非晶硅薄膜太阳能电池分析与研究

张仁霖

（安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

太阳能电池的薄膜化有利于缩短光生载流子在器件中的扩散距离，降低复合及湮灭的概率，在吸光程度大致相同的前提下，太阳能电池效率能进一步提高。因此研究和开发低成本高光电转换效率的硅基薄膜太阳能电池,已经成为太阳能电池领域的研究热点之一。

二、非晶硅薄膜太阳能电池

目前国际上研究较多的薄膜太阳能电池主要分为：硅基薄膜太阳能电池、砷化镓薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池等。

在这些薄膜电池中，硅基薄膜太阳能电池以其特有的优势快速发展，硅基薄膜太阳能电池又分为：非晶硅、微晶硅、纳米硅薄膜太阳能电池以及他们相互合成的叠层电池等。

（一）非晶硅薄膜电池基本特点

与晶硅材料相比，非晶硅薄膜材料具有以下特性。

1.生产耗能少。非晶硅薄膜太阳能电池的制作需要200℃左右的温度条件，耗能少，而制作晶体硅太阳能电池一般需要1000℃以上的高温。

2.价格低。非晶硅薄膜具有较高的光吸收系数，特别是在0.3～0.75um的可见光波段，它的吸收系数要比晶体硅高出一个数量级。

3.使用灵活。非晶硅薄膜太阳能电池可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。

4.适合工业化生产。非晶硅薄膜太阳能电池制作工艺简单，可连续化、大面积、自动化大批量生产。

5.方便建筑一体化。由于薄膜技术固有的灵活性，非晶硅薄膜太阳能电池能够以多种方式嵌入屋顶和墙壁，集成到建筑材料中。

（二）非晶硅薄膜材料光学特性

一种材料的光学性质，从本质上说是光子与电子相互作用的宏观反映，在此过程中总伴随着电子在不同能量状态之间的跃迁。晶态半导体电子的跃迁遵守准动量守恒的选择定则，并且电子通过间接跃迁和直接跃迁的方式在禁带之间进行跨越。但是在非晶态半导体中，由于晶格排列的长程无序性，电子态没有确定的波矢，电子的跃迁不再受动量守恒定律的限制。所以非晶态半导体和晶态半导体的吸收光谱也有所不同。图1为a-Si:H薄膜的吸收光谱。

图1 a-Si:H薄膜的吸收光谱

根据a-Si:H薄膜对不同光子的吸收差别，其吸收光谱可分为本征吸收区、带尾吸收区和次带吸收区三个区域。

1.本征吸收区(A区)

本征吸收区是由电子吸收能量大于光学带隙的光子后从价带内部向导带内部跃迁而产生的吸收。在此区域，a-Si:H的吸收系数α较大，通常在104cm-1以上，随光子能量的变化具有幂指数特征。在可见光谱范围内，a-Si:H的吸收系数要比晶体硅大得多(高1～2个数量级)，而太阳能电池主要是将可见光部分的光能(1.6～3.6eV)转化成电能，这也是非晶硅薄膜太阳能电池可取代晶体硅太阳能电池的重要原因之一。

a-Si:H的吸收系数α随光子能量hv的变化关系，在吸收边附近遵循Tauc规律:

（ahv）1/2=B（Eg-hv）

式中，B是与光子的能量无关而只与材料性质有关的常数，一般在105～106。实验上，常利用光透射谱来导出a-Si:H的复折射率，再由上式计算出Tauc光学带隙Eg。光学带隙的大小随制备方法和工艺条件的不同而不同，主要受化学组分、工艺条件和掺杂等因素的影响。

2.带尾吸收区(B区)

带尾吸收区对应电子从价带边扩展态到导带尾态的跃迁，或者电子从价带尾态到导带边扩展态的跃迁。在此区域，1cm-1<α<103cm-1，α与hv呈指数关系，所以也称指数吸收区。

3.次带吸收区(C区)

次带吸收区通常是指位于近红外区的低能吸收，对应于电子从价带到带隙态或从带隙态到导带的跃迁。此区域的吸收系数α很小，又称为非本征吸收，其特点是α随光子能量的减小趋于平缓。在C区，若材料的α在1cm-1以下，则表征该材料具有很高的质量。

三、非晶硅薄膜材料的制备方法

为了改善薄膜质量和提高薄膜沉积速率，多年来人们研究了许多种类a-Si:H薄膜的沉积方法，这些方法主要可分为两大类:化学沉积气相（Chemical VaporDeposition,CVD）法和物理气相沉积（Physical-Vapor Deposition，PVD）法。

所谓化学气相沉积法，就是在真空条件下，将含有Si的前驱物气体分解，然后把分解出来的Si原子或者含Si的基团沉积到衬底上。而物理气相沉积法，则是在真空条件下，通过溅射含有Si的靶材得到Si原子，然后在基片上生长a-Si:H薄膜。

当前，成功地应用于非晶硅基薄膜太阳能电池制备过程中的沉积方法主要是各种各样的化学气相沉积法，主要包括等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法、光诱导化学沉积法下面我们将分析其原理、结构、优缺点等。

（一）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法

PECVD方法是迄今为止实验室和大规模产业沉积a-Si:H薄膜使用最普遍的沉积方法，此方法是利用低温等离子体作为能量源，样品置于低气压辉光放电的阴极上。利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通过适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。

利用PECVD法制备本征非晶硅薄膜，主要采用H2或氦气、氩气、等惰性气体稀释的硅烷气体或高纯SiH4气体的热分解。

非晶硅薄膜的形成主要经历三个过程：

1.电子与反应气体发生初级反应，形成离子和活性基团的混合物。

2.各种产物向薄膜生长表面和管壁扩散运输，同时发生各反应物之间的次反应。

3.到达生长表面的各种初级反应和次级反应物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。

根据激发源的不同，PECVD方法分为直流等离子体增强化学气相沉积（DC-PECVD）法、射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）法、超高频等离子体增强化学气相沉积（VHF-PECVD）法等。

