可用于可穿戴设备的透明非晶硅薄膜太阳能电池的研究

陈 宇（广东志成冠军集团有限公司，广东省东莞市塘厦镇田心工业区，523718）



可用于可穿戴设备的透明非晶硅薄膜太阳能电池的研究

陈 宇
（广东志成冠军集团有限公司，广东省东莞市塘厦镇田心工业区，523718）

摘要：一种可用于可穿戴设备屏幕表面的透明非晶硅薄膜太阳能电池，采用激光刻蚀高密度微纳光通道阵列、TCO薄膜作为透明导电背电极，并减薄I层厚度来提升光线透过率。实验表明随着光刻密度增加或I层厚度的减少，光电转换效率会降低，光线透过率会增加，当I层厚度300nm，光刻孔隙直径30m，阵列间隔55m以内时，可获得50%以上的透过率（最高59%）和2.5%以上的光电转化效率（最高3%）。

关键词：非晶硅；透明太阳能电池；微纳光通道阵列；光线透过率

0 引言

可穿戴设备产业发展潜力巨大。其主要瓶颈是电池续航能力不足。如苹果公司推出的apple watch智能手表，每天都要充电，大幅降低了设备的可用性。

本文提出研制透明的太阳能电池，可装备在可穿戴设备屏幕表面给电池充电，既有效利用屏幕的面积，又可提升电池的续航能力。

非晶硅薄膜太阳能电池拥有电压可调节，薄膜结构，成本低，良好的弱光发电特性等优点，适合本文的需求。但是非晶硅薄膜层以及金属背电极层的光线透过率很低，这导致其无法直接用到可穿戴设备屏幕的表面。

图1 透明薄膜太阳能电池设计结构图

因此，本文设计了一种新型的透明非晶硅薄膜太阳能电池。

1 电池设计

1.1基本结构

本文设计的透明非晶硅薄膜太阳能电池如图1所示。顶层采用TCO薄膜（氧化物透明导电薄膜）作为前电极。中间层采用PIN结非晶硅薄膜，底部采用TCO薄膜代替传统金属薄膜做背电极，以克服金属薄膜透过率低的缺点。

普通非晶硅薄膜太阳能电池I层的最优厚度为400-500nm左右。薄膜的光线透过率随着厚度的降低会显著提升，因此本设计将I层的厚度大幅缩减150-200nm，以提升其透光性能。

1.2微纳光通道阵列设计

过度缩减I层的厚度会导致光电转化效率的大幅降低，不能彻底解决非晶硅薄膜光线透过率低的问题，本设计提出一种微纳光通道阵列结构，通过激光在PIN结非晶硅薄膜层上刻蚀大量微米尺度的通道，形成一个光通道阵列，使得光线能通过这个通道阵列，均匀的穿过非晶硅薄膜层，提升整体的透过率。

本设计有两个优点：第一，由于单个通道的直径在微米级尺度，且采用类似于显示屏像素的矩阵阵列分布式结构，通过让通道阵列密度达到300PPI（pixels per inch），即通道间隔85微米以内，可达到人眼视网膜分辨率极限，完全避免视觉上产生颗粒感。第二，通过调节阵列的密度，可以精确调节非晶硅薄膜表面的开孔孔隙率，进而精确控制光线透过率。

无论是减薄I层非晶硅薄膜或是制作微纳光通道阵列，其带来的透过率提升与效率之间均为减函数关系，因此需要通过实验来确定最佳的结构，以获取效率与透过率之间的平衡。

2 实验

在2×2cm的玻璃基板上制作透明薄膜太阳能电池，分别进行了两项实验：

实验一，减薄I层，共制备七组电池样品，采用相同的工艺同时制样，在PECVD沉积I层时，通过控制沉积时间来实现不同厚度，分别为150nm，200nm，250nm，300nm，350nm，400nm，450nm。其余的膜层工艺和结构完全一样。背电极膜层均采用ITO薄膜，采用磁控溅射法制备，其方块电阻达到6/，透过率在83%左右。

