硅薄膜太阳能电池研究的进展

第 22 卷 第 3 期2001 年 应 用 光 学 Vo1. 22 , No. 32001文章编号 1002 - 2082 2001 03 - 0034 - 07硅薄膜太阳能电池研究的进展钟 迪 生辽宁大学物理系 ,辽宁 沈阳 110036 摘 要 从制备方法 、 材料和结构的观点出发 ,概述非晶硅 a - Si 和多晶硅 poly - Si 薄膜太阳能电池研究的进展 。 对非晶硅特别是对多晶硅薄膜太阳能电池研究的重要结果进行了讨论 。 阐述非晶硅太阳能电池的各种应用 ,并对其光电系统进行介绍 。 对太阳能电池新产品如太阳能电池屋顶瓦及超轻灵活的太阳能电池的开发也作了简介 。 对由太阳能电池提供动力的空调设备作了叙述 。 讨论所提出的创新方案 。关键词 薄膜太阳能电池 ;多晶硅 ;非晶硅中图分类号 T K512 O484 - 34 文献标识码 A前言石油燃料作为一种能源的应用正在年复一年地引起全球环境恶化的许多严重问题 。 由于燃料的消耗 ,大气中 CO2 浓度正以每年 1PPm的速率在上升 ,因此加剧了地球大气 PPm 的“ 温室效应” 并导致种种变态现象 。 如果这种情况持续不衰 ,那么在不远的将来 ,我们将在全世界范围内面临严重的危险 。另外 ,石油燃料的储藏量也是有限的 ,预计在下世纪内将被耗尽 。面对这种情况 ,作为一种无限的清洁能源 太阳能的应用正在日益引起关注 ,可将阳光直接转换为电的太阳能电池的研制已得到迅速的发展 。 对于太阳能电池来说 ,在众多可应用的材料中 ,Si 薄膜储量丰富 、 价格低廉 ,并可以达到高的效率 。 因为 a - Si 有较高的光学吸收系数 ,很适合制作薄膜 。适当的制造费用及要求较低的制备能源 ,目前已备受关注 。这些优点已大大地促进了 a - Si 太阳能电池的研制 ,并且由于制备技术的改进也发展了 Poly -Si 薄膜太阳能电池技术 。本文首先评论 a - Si 太阳能电池制备技术和结构上的改进 ;其次讨论 Poly - Si 薄膜太阳能电池制备技术的进展 ;最后描述薄膜 Si 太阳能电池的应用及其前景 。1 Si 薄膜太阳能电池技术的历史由于上述原因 ,对 a - Si 太阳能电池进行了广泛地研究 。自从 Spear 和 Lecomber 提出由辉光放电法制备控制化合价的 a - Si 以来 ,1976 年 Carlson 和 Wronski 应用这种化合价控制技术 [1 ] ,研制了一种 a - Si 太阳能电池 ,后来又开 发 了 一 种 集 成 类 型 的 结 构 。 1979 年Kuwano 等 人 提 出 了 连 续 的 分 离 反 应 室 法 。1980 年 a - Si 太阳能电池实现了工业化生产 。收稿日期 2000 - 08 - 12基金项目 辽宁省教委基金资助课题 ,编号 990121024作者简介 钟迪生 1943 - ,男 ,辽宁省新民人 ,辽宁大学物理教研室主任 ,教授 ,主要从事薄膜光学和薄膜技术的教学和研究工作 。431981 年 Hamakawa 的研究组提出了一种 P 型 a- Sic 的 a - Si 太阳能电池 ,结果大大地增加了太阳能电池的转换效率 ,后来又在改进 a - Si太阳能电池转换效率方面作了许多努力 。表 1概括了太阳能电池的发展史 。