非晶硅薄膜太阳能电池介绍2

Journal of ELECTRICAL ENGINEERING,VOL.61,NO.5,2010,271–276

THIN–FILM SILICON PV TECHNOLOGY

Miroslav Zeman?

Thin-?lm silicon solar cell technology is one of the promising photovoltaic technologies for delivering low-cost solar electricity.Today the thin-?lm silicon PV market(402MW p produced in2008)is dominated by amorphous silicon based modules;however it is expected that the tandem amorphous/microcrystalline silicon modules will take over in near future. Solar cell structures based on thin-?lm silicon for obtaining high e?ciency are presented.In order to increase the absorption in thin absorber layers novel approaches for photon management are developed.Module production and application areas are described.

K e y w o r d s:amorphous silicon,microcrystalline silicon,solar cells,photon management

1INTRODUCTION

In the last eight years(2000-2008)the solar module production has grown on average by more than40%, which means that the solar module market is one of the fastest growing markets in the world(see Fig.1).The total production of solar modules reached7910MW p in 2008and was dominated by crystalline silicon(c-Si)solar cells,which accounted for87%of the total production[1]. As the c-Si solar cells,which represent the?rst generation solar cells for terrestrial applications,have matured,the cost of these solar cells has become dominated by material costs,namely those of the silicon wafer,the glass cover plate,and the encapsulants.

One way to decrease the cost of solar electricity is to reduce the thickness of the semiconductor materials that form a solar cell.In comparison to bulk c-Si solar cells, in which the silicon wafer has a thickness of200to350 micrometers,the total thickness of the semiconductor ab-sorbers in thin-?lm solar cells is less than a few microme-ters.There are several semiconductors that are excellent candidates for thin-?lm solar cells,such as silicon,cop-per indium gallium diselenide(CuInGaSe2=CIGS)and cadmium telluride(CdTe).Among thin-?lm solar cells,a silicon share in the solar module market was in20085% (ie402MW p)of the total production,while the share CdTe solar cells increased to more than7%[1].

At present most of the commercial thin-?lm silicon solar cells are represented by hydrogenated amorphous silicon(a-Si:H)based solar cells.A distinct feature of these solar cells is that silicon based layers are deposited in a low-temperature regime(T<600?C)by plasma enhanced chemical vapor deposition techniques.Since in silicon solar cell technology the term“thin-?lm”usually covers a range of1to100micrometers thick layers,in this article thin-?lm silicon solar cells refer to the low temperature silicon based solar cells.

2THIN–FILM SILICON

SOLAR CELL STRUCTURES

In1975Walter Spear and Peter LeComber reported that amorphous silicon had semiconducting properties by demonstrating that the conductivity could be manip-ulated by several orders of magnitude by adding some phosphine or diborane gas to the gas mixture[2].This was a far-reaching discovery since until that time it had been thought that amorphous silicon could not be made n-type or p-type by substitutional doping.Amorphous silicon suitable for electronic applications,where doping is required,is an alloy of silicon and hydrogen.Therefore, the electronic-grade amorphous silicon is therefore called hydrogenated amorphous silicon.

The successful doping of a-Si:H created tremendous interest in this material for two reasons.First,the ma-terial had several interesting properties that opened up many opportunities for semiconductor device appli-cations,especially in optoelectronics and photovoltaics (PV).For example,due to the high absorption coe?cient of a-Si:H in the visible range of the solar spectrum,a 1μm thick a-Si:H layer is su?cient to absorb90%of the usable solar energy.Second,the glow discharge de-position technique,also referred to as plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD),enabled production of a-Si:H?lms over a large area(>1m2)and at a low temperature(100?C to400?C).The low processing tem-perature allows the use of a wide range of low-cost sub-strates such as a glass sheet and a metal or polymer foil. The a-Si:H can be simply doped and alloyed by adding appropriate gases to a silane source gas.These features made a-Si:H a promising candidate for low-cost thin-?lm solar cells.

Today’s thin-?lm Si solar cells are based on the single-junction structure.The solar cell structure is such that light enters the intrinsic a-Si:H layer that serves as the absorber layer through the p-type layer.This is in order to facilitate the collection of holes from the absorber layer, which have a lower mobility than electrons in a-Si:H. There are two basic con?gurations of thin-?lm Si solar

272

M.Zeman :THIN-FILM SILICON PV

TECHNOLOGY

Fig.1.Global solar cell production between 2000and 2008

[1]

Fig. 2.A schematic structure of a superstrate single junction

a -Si:H solar cell

cells,namely a superstrate and substrate con?guration,which depend on the sequence of the silicon layer depo-sition,p -i -n or n -i -p ,respectively.In case of the su-perstrate con?guration,the p -i -n deposition sequence requires a transparent substrate https://www.sodocs.net/doc/d37018203.html,ually,a glass plate coated with a transparent conductive oxide (TCO)layer with a rough surface is used as the carrier.Figure 2shows a typical superstrate single-junction a -Si:H solar cell.The back contact is a highly re?ecting metal layer,usually deposited onto a TCO interlayer,which is used to improve the re?ection from the back contact by match-ing the refractive indices between the n-type silicon and metal.An encapsulant and/or another glass plate usually form the backside of the superstrate cell.

In case of the substrate con?guration,the substrate carrier forms the backside of the cell.This allows the use of opaque substrates,such as stainless steel.Also a poly-mer foil is used as a substrate.Since the polymer need not be transparent a temperature resistant type of poly-mer can be applied,such as polyimid.The foils can be thin enough to be ?exible,which opens up a possibil-ity to employ a roll-to-roll processing.A highly re?ect-ing back contact with textured surface that consists of a metal layer of silver or aluminum and a TCO layer is deposited on the carrier.The surface texture is required in order to scatter the re?ected light back to the cell at the angles that are large enough to facilitate total inter-nal re?ection.After depositing the sequence of the n -i -p a -Si:H based layers a TCO top layer with a metal grid is formed as the top contact.The front side of the substrate cell is ?nished by a transparent encapsulant layer with an additional glass plate.The use of conductive carriers such as stainless steel complicates the monolithic series interconnection of cells on the substrate.

