非晶硅太阳能电池的研究进展

摘 要：作为一种可再生的环保洁净资源，太阳能是无穷无尽的，所以，研发太阳能电池越来越成为一种趋势。当前的太阳能电池有晶硅和非晶硅两种，而后者更是在制作工艺、耗材、成本等方面有着很大的优势，其较低的衬底温度和易沉积性以及集成工艺的简易等，使得非晶硅薄膜太阳能的研究和发展更加广泛，前景更加广阔。

关键词：非晶硅；太阳能电池；研究进展

当前人类面临的两大难题分别是环境的污染和能源的减少，研究认为在未来的100年以后，世界将不再有化石类燃料，并且全球的生态环境已经在化石燃料的影响下严重的失衡，例如由二氧化碳等燃烧气体造成的酸雨和温室效应等。所以，当前最具影响力和最有价值的研发领域就是新型能源的开发，尤其是可再生性洁净能源的开发。太阳能电池的发展就是在这样一种寻求可再生、高清洁燃料的情况下日渐成熟并逐渐壮大起来的新型产业。太阳能的制作材料分很多种，最常见的有硅、无机盐化合物（砷化镓、Ⅲ-IV族化合物、铜铟硒和硫化镉等化合物）、纳米晶等，人们也根据这些不同的材料对电池做了分类，其中的硅材料是世界上储量排名第二的元素，起初人们在研究半导体材料时积累下了丰富的经验，并且因为硅本身的无毒无污染和性质稳定的优点而被广泛应用在太阳能电池技术中，其中硅太阳能电池又可以分为单晶硅和非晶硅两种，其中单晶硅受成本的限制而应用较少，相反的，非晶硅在保持了较高的吸收系数的前提下，成本远远在单晶硅之下[1]。因此，非晶硅太阳能电池有着更好的发展前景[1]。

1 太阳能电池概述

太阳能电池的主要作用就是实现太阳能到电能的转换，当前人类对太阳能电池的研发已经取得了很大的成果，现在已经有磅化镉、硫化镉以及砷化镓等材料也被实际运用到了太阳能电池的制作中，尽管这些材料的转换率比硅要高，但是其制作工艺个价格却极大地限制了其广泛的应用。所以广泛推广太阳能电池使用率的关键还在于其制作成本的控制，而相比来说，非晶硅薄膜恰好适合这一应用。

2 非晶硅太阳能电池具有的优缺点

2.1 具有的优点

氢化非晶硅因为其自身的许多优势而被选作太阳能电池的制作原料。

强大的光吸收能力，非晶硅的这一优势使齐电池膜厚度只有1um，而单晶硅、砷化镓以及多晶硅等材料制作的电池其膜厚都在1.5um左右，并且非晶硅强大的吸收能力也使整个电池的厚度比单晶硅的厚度要薄，一般情况下，单晶硅本身的厚度就要达到70um，经过工艺加工后，总厚度会高达400um。

简易的工艺制作流程，非晶硅的这一优势使其在制作的过程中大大的节省了能量，以单晶硅为对比，其工艺需要高达10000℃的环境中进行，而非晶硅的工艺处理对温度的最高要求也只是2000℃，温度差相差五倍，甚至更多[2]。

生产过程可以自动化和规模化。

衬底材料选择的多样性，非晶硅的状态不存在匹配衬底晶格的限制，所以在衬底的材料选择上可以是玻璃与不锈钢片等，选择面比较宽，毕竟可以控制成本。当前被广泛使用的像聚酞亚胺等聚合物类的彻底，更是极大的降低了成本。

2.1.5 电池构造的集成型选择，从而是衬底上输出的电压能满足较高的需求。

2.2 存在的缺点

综上所述，当前在太阳能电池的制作中，应用最广泛，最适用的一种制作材料就是非晶硅，而且已经实现了8%的商品稳定效率。但是作为一种新生的产物，非晶硅电池在稳定性和转化率两个方面还存在一定的缺陷。要解决稳定性低这一问题，关键在于完善i层的功能，因为稳定性与S-W的效率有直接关系，也就是光致衰退，通过研究发现，光致衰退与i层有着直接关系，由于i层的光生载流子与内建电场的强度成反比，所以其大小随i层厚度的变化而变化，厚度加大，则最低电场强度减小，所以要提高电池的稳定性。将太阳能电池进行叠层是一个比较好的方法[2]，其制作材料只要是太阳光谱部分不同的光伏材料层膜。为了从一定程度上降低光致衰退现象的发生，一般的i层在顶电池中会比较的薄，同样的，这也在一定程度上降低了低电池的光致衰退的发生。而转化率的提高则主要通过其各个层面和窗口的材料的研究个改善来实现的，比较常见的像纳米硅复合薄膜等，另一个比较有效的改进途径就是对i层缺点的降低，是各个界面的衔接和层面间的间隙能更好的匹配和结合，这些方法都是提高电池的转化率的有效途径。

3 非晶硅太阳能电池研究进展

3.1 理论研究

效率的提升和成本的下降是当前太阳能电池发展的两个主要目标。当前世界各国取得成效的拉低成本的途径主要是市场的开发、规模的扩展和工艺技术的完善。以美国为例，上个世纪九十年代之后，其太阳能电池的商品率达到了12%到15%，年生产力也从之前的1～5兆瓦增加到了5～20兆瓦，翻了近四倍。并且在生产的自动化和工艺上也不断的取得新的进展。光伏组件的成本方面，世界普遍拉低了32%，成本首次低于每wp3美金，而光伏组件在世界上的出售价格达到了每wp4美金，并且这种现象还有着持续发展的势头，最初只是作为能源的补充出现的太阳能电池在人类的重视个投入的增加的推动下，逐渐发展成为替代性的能源，其发电总量在2050年前后将会达到总发电量的15%到20%，那时的太阳能将真正跻身人类基础能源的行列。