表 1 硅薄膜太阳能电池的发展史年代 电池1954 年 单晶硅太阳能电池1956 年 GaAs 太阳能电池1958 年 装备卫星的太阳能电池1972 年 多晶硅 、 GdTe 太阳能电池1973 年 石油危机1975 年 P - N 控制容量的 a - Si 太阳能电池1976 年 a - Si 太阳能电池1979 年 用连续的 、 分离的反应室法制备集成型 a - Si 太阳能电池1980 年 为电子计算器供电的 a - Si 太阳能电池1981 年 a - SiC/ a - Si 异质结太阳能电池1988 年全球环境期刊报导与建筑材料相组合的 a - Si 太阳能电池1990 年 装备在飞越美国大陆的轻型太阳能飞机上的 a - Si 太阳能电池开发结晶硅 c - Si 太阳能电池廉价技术 ,并在此基础上制备 Poly - Si 薄膜是很重要的 。因此 ,大面积 、 高质量 Poly - Si 薄膜的低温制备工艺有待于开发 。 SPC 固态位相结晶 法 ,即应用 a- Si 薄膜作为初始膜料 ,设法在低温约 650 ℃ 的情况下获得高质量 Poly - Si 薄膜的工艺 。 为了改善太阳能电池的结构 ,目前已开展了 a - Si 和 C - Si 相结合的研究 。这不仅是一种廉价的工艺 ,而且还可以实现太阳光谱的宽波段利用 。2 a - Si 太阳能电池的进展2. 1 制备方法及材料研究进展为了改进太阳能电池的性能 ,已对制备方法和材料进行了深入细致的研究 。 等离子体的CVD 法特别是 RF 辉光放电法已经被普遍应用 。 对高质量非晶材料制备方法也进行了研究 ,如图 1 所概括总结的那样 。这些研究分为两个技术领域 ,即降低杂质浓度和控制表面反应 。等离子体 CVD 法具有许多特点 ,如低温工艺和大面积薄膜的生产 。对于工业化来说 ,大量 、 连续的生产和良好的重复性是重要的 。从这一观点出发 ,提出一种称为 “ 连续分离反应室法” 的制备工艺 [1 ] 见图 1b 。在这种方法中 ,P- 、 i - 和 n - 型 a - Si 膜层在不暴露于空气的不同反应室中淀积 。这样可防止如图 1d 所示的 B 、 P 混杂 。 因此 ,可制备出具有良好重复性的高质量 a - Si 薄膜 。为了降低诸如氧和氮这类杂质的浓度 ,提出了一种超级反应室法 [3 ]分离的超高真空反应室法 ,如图 1c 所示 。应用这一系统 ,杂质的浓度可降低 1～ 2 个数量级由大约 1019 - 20 cm23降到约 1018 cm - 3 。因此 ,a - Si 薄膜中的缺陷密度被降低 ,而薄膜的质量如图 1e所示 明显地得到 Z 了改善 。为了生产高质量的 a - Si 及其合金 ,提出了多种先进的 RF 等离子体 CVD 法 。为了改进 a - Sic 和 a - SiGe 的质量 ,提出了 “ H2 稀释法” 和 “ 三级管法” 。 由于应用 “ H2 稀释法” ,a -Si 生长表面由原子氢所覆盖 ,并与下面的原子松散地结合 。因此 ,增加了原子团表面的扩散长度 ,并且能够很容易地在良好的位形点上稳定下来 。 例如 ,在低温下制备的 a - Si 薄膜不具有良好的质量 ;然而 ,由于应用了 “ H2 稀释法” ,则获得如图 2 所示的高电导率 、 高质量 a- Si 薄膜 。此外 ,利用 CPM 可控等离子体磁控管 法 ,在高淀积速率下 大于 10A S - 1 [4 ] ,获得了高质量的 a - Si 薄膜 。这些方法均使用了RF 辉光放电技术 。但也提出了许多没有 RF 等离子体的新的制备方法 ,如光电 CVD 法 、 原子团 CVD 法和ECR 电子回旋加速法器谐振 法 。用 ECR 法制备的 μ c 微晶 - Sic薄膜表现出了高的暗电导率 。 另外 ,也研究了一种新的 P - 型掺杂气体 B CH3 3 用以取代 B2 H6 ,并生产出了高质量的 P 型 a - Sic薄膜 。2. 2 电池结构的进展为了增加短波区的光谱响应 ,提出了一种梯度膜层的 a - Sic窗口涂层 见图 3d 和 μ c2Sicp 膜层 。 为了增加长波区的光增响应 ,应用了一53图 1 减少杂质的途径图 2 用氢稀释的 a - Si 薄膜的光电导率种网纹结构的 TCO 见图 3c 和一种多能带隙结构 见图 3e 。