmBackcontact—AZO：100nmAg：200nmNiV：50nmBusswire—0．10～0．20mmPVB—1．10～1．20mmBackglassTemperedorHeatStrengthenedSodaLimeGlass3．0～4．0mm

图3 基材清洗流程图Fig.3 Base material cleaning flow chart

薄膜的a-Si太阳能电池可简单实现集成化，且形成的器件电学参量如电压电流、器件功率都可实现自由设计制造.但其光学间隙为1.7 ev，材料本身对太阳光辐射光谱的长波区域不敏感，这样光电转换效率将受到很大影响，另外硅薄膜材料转换效率存在S-W效应[5]，为了解决这一影响硅薄膜转换效率的问题，解决方法是制备叠层太阳能电池[6]，即制备多个P-i-N子电池.根据此原理思想，在研究过程中采取了如下叠层的太阳能电池，其基本结构以及膜内部形成的电路关系如图1 和图2所示.其过程的关键技术如下所述.

1.1 层结构的设计

这里面最重要的地方是对复杂层结构的厚度控制，这是在膜内部形成稳定电路的关键[6]所在，制作过程中发现采用下列数据(出于数据保密的考虑，这里只列出某些关键数据的范围)所制备的硅薄膜电池比市场上同等电池S-W效应显著降低，甚至可以和多晶硅电池的稳定性相媲美，见表1.

1.2 激光刻线技术

由于非晶硅薄膜电池各层厚度的差别，且关键层厚度极为微小，因此对光刻技术要求极高，这就要求实现光刻的激光器性能及刻线准确度卓越，在实验中使用了超短脉冲激光器完成TCO刻槽、非晶硅薄膜系刻槽及背电极刻槽，这比一般生产线上所使用的红外和绿光激光器刻槽精度高出许多，刻线结果示意如图1.

1.3 基材清洗技术

在真空情况下在基材上使用PECVD法进行非晶硅膜系沉积，有关研究结果表明基材(如玻璃、金属等)的表面清洁对硅膜的品质影响非常巨大[7]，在实际过程中使用了如图3所示具体的清洁措施，虽然可能会对以后制造成本产生增加影响，但相信这一措施带来的有利因素远大于成本因素.

表2 非晶硅薄膜电池初态效率与稳定效率值列表Tab.2 Amorphous silicon thin film cells initial state efficiency and stability efficiency value list

2 测试结果分析

由于太阳能电池输出电压、电流及功率特性受光照强度以及环境条件影响极其明显[8]，因此，在测试过程中选择了在实验室环境下，选择人工太阳能环境，在光照强度为5.0MW及环境条件相对不变情况下对非晶硅硅薄膜太阳能电池组件进行了30×10 h(每次持续30 h，进行了10次测试实验)不间断照射测试，比较市场主流产品的性能，根据预期目的并且依据光照强度和电池板所产生的输出功率数据关系来体现本电池组件的基本性能光电转换稳定程度.如图4及表2所示.

图4 非晶硅薄膜电池电学测试结果关系图Fig.4 Amorphous silicon thin film solar electrical test results relationship chart

3 结语

提高稳定性和转换效率是增强非晶硅薄膜太阳能电池竞争性所必须的因素，采用上述设计非晶硅薄膜结构方法，配合高精度的光刻技术以及细致的基材清洗工作所制备的非晶硅薄膜太阳能电池，从测试数据曲线结果可以清晰看出，该措施对于非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率保持得很好，在长时间光照下电池组件电压输出变化很小，证明文中所使用的技术措施很好的降低了S-W效应，S-W效应值被控制在25%左右，显然这提高了非晶硅薄膜太阳能电池的稳定性.

[1] 杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009:365-428.

[2] 金韦利,姜礼华.非晶硅薄膜太阳能电池应用分析[J].节能,2010(03):21-24.

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[4] 山东大学物理系半导体研究室.非晶硅及其应用译文集<Ⅱ>[M].济南,2008:42-80.

[5] 邹红叶.硅薄膜太阳电池的原理及应用[J].物理通报,2009(5):56-57.

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[7] 王敬义,何笑明,王宇,等.APCVD制备非晶硅的关键工艺参数分析[J].半导体学报,1993(4):242-246.

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