（二）热丝化学气相沉积（HWCVD）法

热化学气相沉积法是一种低温沉积薄膜的制备技术,可分为三个主要过程：

1.反应气体在热丝处的分解过程；2.反应基元向衬底的输运过程；3.基元在衬底表面吸附生长过程。

在沉积过程中，热丝被加热到1400°C以上的高温，纯SiH4或SiH与H2的混合气体被引入腔体，SiH4在热丝表面被热分解，主要生成Si原子和H原子，这些原子在到达衬底表面之前，还要通过一系列的气相反应过程。

HWCVD方法的优势：1.沉积速率高；气体分子为热分解，不存在电场加速的高能粒子轰击薄膜对其产生的伤害。2.可以通过扩大接触反应面积(多灯丝或者灯丝网)和提供适当大小的通气气源面积实现大面积生长。3.热丝分解过程所产生的大量的高能量原子H不仅可以夺走SH3中的H,使Si-Si相结合的机会增加，促进薄膜的晶化，而且同时也降低了薄膜中的H含量，使薄膜在光致衰减效应方面比较稳定。

同时，HWCVD方法也存在一些缺点，如加热丝容易老化，寿命较短;加热丝可能对所沉积的薄膜产生污染:大面积沉积时薄膜材料均匀性不容易控制等，技术还有待提高。

（三）光诱导化学气相沉积（PICVD）法

光诱导化学气相（PICVD)法是利用紫外光子能量对反应气体分子进行分解，得到电子、正离子和各种中性粒子。这些粒子和离子扩散到衬底表面而沉积形成固态的薄膜材料的方法。

PICVD方法的优点在于，由于反应过程中不存在电场，正离子不会被加速获得高能量，所以不会对基片及薄膜造成轰击损伤，因此利用此方法沉积的薄膜中缺陷态密度较低。同时，PICVD方法也存在不足，主要有两个方面，一是常利用的紫外线激励光源为水银灯，存在水银的污染问题；二是反应速度太慢，不适合大规模化生产。

四、非晶硅薄膜太阳能电池组件制备工艺

（一）玻璃衬底非晶硅薄膜太阳能电池组件制备工艺

以玻璃为衬底的非晶硅薄膜太阳能电池组件的主要制备工艺包括制备TCO玻璃、沉积吸收层、沉积背电极、特性测试、热老化、封装及四次激光切割等。

这其中TCO玻璃的制备工艺要求薄膜和衬底结合牢固、致密、无针孔缺陷，需要良好的导电性，较高的透光率和优良的表面绒面结构，工艺中最常采用的氧化锡（SnO2）薄膜材料。

（二）柔性衬底非晶硅薄膜太阳能电池组件制备工艺

柔性衬底非晶硅薄膜太阳能电池的制备采用卷对卷工艺，制备流程如下：

1.衬底的清洗:将具有定光洁度要求的柔性不锈钢衬底装入专用清洗机中，采用卷对卷方式进行传送，对衬底的两个表面同时进行清洗、干燥。

2.背反射膜（背电极）的沉积:由于非晶硅薄膜中载流子（尤其是空穴）的迁移率和寿命均比较低，所以电池本征吸收层不能太厚，否则会降低电池的FF。为了在有限的本征层中有效地吸收太阳光，背反射膜的散射效果显得非常重要。而-般在非晶硅薄膜中的背反射膜ITO膜很薄，只有约70nm,这么薄的ITO膜不可能具有绒面结构，所以需要在衬底上沉积一层高反射的金属膜层，常用的金属材料为铝或银，ITO膜材料为ZnO,采用磁控溅射技术进行沉积。

3.非晶硅吸收层的沉积:这是整个制备过程中最关键的工艺步骤，采用PECVD方法依次沉积P-I-N吸收层。以三结非晶硅薄膜太阳能电池为例，需要在已经沉积好的背反射层的表面连续沉积，层硅基薄膜，包括3个P-I-N结子电池，为了防止相邻反应室间的气体交叉污染，各反应室之间需要设计独特的气氛隔离室。

4.前反射膜(前电极)的沉积:非晶硅薄膜吸收层沉积完成之后，需在电池顶部沉积前反射膜ITO层。

5.切割:根据对电池电流的要求，将成卷的电池片切割成一定大小的电池片。

6.短路钝化:在非晶硅薄膜的沉积过程中，等离子体中的一些颗粒物不可避免地会沉积在衬底上而引起漏电流，因此需要对电池进行短路钝化处理，去除这些微缺陷。

7.前电极栅线的布置:由于前电极ITO膜太薄，只有约70nm,无法为电池提供足够的电导去收集光生电流，所以要在ITO上制作栅线以保证对光生电流的有效收集。

8.切边:完成栅线制作后，还要将电池的边缘切除，实现电池与周边的绝缘。至此，非晶硅薄膜太阳能电池的模块已经完成。

9.封装。

采用卷对卷技术制备大面积柔性衬底非晶硅薄膜太阳能电池，目前还有很多关键技术问题需要解决，如非晶硅薄膜的高速沉积、大面积薄膜的均匀性、各反应室间气体隔离装置的开发、制备过程的实时监控与诊断等。

五、结语

总之，近年来光伏市场发展十分迅速，晶体硅电池依旧占据主导位置，要实现非晶硅太阳能电池大规模应用还需要解决不少的问题。非晶硅太阳能电池面临的新任务，就是要在现有的基础上进一步提高电池的转换效率和稳定性.提高工艺水平和装备水平，大幅度降低成本，拓宽应用领域。