Some important features of a -Si:H solar cells become apparent from Fig.2.The front contact layer is formed by the TCO.The top TCO ?lm has to ful?ll several strin-gent requirements,such as high optical transmission in the spectrum of interest,low sheet resistance,temper-ature durability and good chemical stability and adhe-sion.In the superstrate con?guration the surface of the TCO layer has to be textured in order to enhance light absorption inside the solar cell due to the scattering at internal rough interfaces.The carriers generated in the p-type layer do not contribute to the photocurrent and it is thus desirable that the light absorption in this layer is small.A smaller absorption is achieved by alloying the a -Si:H with carbon,which increases the optical band gap to about 2eV.A su?cient high electrical conductivity is required for both p -and n -type layers in order to form low resistance contacts with the electrodes and a high built-in voltage across the p-i-n junction.The intrinsic layer with an optical band gap of about 1.75eV serves as an absorber.The thickness of the intrinsic layer can vary between 100to 300nm,which depends whether it is in-corporated in single or multi-junction cells.Because the intrinsic layer is sandwiched in between the doped lay-ers,an internal electric ?eld is present across the intrin-sic layer.The internal electric ?eld facilitates separation of electron-hole pairs that are generated in the intrin-sic layer.The electric ?eld strongly depends on the defect distribution inside the intrinsic layer and at the interfaces with the doped layers.

The ?rst a -Si:H solar cell was made by Carlson and Wronski in 1976and exhibited an energy conversion ef-?ciency of 2.4%[3].Inherent to a -Si:H is the creation of metastable defects when the material is exposed to light.This is a manifestation of what is called a Staebler-Wronski e?ect [4],which is undesirable in solar cells.The extra created defects in the intrinsic layer act as recombi-nation and trap centers for photo-generated charge car-riers.As a result of the trapping the space charge dis-tribution in the layer changes and distorts the internal electric ?eld.This leads to a lower drift and thus to a lower collection e?ciency.The performance degradation of a -Si:H based solar cells due to illumination can be partly avoided by using thinner intrinsic layers in which the internal electric ?eld is higher and therefore less sensi-tive to any distortion.However,the employment of thin-ner absorber layers results in a lower absorption.The so-lution for having cells with better stability is the use of a stacked or multi-junction solar cell structure.The total thickness of the complete cell is the same as for a single junction solar cell,but each component cell is thinner and

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273

Fig.3.A schematic structure of a)double-junction and b)triple-junction thin-?lm Si based solar cell

therefore less sensitive to the light-induced defects.An-other way to minimize the Staebler-Wronski e?ect is to develop an amorphous silicon material that is more stable against light exposure [5].

The concept of a multi-junction solar cell is already widely used in thin-?lm silicon solar cell technology.In the multi-junction solar cell structure two [6]or more [7]solar cells are stacked on top of each other.Multi-junction solar cell approach means that the absorber layer in each component cell can be tailored to a speci?c part of the solar spectrum.Top cells e?ciently absorb short-wavelength part of the spectrum (high energy pho-tons),whereas bottom cells absorb the remaining long-wavelength part of the spectrum (low-energy photons).In this way the thermalization losses are minimized,which is re?ected in higher open-circuit voltages of the devices.Absorber layers in multi-junction thin-?lm silicon solar cells are based on a -Si:H,alloys of a -Si:H such as hydro-genated amorphous silicon germanium (a -SiGe:H)and hydrogenated microcrystalline silicon (μc -Si:H).For a tandem cell,the highest e?ciency is predicted for a com-bination of absorber materials having band gap 1.7eV and 1.1eV for the top and bottom cell,respectively.With a band gap of 1.1eV μc -Si:H is the ideal material for a tandem cell with a -Si:H.The University of Neuch?a tel in-troduced a micromorph tandem solar cell in 1994,which comprised an a -Si:H top cell and a μc -Si:H bottom cell [8].Additional advantage is the stability of the compo-nent μc -Si:H solar cell against light exposure.The use-ful thickness of μc -Si:H absorber is in the range of 1.0to 3.0micrometers.In order to obtain current match-ing a relatively thick (above 300nm)a -Si:H layer is re-quired in the top cell,which still su?ers from the light induced degradation.It is expected that by implement-ing improved light trapping techniques,especially for near infrared light,the thickness of both absorber layers can

be reduced.The best laboratory stabilized e?ciency of a single junction a -Si:H cell is 10.02%[9],of a tan-dem micromorph a -Si:H/c-Si:H cell is 14.1%(initial)[10]and a triple junction a -Si:H /a -SiGe:H /μc -Si:H cell is 11.2%[11],a -Si:H /a -SiGe:H /a -SiGe:H cell is 10.4%and a -Si:H /μc -Si:H /μc -Si:H cell is 12.2%[12].In Fig.3a and Fig.3b a typical double-junction silicon solar cell structure and a triple-junction solar cell structure are pre-sented,respectively.

Light trapping techniques help to capture light in the desired parts of a solar cell,which are the absorber layers,and prevent it from escaping.The most important role of light trapping is to keep the physical thickness of the absorber layer as thin as possible and to maximize its e?ective optical thickness.The following techniques are used to trap photons inside the absorber layer [13]?in-coupling of incident photons at the front side,?re?ection at the back side,

?intermediate re?ectors in tandem solar cells,?scattering at rough interfaces,

?scattering at metal nano-particles (plasmonic e?ects).Two research areas can be distinguished regarding the development of light trapping techniques.The ?rst area deals with the manipulation of photon propagation throughout a solar cell.The techniques are related to the development and implementation of optically-active layers such as anti-re?ection coatings,single or stack of layers for index matching,intermediate and back re?ec-tors [14].These layers take care that photons reach the absorber layer and inside the absorber undergo multiple passes.The second area deals with the enhancement of an average photon path length inside the absorber layer.This is achieved by scattering of light at rough inter-faces and/or metal nano-particles.These techniques are related to the design and fabrication of a surface texture on substrate carriers.The surface texture of a substrate introduces rough interfaces into the solar cell structure.Scattering at rough interfaces prolongs the e?ective path length of photons and partially leads to the total internal re?ection between the back and front contacts con?ning the light inside the absorber.Recently,layers of metal nano-particles and composite materials with embedded metal nano-particles for e?cient incoupling and scatter-ing of light into the absorber layer have attracted a lot of attention.