实验二，采用实验一中获得的最优结构制作五组样品，均采用掩模光刻工艺制作微纳光通道阵列，单个光通道的孔隙直径均为30微米，分别采用五种不同密度的阵列结构，如表1所示。

表1 不同样品微纳光通道阵列规格表

3 结果与讨论

实验一制备的7片样品的实验数据及结果如表2所示：

随着I层的增厚，薄膜的光电转化效率不断上升，达到360nm左右的厚度以后，光电转化效率达到峰值5.8%，此后随着I层厚度的增加，效率没有增长，还出现轻微下滑，这是由于当厚度达到一定程度后，入射光线的吸收增加极为微少，同时由于厚度接近载流子的扩散长度，导致其损耗与新生达到平衡。

因此，最优I层厚度为300nm，这是因为其光电转换效率和光线透过率达到了最佳的平衡。在此结构基础上，实验二的数据结果如表3所示：

表2 减薄I层实验数据表

表3 不同微纳光通道阵列实验数据表

实验样品随着透过率的增加，效率也不断下降，符合理论规律。其中样品1，样品2的透过率在50%以上，有应用价值。同时所有样品肉眼观察均无颗粒感。对比实验一中样品1与实验二中样品1，两者光电转化效率基本一样，透过率前者（38%）明显差于后者（59%），证明相比于单纯减薄I层，微纳光通道阵列是一种更有效的提升透过率的方法。

以实验二中样品1为例，59%的透过率已可应用于可穿戴设备的屏幕表面。尽管只有2.5%的光电转换效率，以4cm2的应用面积为例，一般平均一天可以有效发电6小时，充电效率为80%，则日发电量可以达到12mAh，约占普通智能手环电池电量（约80mAh）的15%，对提升续航能力有显著的潜力。

4 结论

本文设计了一种新型透明非晶硅薄膜太阳能电池，通过采用激光刻蚀高密度微纳光通道阵列、TCO薄膜作为透明导电背电极，以及大幅减薄I层非晶硅薄膜的厚度等措施来获取具备高光线透过率。通过实验研究，在4cm2的玻璃基板上获得了光线透过率接近60%的透明非晶硅薄膜太阳能电池，光电转换效率达到2.5%，理论日发电量可到10mAh以上，对于提升当前市场上智能手环类可穿戴设备的续航能力，有很大潜力。受条件限制，本文只对这种新型的薄膜太阳能电池进行了初步的研究，其结构，材料，工艺以及在可穿戴设备上的实际应用效果的研究还有待进一步深入探索。

参考文献

［1］徐迎阳.可穿戴设备现状分析及应对策略［J］. 现代电信科技，2014（4）：73-76.

［2］孙建，薛俊明，侯国付等.电阻蒸发铝薄膜结构及其对非晶硅太阳电池性能的影响［J］. 人工晶体学报，2007，36（1）：152-156.

［3］温亮生，姬成周，张富祥等.非晶硅太阳电池的性能与结构参数的关系［J］.北京师范大学学报：自然科学版，1999（3）：361-365.

作者简介

陈宇（1982-10-），男，汉族，籍贯：四川，毕业学校：华中科技大学，学位：硕士，职称：工程师（中级职称），研究方向：新能源技术

The research on a transparent thin film a-Si solar cell for wearable device

Chen Yu
（Guangdong Zhicheng Champion Group Co.，Ltd.Industrial Zone，Tangxia Town，Dongguan City，Guangdong Province，523718）

Abstract：A transparent a-Si thin film solar cell which use TCO film back electrode，thin I layer a-Si film，and micro light tunnel matrix structure that made by laser etching to get highly transmittance. Experiments show that the efficiency will decrease and the light transmittance will increase when the density of micro light tunnel matrix increased or the I layer thickness decreased.When the I layer thickness is 300nm，and the micro light tunnel at a diameter of 30 m and the matrix spacing within 55 m，the transmittance〉50%（max 59%），and the efficiency≥2.5%（max 3%）.

Keywords：a-Si film；transparent solar cell；light tunnel matrix；light transmittance