在效率提升的研究上取得的成效也是很明显的，在单晶硅的电池效率方面，德国、美国、日本等都已经超过了23%，而澳大利亚更是超过了24%，多晶硅的电池效率方面，德国和美国都超过了18%，澳大利亚则超过过了19.8%（lcm2），由日本kyocera公司研发的多晶硅电池其效率也达到了17%以上，非晶硅薄膜电池、多晶硅电池以及cdte和cis是薄膜类电池中的重点科研对象，为提高电池效率和降低衰减程度，采取的主要手段是将电池层数叠加，并且通过这种方法，已经达到了15%的稳定率，电池效率方面，cdte超过15%，cis超过17%，规模较大的电池生产厂家的效率都在10%以上[3]。endprint

通过将电池叠层的方法来提高转化效率的科研已经有过年的历史，并且取得了较好的成果。而选择什么样的底电池i层是关键所在，p-Si、a-Site和a c-Si是当前可以使用的原材料，我们以a-Site为例，选取面积为0.25cm2的底层材料，通过表1，我们可以选择i层材料，以及电池的叠层的增加而导致的电池稳定性和转化率的增加，而以双层叠层的电池为例，i层材料变化也导致了电池稳定性和转化率的变化。所以，在底电池的材料的选择上，微晶硅与多晶硅的前景都是非常广阔的。

3.2 应用研究

从上个世纪八十年代开始，日本的sany公司就在袖珍型计算机领域第一次使用了太阳能电池供电，并且逐渐在电视、手表、录音机等领域扩展开来。耗能低是当前a-si太阳能电池的主要特征[3]。除此之外，太阳能电池还被广泛的应用到了建筑上，像日本目前广泛推行的“百万屋顶”计划，就是将过去建筑中的普通屋顶瓦用太阳能电池代替，将非晶硅沉积到玻璃上，并且在重量、质量、规模等方面不对房屋造成影响，使普通的家庭都可以使用上太阳能。同时，对通信照明困难的偏僻落后的地方，太阳能电池可以作为小型的发电设备来发挥其积极的作用，也可以放置在汽车顶部，利用太阳能来提供汽车所需的电量。

在越来越低的生产成本和越来越高的电池转化率的推动下，非晶硅电池又取得了一个显著成果。即柔性衬底型非晶硅太阳能电池[4]，该类电池最为显著的特点就是轻便、具有极强的韧性和极高的重量比功率，这些优势也使得该类电池在军用小卫星、航天器、城市遥感用的平流层平台等领域有着其他类太阳能电池所部具备的优点。当前卫星总重量的三分之一是电源系统的重量，而如果把电源的材料换成柔性衬底的非晶硅电池，其重量比功率则会因为其高达2000W/kg的值而演员超出单晶硅，所以要减少电源的重量关键在柔性衬底非晶硅电池的使用[4]。同时，其较强的柔韧性和卷曲性，也为其安装、运输、存放以及供电和建筑的一体化设计等方面都提供了便利，所以这也使得柔性衬底非晶硅电池在民用领域的前景也是非常广阔的。

4 非晶硅太阳能电池的发展方向

集成性电池和规模化是当前非晶硅电池在加快效率的基础上需要解决的两个主要问题。通过太阳能电池来获取电力是当前大面积发展非晶硅电池的关键，也是对a-si：H优势的利用，但是规模化发展非晶硅电池也有一定的缺点，像转换率低等，由于规模化的电池在面积增大后，无法保证膜的厚度和质量，而且针孔出现的几率也大大提高，并且电阻耗损的能源也随着串联的电极增多而增大，这都是造成转换率低的因素。另一方面，pin集成性电池的研发满足1.5到12V的实用电压的输出要求，其生产工艺因只从一个衬底获取高电压而得到了简化。具体操作手段为：以绝缘衬底为基础生产电池，涉及线路的图案通过光刻技术来实现，然后将电池用背电极与透明电极来串连，这种与集成电路制作相似的手法非常适合大量的生产。当前的玩具、计算机、钟表等常见领域也已经越来越多的开始使用非晶硅的太阳能电池。所以说非晶硅电池、集成性电池等的发展前景是非常广阔的。

大多数人都认为可靠与否是非晶硅类太阳能电池的关键，当前小功率电池的可靠性已经得到验证。但是电力用的电池以为其长期处于室外环境中，并且时间较长，其可靠与否还有待验证。曾有试验证明，将太阳电池板放在室外，其特性只会在起初的一个月时间内会有所下降，之后，其特性基本可以保持一年以上的稳定性。

5 结束语

现在建筑与光伏太阳能的一体化趋势已经与人类倡导的低碳、绿色、生态、环保型城市息息相关，而薄膜太阳能电池在当前快速发展的建筑光伏一体化进程中必将占据有利地位，同时随着人们的研究，转换率日渐提高，衰减率日渐降低的硅基薄膜太阳能电池也必会在其成本低、储量丰厚和无毒优势的推动下而在市场中争得一席之地。

参考文献

[1]钟迪生.硅薄膜太阳能电池研究的进展[J].应用光学，2001，22（3）：34.

[2]李毅，胡盛名.非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向[J].真空科学与技术，2000，20（3）：222-225.

[3]岳强，张晓丹，张鹤，等.a-Si/uc-Si 叠层电池中间层材料SiOx：H 制备研究[J].光电子激光，2010，21（2）：231-234.

[4]张延生.柔性衬底上非晶硅薄膜太阳电池的材料研究[D].天津：河北工业大学，2002.

作者简介：黄庆举（1965-），男，山东临沂人，教授，从事物理教学与研究。endprint