In today’s thin-?lm silicon solar cells the standard trapping techniques are based on scattering of light at rough interfaces,the employment of high-re?ective lay-ers at the back contacts and refractive-index matching layers.The rough interfaces are introduced into the so-lar cell by using substrate carriers that are coated with a randomly surface-textured transparent conductive ox-ide (TCO)layer,such as ?uorine-doped tin oxide (FTO)of Asahi U-type substrate with a pyramidal-like surface structure (see Fig.4a)and sputtered aluminum-doped zinc oxide (AZO)that after etching in an HCl solution shows a crater-like surface texture (see Fig.4b).

274M.Zeman:THIN-FILM SILICON PV

TECHNOLOGY Fig.4.a)Pyramidal-like and b)crater-like surface morphology of TCO

layers

Fig.5.Spectral absorption in a)300nm thick a-Si:H layer and b)1μm thickμc-Si:H layer matched to the AM1.5spectrum,when the e?ective optical thickness of the layers is increased10and50times[13]

3CHALLENGES OF THIN–FILM

SI PV TECHNOLOGY

The challenge in TF Si solar cell technology today

is to increase the stabilized conversion e?ciency.Future

research involves the following areas:

?improvement of the opto-electronic quality of a-Si:H,

a-SiGe:H andμc-Si:H absorbers,

?full understanding of metastable changes in the prop-

erties of a-Si:H based materials under light exposure,

?optimization of the doped p-and n-type layers and

the interfaces between the doped layers and intrinsic

absorbers,the role of bu?er and pro?led layers,

?development of the TCO front material and optimiza-

tion of the TCO/p-type layer interface,

?photon management for e?ective use of the energy of

the solar radiation and the maximization of absorption

in desired parts of a solar cell that are called absorbers,

?increasing the deposition rate of absorber materials

while maintaining their quality.

Photon management is one of the key issues for im-

proving the performance of thin-?lm silicon solar cells

and decreasing the production costs by shortening de-

position times and using less material.The aim of the

photon management is the e?ective use of the energy of

the solar radiation and the maximization of absorption in

desired parts of a solar cell that are called absorbers.Pho-

ton management in thin-?lm solar cells is accomplished

by a number of techniques that are related to the follow-

ing areas:

1.e?ective use of the solar spectrum,

2.minimization of absorption outside the absorber lay-

ers,

3.trapping of photons inside the absorber layers(light

trapping techniques).

Computer simulations using advanced programs such

as the ASA program from Delft University of Technology

[15]and the Sunshine program from Ljubljana Univer-

sity[16]are a valuable tool to investigate the potential of

photon management in thin-?lm silicon solar cells.Fig.5a

and5b shows calculated spectral absorption in a300nm

thick a-Si:H layer and1μm thickμc-Si:H layer,respec-

tively,when the e?ective optical thickness of the layers is

increased10and50times.When matching the absorp-

tion in the layers to the AM1.5spectrum one can calcu-

late a potential photocurrent generated in the layers when

used as absorbers in thin-?lm silicon solar cells.Increasing

the optical thickness of the a-Si:H layer10and50times

Journal of ELECTRICAL ENGINEERING 61,NO.5,2010

275

Fig.6.A ?exible module from the Nuon Helianthos company [22]

results in 52%and 78%potential enhancement of the photocurrent,respectively.The simulations demonstrate that in case of μc -Si:H absorber the light trapping plays even more important role.Increasing the optical thick-ness of 1μm thick μc -Si:H layer 10and 50times results in 90%and 138%enhancement of the photocurrent,de-livering potential photocurrent of 28and 35mA/cm 2,re-spectively.

4F ABRICATION OF THIN–FILM SI MODULES

Thin-?lm silicon solar cells have improved consider-ably,capable of achieving initial e?ciencies exceeding 15%(tandem micromorph)[17,18].Based on the compa-nies’announcements the production capacity of thin-?lm silicon photovoltaic modules is expected to grow to al-most 8GW in the year 2010.The thin-?lm silicon PV market is dominated by amorphous silicon based mod-ules;however it is expected that the micromorph tandem modules will take over in near future.

The electrical power delivered from a small area solar cell is not enough for practical applications.Therefore,solar cells are connected in series and/or parallel to form a module that delivers a required power and voltage.A key step to practical industrial production of a -Si:H solar cells was the development of the monolithically integrated type of a -Si:H solar cell [19].Monolithic series connection of cells to modules that can be easily implemented in the fabrication process is an attractive feature of thin-?lm Si solar cell technology.

The manufacturing for amorphous silicon solar cells is divided into two routes,processing on glass plates and processing on ?exible substrates.Both manufacturing ap-proaches include the following main steps:?substrate conditioning,

?large-area deposition of the contact layers,ie the TCO as front electrode and the back re?ector that is usually a double layer of metal and TCO,

?large-area deposition of thin Si:H based layers,

?monolithic series connection of cells (at present applied only for manufacturing on glass)using laser scribing of contact and silicon layers,

??nal module assembly including encapsulation,apply-ing electrical connections,and framing.

A novel approach to fabricate a -Si:H modules has been developed in the Netherlands in the Helianthos project coordinated by the multinational corporation Akzo No-bel [20]and since 2006by Nuon Helianthos company.The aim is to demonstrate that ?exible thin ?lm silicon PV modules manufactured by means of automated roll-to-roll processes o?er a versatile light weight thin ?lm silicon PV product that will o?er competitive kWh costs in a wide range of applications [21].The production technology is based on a temporary superstrate concept,which com-bines the advantages of both superstrate-and substrate-type a -Si:H solar cell technologies.The deposition of a high quality top TCO layer using the atmospheric pres-sure CVD and monolithic series integration that o?ers the superstrate technology is combined with the roll-to-roll processing that is used in the substrate technology.An example of a ?exible module from the Nuon Helianthos company is in Fig.6.

5APPLICATIONS

Due to the versatility of thin-?lm Si technology to pro-duce rigid as well as ?exible modules and the high energy yield,the application possibilities for thin-?lm Si based modules are very broad.a -Si:H modules have a substan-tially lower conversion e?ciency temperature coe?cient than crystalline silicon modules [23],which results in su-perior performance at higher operational temperatures.This feature favours the implementation of a -Si:H mod-ules in high-temperature conditions.

The applications cover the following market areas:?Consumer products where small solar cells provide electricity for calculators,watches.Small modules with power ranging from 3to 50Wp are used as (portable)battery chargers,in car roofs and a variety of other leisure products.

?Residential and commercial grid-connected systems that are mainly designed for Building-Integrated Pho-tovoltaics (BIPV).The modules usually have a 20-year power-output warranty and can be structurally and aesthetically integrated as roo?ng or faade ele-ments.Taking advantage of the laser techniques that are applied during manufacturing of a -Si:H modules,partly transparent modules can be fabricated.O?er-ing both environmentally friendly performance and a compelling design,these type of products open new possibilities in BIPV applications.

?Several large grid-connected systems have been re-alized with thin-?lm Si based modules.An example is the amorphous silicon solar power plant (installed power of 1MW p )that was completed in the begin-ning of 2005in the German city of Buttenwiesen in the suburbs of Munich.The power plant comprises ap-proximately 10000amorphous silicon single-junction superstrate-type modules.The plant is annually ex-pected to deliver 1million kWh.

276M.Zeman:THIN-FILM SILICON PV TECHNOLOGY

?O?-grid and remote-area applications include solar systems with a rated power of30to50W p that are mainly designed for lighting in remote homes and con-struction sites without access to the power https://www.sodocs.net/doc/d37018203.html,rger systems are designed to generate power for villages, remote homes,water pumping,telecommunications, tra?c control signals,etc.

?Special applications.The lightweight,?exible fea-tures of thin-?lm silicon modules in connection with the inherent radiation hardness and superior high-temperature performance make the technology a can-didate for space PV application.

6CONCLUSIONS

The?exibility of thin-?lm silicon solar cell technology to deliver modules for a large variety of applications is its most important asset.The technology has a strong potential to produce modules with an attractive cost-to-performance ratio generating electricity with a price competitive to that of conventional electricity.The cost reduction of thin-?lm silicon modules will be determined by the scaling rate of the production capacity.At present, thin-?lm silicon solar cell technology has to concentrate on solving several issues which are discussed in the section on challenges in order to become a fully mature technol-ogy.

Further development of thin-?lm silicon solar cell tech-nology in general requires an increase in the performance of solar cells.One has to realize that two thirds of the power generated by a promising micromorph tandem (a-Si:H/c-Si:H)solar cell comes from the a-Si:H top cell. In the near future,attention will be paid to enhancing light trapping inside the cells,ie improving the TCO ma-terial quality and optimising the surface texture.At the same time,research will continue on a-Si:H based ma-terials,which has recently resulted in a completely new class of nano-structured silicon?lms. Acknowledgements

The author thanks Janez Krˇc from Ljubljana Univer-sity for contributing to this article.

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Received30June2010 Miroslav Zeman was born inˇZilina,Slovakia,on June 21,1957.He received the PhD degree in1989from the Uni-versity of Technology,Bratislava,Slovakia for his work on the fabrication of devices for electronics based on amorphous sili-con.Since1989he has been at Delft University of Technology in the Netherlands where he has been in charge of more than 30projects related to thin-?lm silicon solar cells.In2009he was appointed a full professor at Delft University of Technol-ogy for the chair of Photovoltaic Materials and Devices in the department of Electrical Sustainable Energy.His research in-terests are the development of novel concepts for the improve-ment of thin-?lm silicon solar cell performance,modeling of devices based on amorphous and crystalline semiconductors and practical implementation of photovoltaics.He is an au-thor and co-author of more than200scienti?c publications; contributed to three scienti?c books,and together with Prof. R.E.I.Schropp he wrote a book on thin-?lm silicon solar cells that was published in USA by Kluwer Academic Publishers.

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This work was presented at International Conference En-ergetika2010,May18-20,2010,Vysok′e Tatry-Tatransk′e Matliare,Slovakia.

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

三种主要的薄膜太阳能电池详解

三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要：上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字：薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料，但是由于其制取工艺相对复杂，耗能大，仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅，非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物，硫化镉，碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中，尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为 1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的MOCVD，一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错，反应压力，III-V比率，总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，MOCVD技术

非晶硅薄膜太阳能电池的优点

非晶硅薄膜太阳能电池的优点: 2009-01-13 20:29 非晶硅太阳能电池之所以受到人们的关注和重视,是因为它具有如下诸多的优点: 1.非晶硅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 数比单晶硅要高出一个数量级.因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右, 用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收90%有用的太阳能.这是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素. 2. 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5-2.0 eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高. 3.制备非晶硅的工艺和设备简单,淀积温度低,时间短,适于大批生产.制作单晶硅电池一般需要1000度以上的高温,而非晶硅电池的制作仅需200度左右. 4.由于非晶硅没有晶体硅所需要的周期性原子排列,可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题.因而它几乎可以淀积在任何衬底上,包括廉价的玻璃衬底,并且易于实现大面积化. 5.制备非晶硅太阳能电池能耗少,约100千瓦小时,能耗的回收年数比单晶硅电池短很多:

中国电子报：薄膜技术日趋成熟非晶硅电池主导市场 来源：中国电子报发稿时间： 2009-02-10 15:52 薄膜电池技术具有提供最低的每瓦组件成本的优势，将有望成为第一个达到电网等价点的太阳能技术。由于原材料短缺，在单晶硅和多晶硅太阳能电池的发展速度受到限制的情况下，新型薄膜太阳能电池发展尤为迅速。有资料显示，美国薄膜电池的产量已经超过了多晶硅和单晶硅电池的产量。薄膜技术会越来越成熟，在未来的市场份额中将大比例提升。据行业分析公司NanoMarkets预测，薄膜太阳能电池2015年的发电量将达到26GW，销售额将超过200亿美元，太阳能电池发电量的一半以上将来自薄膜太阳能电池。预计在未来薄膜电池市场中非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)三种电池将分别占到薄膜光伏市场的60%、20%和20%。 非晶硅/微晶硅电池是产业化方向沉积设备至关重要

硅基薄膜太阳能电池基础知识

非晶硅薄膜太阳能电池及制造工艺 内容提纲 一、非晶硅薄膜太阳能电池结构、制造技术简介 二、非晶硅太阳能电池制造工艺 三、非晶硅电池封装工艺 一、非晶硅薄膜太阳能电池结构、制造技术简介 1、电池结构 分为：单结、双结、三结 2、制造技术 三种类型： ①单室，多片玻璃衬底制造技术 该技术主要以美国Chronar、APS、EPV公司为代表 ②多室，双片（或多片）玻璃衬底制造技 该技术主要以日本KANEKA公司为代表 ③卷绕柔性衬底制造技术（衬底：不锈钢、聚酰亚胺) 该技术主要以美国Uni-Solar公司为代表 所谓“单室，多片玻璃衬底制造技术”就是指在一个真空室内，完成P、I、N三层非晶硅的沉积方法。作为工业生产的设备，重点考虑生产效率问题，因此，工业生产用的“单室，多片玻

璃衬底制造技术”的非晶硅沉积，其配置可以由X个真空室组成（X为≥1的正整数），每个真空室可以放Y个沉积夹具（Y为≥1的正整数），例如： ?1986年哈尔滨哈克公司、1988年深圳宇康公司从美国Chronar公司引进的内联式非晶硅太阳能电池生产线中非晶硅沉积用6个真空室，每个真空室装1个分立夹具，每1个分立夹具装4片基片，即生产线一批次沉积6×1×4＝24片基片，每片基片面积305mm×915mm。 ?1990年美国APS公司生产线非晶硅沉积用1个真空室，该沉积室可装1个集成夹具，该集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积 760mm×1520mm。 ?本世纪初我国天津津能公司、泰国曼谷太阳公司（BangKok Solar Corp）、泰国光伏公司（Thai Photovoltaic Ltd）、分别引进美国EPV技术生产线，非晶硅沉积也是1个真空室，真空室可装1个集成夹具，集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积635mm×1250mm。 ?国内有许多国产化设备的生产厂家，每条生产线非晶硅沉积有只用1个真空室，真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具，或4个沉积夹具；也有每条生产线非晶硅沉积有2个真空室或3个真空室，而每个真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具。总之目前国内主要非晶硅电池生产线不管是进口还是国产均主要是用单室，多片玻璃衬底制造技术，下面就该技术的生产制造工艺作简单介绍。 二、非晶硅太阳能电池制造工艺 1、内部结构及生产制造工艺流程 下图是以美国Chronar公司技术为代表的内联式单结非晶硅电池内部结构示意图： 图1、内联式单结非晶硅电池内部结构示意图

硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景

硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景 摘要：本文着重介绍了非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池原理、制备方法，从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处，并提出改进方法。同时介绍了国内外硅基薄膜太阳电池研究的进展，最后展望了薄膜太阳能电池的发展前景。 关键词：太阳能电池；薄膜电池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新进展 1、研究现状 太阳电池是目前主要的新能源技术之一，它利用半导体的光电效应将光能直接装换为电能。目前太阳电池主要有传统的（第一代）单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池以及新型的（第二代）薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用其他材料当基板来制造，薄膜厚度仅需数μm，较传统太阳能电池大幅减少原料的用量。目前光伏发电的成本与煤电的差距还是比较大，其中主要的一项就是原材料即的价格。薄膜太阳电池消耗材料少，降低成本方面的巨大潜力。薄膜太阳能电池的种类包括：非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)等。如果要将太阳电池大规模应用为生活生产提供能源，那么必须选择地球上含量丰富，能大规模生产并且性能稳定的半导体材料，硅基薄膜电池的优越性由此凸显。 太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此太阳能电池有望成为2l世纪的重要新能源。本文主要综述硅基薄膜太阳电池（包括多晶硅薄膜电池、非晶硅薄膜电池）的发展现状及并简要分析其发展前景。 2、非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池 非晶硅太阳电池是上世纪70年代中期发展起来的一种薄膜太阳电池，它制备温度低，用材少，便于工业化生产，价格低廉，因而受到高度重视。现阶段非晶硅太阳电池的转换效率已从1976年的1%~2%提高到稳定的12~14%，其中10cmХ10cm电池的转换效率为10.6%.小面积的单结的电池转换效率已超过13%。 2.1原理及结构 图1 非晶硅太阳电池结构图2 非晶硅太阳电池组件

非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池 全国仅有的几家太阳薄膜电池生产企业： /深圳市拓日新能源科技股份有限公司 /上海神舟新能源发展有限公司---上海航天汽车机电股份有限公司下属的全资子公司 / 河南昆仑太阳能有限公司 /交大南洋---上海交大泰阳绿色能源有限公司 /天威保变-- 保定天威薄膜光伏有限公司(是保定天威保变电气股份有限公司（沪市A股上市公司，股票代码600550）直属子公司) /金晶科技--金晶（集团）有限公司， /孚日光伏---孚日集团股份有限公司/风帆股份有限公司等。 简介非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。按照材料的不同，当前硅太阳能电池可分为三类：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 生产成本低 由于反应温度低，可在200℃左右的温度下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。单节非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本目前可降到1.2美元/Wp。叠层非晶硅薄膜电池的成本可降至1美元/Wp以下。 能量返回期短 转换效率为6%的非晶硅太阳能电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电后返回上述能量的时间仅为1.5-2年。 适于大批量生产

非晶硅材料是由气相淀积形成的，目前已被普遍采用的方法是等离子增强型化学气相淀积(PECVD)法。此种制作工艺可以连续在多个真空淀积室完成，从而实现大批量生产。采用玻璃基板的非晶硅太阳能电池，其主要工序（PECVD）与TFT-LCD阵列生产相似，生产方式均具有自动化程度高、生产效率高的特点。在制造方法方面有电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(～200℃)，易于实现大面积和大批量连续生产，现成为国际公认的成熟技术。 高温性能好 当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。 弱光响应好，充电效率高 非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际使用中对低光强光有较好的适应。上述独特的技术优势，令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。由于非晶硅薄膜电池的良好前景，包括Sharp、Q-Cells、无锡尚德等在内的诸多企业正大规模进入非晶硅薄膜太阳能电池领域，整个行业的统计数字不断翻新。 市场前景 在整个太阳能电池家族中，非晶硅薄膜太阳能电池因为其技术和应用方面的优势，正在获得爆发性增长。2007年行业增速约120%，预计未来3年内年均增速高达100%。业内之前曾对非晶硅薄膜太阳能电池持有疑虑，主要原因在于其电池转化效率较低（5%-9%），而且衰减特别快，使用寿命只有有限的2-3年。而随着技术的进步，目前主流的非晶硅薄膜电池使用寿命已在10年以上。这使得非晶硅薄膜电池成为目前最被看好的薄膜电池技术之一。目前国内市场当中，涉及非晶硅薄膜电池的上市公司主要包括：拓日新能、天威保变、综艺股份、赣能股份。由于非晶硅行业需求迅速扩充，纯粹靠购置设备并开展非晶硅薄膜电池的生产，当然也能够获得行业扩容带来的高成长，但长期来看，毕竟只能够分享到制造业的合理利润，目前国内如赣能股份的薄膜电池为OEM模式，获得的就是产业链中端的制造业利润。而一旦行业上了规模，行业的利润必然向行业的关键性瓶颈转移，有鉴于此，我们更看好掌握关键技术的配件生产商和设备提供商。[2] 非晶硅薄膜太阳能电池：面对投资热尚需冷静思考 | 2008-9-16 14:27:00 | | 特别推荐:

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池研究毕 业论文 Final approval draft on November 22, 2020

非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物 体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池地工作原理及区别1

单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池 的工作原理及区别 硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。 当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。 太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10％（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5 ％左右。电池基体域

产生的光电流对红外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要组成部分。 2.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可

薄膜硅太阳能电池陷光结构

薄膜硅太阳能电池的研究状况 摘要：薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。本文主要总结了提高薄膜硅太阳能电池效率的主要技术与进展，如TCO技术、窗口层技术、叠层电池技术和中间层技术等，这些技术用在产业化中将会进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。 一引言 在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。 当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。 但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本。本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电池的研究现状。 二、提高薄膜硅太阳能电池效率的措施 提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；提高电池的开压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（?c-Si）的开压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。我们将从这几个方面介绍提高薄膜硅电池效率的方法。 （一）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收 对于单结薄膜硅太阳能电池，提高其对光的吸收将提高电池的电流密度，对电池效率将产生直接的影响。Berginski等人通过实验结合模拟给出了提高电池对光的吸收途径，如图1所示：可以看出薄膜硅电池的前电极对光的吸收、折射率的错误匹配、窗口层对光的吸收、背反电极吸收损失以及玻璃反射都会减少电池对光的吸收，因此提高电池的光吸收可从这几个方面着手。

非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向

第33卷增刊2012年12月 太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol．33Suppl Dec.， 2012收稿日期：2012-07-24基金项目：国家高技术研究发展（863）计划（2011AA050518）；国家重点基础研究发展（973）计划（2012CB934302）；上海市科委项目 （11DZ2290303） 通讯作者：李海华（1974—），女，博士、副教授，主要从事微纳电子学与器件制造方面的研究。lihaihua@sjtu．edu．cn 文章编号：0254- 0096（2012）增刊-0001-06非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向 李海华，王庆康 （上海交通大学微纳科学技术研究院，“薄膜与微细技术”教育部重点实验室、“微米纳米加工技术”国家级重点实验室，上海200240） 摘要：介绍了非晶硅薄膜太阳电池的最新研究进展，微纳光学结构和金属表面等离子体特性引入到非晶硅薄膜 太阳电池可大大降低薄膜厚度和提高光电转换效率。叠层串联的非晶硅太阳电池及非晶硅和多晶硅、单晶硅组成的异质结结构可增加宽带太阳光谱吸收范围，提高光电转换效率，是非晶硅薄膜电池的发展方向。关键词：非晶硅；太阳电池；叠层；微纳结构；异质结中图分类号：TM615 文献标识码：A 0引言 太阳能是可再生能源领域中最具发展前景的资 源。作为太阳能利用的重要组成部分，光伏发电是一种清洁的、用之不竭的可再生绿色新能源。利用太阳电池可以无任何材料损耗地将太阳能转换为人 类可利用能量的最高级形式— ——电能。太阳电池的应用可解决人类社会发展的能源需求方面的3个问 题：开发宇宙空间时， 利用太阳能提供持续可用地即时转化电能；解决目前地面能源面临的矿物燃料资 源减少与环境污染的问题；日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题等。特别是太阳电池在发电 过程中不会给人们带来任何噪声、 辐射和污染，与其他形式的可再生能源（如风力发电）相比，由于不存 在任何可动的部分，所以系统稳定性高，维护成本相对较低；在使用中不释放包括CO 2在内的任何气 体， 这些对满足能源需求、保护生态环境、防止地球温室效应具有重大意义。 制作太阳电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，根据所用材料的不同，太阳电池可分为：1）硅太阳电池；2）以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3）功能高分子材料制备的太阳电池；4）纳米晶太阳电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳电池材料的一般要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的 光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便 于工业化生产且材料性能稳定。 基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳电池材料，这也是太阳电池以硅材料为主的主要原因。目前，硅基薄膜太阳电池因其成本低、质量轻、转换 效率较高、 便于大规模生产，而具有较大的优势，从而成为国际上研究最多，发展最快的薄膜电池，也是 目前唯一实现大规模生产的薄膜电池。本文简要地综述了非晶硅太阳电池的国内外现状和最新研究进展，并讨论了非晶硅太阳电池的发展及趋势。 1国内外产业现状 非晶硅（a-Si ）薄膜太阳电池虽然早已出现［1］，但由于光电转换效率低、衰减率（光致衰退率）较高等问题，一直制约其发展。随着其技术的不断进步， 光电转换效率得到迅速提高［2］ 。传统的晶硅太阳电池利用纯硅锭切割而成的硅片将光转换为电流。因为晶硅价高且晶片脆，因此太阳电池模块的加工生产过程需要特殊处理。且该种电池需要封装和其他组件，使得晶硅模块价格昂贵，但其工作寿命达20 25a ，能效为14% 23%。非晶硅薄膜太阳电池为第二代产品，有望实现更低的成本，大多采用连 续性卷对卷生产工艺［3］ ，而晶硅电池采用分批生产工艺。虽然仍与晶体硅电池相比存在差距，但其用料少、工艺简单、能耗低，成本有一定优势；尤其因为其沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔

非晶硅薄膜太阳能电池及制造工艺

非晶硅薄膜太阳能电池及制造工艺 一、非晶硅薄膜太阳能电池结构、制造技术简介 1、电池结构 分为：单结、双结、三结 2、制造技术 ①单室，多片玻璃衬底制造技术。主要以美国Chronar、APS、EPV公司为代表 ②多室，双片（或多片）玻璃衬底制造技。主要以日本KANEKA公司为代表 ③卷绕柔性衬底制造技术（衬底：不锈钢、聚酰亚胺)。主要以美国Uni-Solar 公司为代表。 所谓“单室，多片玻璃衬底制造技术”就是指在一个真空室内，完成P、I、N 三层非晶硅的沉积方法。 作为工业生产的设备，重点考虑生产效率问题，因此，工业生产用的“单室，多片玻璃衬底制造技术”的非晶硅沉积，其配置可以由X个真空室组成（X为≥1的正整数），每个真空室可以放Y个沉积夹具（Y为≥1的正整数），例如：?1986年哈尔滨哈克公司、1988年深圳宇康公司从美国Chronar公司引进的内联式非晶硅太阳能电池生产线中非晶硅沉积用6个真空室，每个真空室装1个分立夹具，每1个分立夹具装4片基片，即生产线一批次沉积6×1×4＝24片基片，每片基片面积305mm×915mm。 ?1990年美国APS公司生产线非晶硅沉积用1个真空室，该沉积室可装1个集成夹具，该集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积760mm×1520mm。 ?本世纪初我国天津津能公司、泰国曼谷太阳公司（BangKok Solar Corp）、泰国光伏公司（Thai Photovoltaic Ltd）、分别引进美国EPV技术生产线，非晶硅沉积也是1个真空室，真空室可装1个集成夹具，集成夹具可装48片基片，即生产线一批次沉积1×48＝48片基片，每片基片面积635mm×1250mm。 ?国内有许多国产化设备的生产厂家，每条生产线非晶硅沉积有只用1个真空室，真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具，或4个沉积夹具；也有每条生产线非晶硅沉积有2个真空室或3个真空室，而每个真空室可装2个沉积夹具，或3个沉积夹具。总之目前国内主要非晶硅电池生产线不管是进口还是国产均主要是用单室，多片玻璃衬底制造技术，下面就该技术的生产制造工艺作简单介绍。 二、非晶硅太阳能电池制造工艺 1、内部结构及生产制造工艺流程 下图是美国Chronar公司技术为代表的内联式单结非晶硅电池内部结构示意图：图1、内联式单结非晶硅电池内部结构示意图

非晶硅薄膜太阳能电池发展趋势

非晶硅薄膜太阳能电池：投资力度加大2008/9/17/08:42 来源：中国电源门户网 非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本优势而具有很大的市场潜力，因此受到投资者青睐。通过仿真模型对项目的成本及效益进行分析，可以为投资者的决策提供参考数据，以规避投资风险。 薄膜太阳能电池作为一种新型太阳能电池，由于其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。近年来，以玻璃为基板的非晶硅薄膜太阳能电池凭借其成本低廉、工艺成熟、应用范围广等优势，逐渐从各种类型的薄膜太阳能电池中脱颖而出，在全球范围内掀起了一波投资热潮。大尺寸玻璃基板薄膜太阳能电池投入市场，必将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统以及光伏电站等的推广和普及。 非晶硅薄膜太阳能电池优势渐显 由于晶体硅太阳能电池的成本随着硅材料价格的连年上涨而不断提高，各类薄膜太阳能电池成为全球新型太阳能电池研究的重点和热点。 薄膜太阳能电池中最具发展潜力的是非晶硅薄膜太阳能电池，非晶硅材料是由气相淀积形成的，目前已被普遍采用的方法是等离子增强型化学气相淀积(PECVD)法。此种制作工艺可以连续在多个真空淀积室完成，从而实现大批量生产。由于反应温度低，可在200℃左右的温度下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。 与晶体硅太阳电池比较，非晶硅薄膜太阳电池具有弱光响应好，充电效率高的特性。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，几乎都比单晶硅大一个数量级，使得非晶硅太阳电池无论在理论上和实际使用中都对低光强有较好的适应。越来越多的实践数据也表明，当峰值功率相同时，在晴天直射强光和阴雨天弱散射光环境下，非晶硅太阳能电池板的比功率发电量均大于单晶硅、非晶硅薄膜太阳电池。更有数据表明，在相同环境条件下，非晶硅太阳电池的每千瓦年发电量要比单晶硅高8%，比多晶硅高13%。 薄膜太阳能电池最重要的优势是成本优势。据多家企业和机构的测算，即使在5MW的生产规模下，非晶硅薄膜太阳电池组件的生产成本也在2美元/瓦以下，而单线产能达到40MW-60MW甚至更高的全自动化生产线，其产品生产成本则更低。而相对于平均3.5美元/瓦的国际市场销售价格而言，其利润空间可想而知。 影响非晶硅薄膜太阳能电池应用的最主要问题是效率低、稳定性差。与晶体硅电池相比，每瓦的电池面积会增加约一倍，在安装空间和光照面积有限的情况下限制了它的应用。而其不稳定性则集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定，这个问题在一定程度上影响了这种低成本太阳能电池的应用。

硅基薄膜太阳能电池的研究进展

硅基薄膜太阳能电池的研究进展 摘要 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 本文着重介绍了非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池原理、制备方法，从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处，并提出改进方法。同时介绍了国内外硅基薄膜太阳电池研究的进展，最后展望了薄膜太阳能电池的发展前景。 关键词：太阳能电池；薄膜电池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新进展

1、太阳能电池 太阳电池是目前主要的新能源技术之一，它利用半导体的光电效应将光能直接装换为电能。目前太阳电池主要有传统的（第一代）单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池以及新型的（第二代）薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用其他材料当基板来制造，薄膜厚度仅需数μm，较传统太阳能电池大幅减少原料的用量。目前光伏发电的成本与煤电的差距还是比较大，其中主要的一项就是原材料即的价格。薄膜太阳电池消耗材料少，降低成本方面的巨大潜力。薄膜太阳能电池的种类包括：非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)等。如果要将太阳电池大规模应用为生活生产提供能源，那么必须选择地球上含量丰富，能大规模生产并且性能稳定的半导体材料，硅基薄膜电池的优越性由此凸显。 能源危机和环境污染的日趋严重极大地促进了光伏产业的迅速发展。过去的 5 年，在全球硅材料紧缺、价格飙升的情况下，世界光伏市场继续以平均每年40%的幅度增加[1]。 2006年实际产量达到2.6GW ，产能超过3GW ，大大超过对2006年预测的20%～25%的增幅。中国2006 年光伏电池地产量达到460MW ，比2005 年（140MW ）增加280% ，电池产能达到1200MW 。光伏产业成为迄今为止增长最快的工业之一，商业预测到2010年全球市场容量将增加到400亿欧元。[1]制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的太阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。 2、非晶硅薄膜太阳电池 2.1原理及结构 非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底。 硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(～200℃)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位，在制造方法方面有电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(～200℃)，易于实现大面积和大批量连续生产，现成为国际公认的成熟技术。在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、μC-SiC p层等，明显改善了电池的短波光谱响应.这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的.而a-SiC和μC-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达i层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性.在增加长波响应方面，采用了绒面TCO膜、绒面多层背反射电极(ZnO/Ag/Al)和多带隙叠层结构，即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al 结构.绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增加了光在i层

非晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺流程

非晶硅薄膜太阳能电池的制备 工艺流程 非晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺流程 清抚是玻璃镀膜必备的一道工序，因为班璃基片的清洁度会直接膨响沉积的薄臓的的匀性和粘附力?棊片上的任何微粒、油污和杂大程健上降低薄震的附若力.玻璃淸洗机是玻西在真亨橫痕.熟弯、钢化、中空合片等探加工丄艺和対璇璃农面述和清活、干燥处理的设篇.实验所采用的班隣为普通浮法股越口玻璃尺、j为700mm550mm D ?35rSa机主要由传动系统、辰洗、清水冲洗、纯水冲洗、冷、热J4千、电拎系统等组成”本立实验中使用HKD-TY1200清洗机清洗擴膜前的玻革基片” 背板玻璃清诜机工艺｛￡程为； 入料一城切1~盘刷洗一淀剂滾刪抚一风切2—D】水滚刷洗?傀切3—高压

喷附洗-BJ清洗一啧衲洗［-咬淋洗2-DI术洗?风刀「燥"除静电一出料玻璃淸洗后经检玲光源檢测，确认玻璃表曲没有明显微观峡陌和可见污Jft 物后方可进入镀膜阶段. “ 2,1.2玻璃基片的加热 为了提冉IF品硅太阳能电池的生产效率，首先将淆抚干挣的玻珀辜片裝载入沉枳盒.沉积盒放入侦热炉中加熱.预热炉加热方武为熱颯循环式.加热温度均20CV-300r.控富糯度￡编?控制方式为PID涮节. 2J.3 AZO膜的溅射设备 实验采用与企业共同开发研制的非标大廊积苹片磁捽银膜中试线.设备有盘岚业潔和中茨电阪靶村为平沏甕材*靶材与基片闾的距离为g如.基片敖置于墓片架上，在荷动机构的潜动下征返运动.设备设计加工尺寸为宽SS0im?. K7W W的平面肢璃赴板材科.采用夹心直加無营加热方貳.有肉匀的布P方式和稳定的抽吒速度.

制备AZO薄膜之前，使用中频反应溉射沉积SiOr钩离子阻挡层，使用的Si耙纯度为99.999%, Ar气纯度为99.99%,本底真空高f 2x10^3.之后使用直流磁控裁射沉积AZO薄膜，采用氧化锌掺铝陶瓷把材，威射气体及本底真空与隔离层一致.实验中制备的电池组件需要激光刻划来完成电池的集成.AZO 薄膜沉积之后，使用波长为355nm的激光刻划AZO薄膜. 2.1.4 Si膜的PECVD设备及电池的篥成 PECVD设备是非晶硅太阳能电池生产线的关键设备，完成a-SiiH膜的沉积。本设备为多片武中试线设备，主要由反应室、片盒、真空系统，电控系统，水路.气路，机架等组成.加热采用板式加热劈室外烘烤方式，沉积室内祁址高能达到300*0。设备电源有两种：一为AE射频CRF）电源，频率为13.56MHz, 最大功率为1?2KW； 二.为AE其离频（VHP》电源，频率为40.68MHzo设备的极用真空可以达到1X10-P/沉积用的气体由供气系统提供，柜内气体种类有硅烷⑸比）、磷烷（PH3k乙硼烷厲人）、氢气但2〉、氫气（Ar）、氮气两?设条配备有尾气处理系统.用于处理被抽出的易燃、易爆及席蚀性工艺气体.此非晶莊薄膜太阳德电池中试设篇用于生产700mmX550nun的大面积璇璃基非晶硅太阳能电池组件。 1、检査压缩空气、冷却水、设备电減足否正常，梅预热好的沉积盒推入沉枳室内，馈闭炉门。 2、开维持泵，开底抽管道插板阀，待破完管道真空后关低抽管路充气阀，开底 抽管道插板阀，开滑阀泵，特真空室内压力低于50OPa以下时，关旁路预抽阀，开低抽高阀，开罗茨泵，抽压力至IP A以下，此时若分子泵前级压力低于IP B。开分子泵，当分子泵转速到达最高转速时（31080）.关底抽管道插板阀.开分子泵前级阀"开髙抽阀，拉真空至本底真空，打开出气总阀，打开要做工艺气体的出口阀，调节流盘计度数，抽管路真空至本底良空. 3、打开尾气处理系统。观察尾气处理系统水、气、负压是否正常，炉口、炉内、水位有无报警，温度是否升到雯求700*0.加热裂解装置是否正常功能工作。 4、梅干泵N?吹扫址调制85L,开干泵，开干泵前级阀? 5、打开凱气、翘气、硅烷、磅烷气体瓶阀，确认后，开岀气总阀，依次开配气 柜氧气岀气阀，配气柜氨气进气阀，调节流爲计读数至工艺所需移数.通Ar起?辉.打击极板10分钟，关闭射频电瀕.再依次通入氢气、硅烷、确烷，调节角阀设定压力（0?266）?调节至工艺所需压力.待压力稳定后，开射频电源开关调节至工艺所需功率奁看辉光情况.稳定后，开始计时. 6、沉枳p层膜 7、沉枳到工艺所需时间后，关闭射频电源，迅速调小工艺气体流量.用干泵抽真