同时 ,也对 a - Si 和某些其它材料如 Poly - Si 或 cuInSe2 的组合进行了研究见图 3f 和图 3g 。由于使用了这些材料和方法 ,已使转换效率超过了 13 。普通太阳能电池中一个元件的输出电压小于 1V ,而实际应用中驱动某些设备则要求更高的电压 。 因此 ,一种集成型 a - Si 太阳能电池组件便应运而生 。在该组件中 ,若干电池以串联方式排列在绝缘的基底上 见图 4 。通常这种结构采用金属掩模法或光刻法形成图案 ,但是为了增大有效面积和制造大面积的电池又开发了一种激光形成图案法 [5 ] 。为了进一步改善组件性能 ,还研究出了一种 THC 通过孔眼接触 集成型结构 见图 4 。63图 3 a - Si 太阳能电池的结构图 4 集成型 a - Si 太阳能电池组件2. 3 转换效率的进展如图 5 所示 ,a - Si 太阳能电池的转换效率已有重大的改进 。实际尺寸为 10 10cm 的集成组件 ,已获得了 10. 6 的总面积转换效率 。为了进一步提高转换效率 ,深入细致的研究工作已集中于 a - Si 太阳能电池 。图 6 概括地总结了高效 a - Si 太阳能电池的关键技术 。这些技术以有效地应用入射光和减少电功率损失为基础 。3 先进的 Si 薄膜太阳能电池研究为了进一步提高 a - Si 太阳能电池的转换效率 ,必须应用能够利用长波光的高质量窄能带隙材料 。 a - Si Ge、 a - cuInSe2 和薄膜 Poly -Si 在这方面是最有前途的材料 。这里 ,我们集中介绍薄膜 Poly - Si。3. 1 制备方法的进展虽然 Poly - Si 早已用作太阳能电池材料 ,但通常 Poly - Si 要求高温工艺 ～ 1500 ℃ ,并且为厚晶片 几百 μ m 。为了解决这些问题 ,用低温工艺生产 Poly - Si 薄膜已引起了广泛关注 。现 已 开 发 一 些 新 的 制 备 方 法 SPC法 [6 ] 、 液相外延 L PE 法 、 化学气相沉积 CVD 法等 。图 5 a - Si 太阳能电池的实际和设计转换效率图 6 高效 a - Si 太阳能电池的关键技术73图 7 SPC固相结晶 法在 SPC法中 ,a - Si 薄膜只是在约为 600 ℃的低温下进行热退火 ,即结晶 见图 7 。为了改进薄膜的质量 ,迄今已开发出多种制备方法 ,如局部掺杂法 [6 ] 和用具有波纹特性的基底控制结晶等 。 其结果已达到了相当于单晶硅 50 的迁移率 ,其值为 623cm2/ Vs ,载流子浓度为 3 1015cm - 3 。太阳能电池对长波光的灵敏度也得到了改进 。3. 2 结构的进展a - Si 和 Poly - Si 薄膜串联的太阳能电池是最有前途的电池结构之一 。异质结 a - Si/Poly - Si 作为底部电池结构 ,由于其不需要高温高能工艺且顶部电池 a - Si 电池 可连续制备 ,因此是近来人们所关注的发展趋势 。然而 ,所得到的这种高效率制备异质结结构电池 ,其内表面的性质却不够良好 。为了改进这一点 ,开发了一种新的 HIT 具有本征膜层的异质结 结构 。 在这种结构中 ,一层很薄的不掺杂 a - Si 膜层 ～ 5nm 被嵌入 P - n 结中间 。 这一 “ 缓冲层” 可以降低接近内表面处的态密 度 。获 得 的 改 进 后 的 开 路 电 压 Voc 为30mV ,填充系数 F. F 大于 0. 8。 目前 ,对于单晶硅片 C - Si ,已获得 16. 8 的转换效率 。这是世界上最高的低温工艺太阳能电池转换效率值 。4 未来的工艺趋势图 8 总结概括了先进的 Si 薄膜太阳能电池工艺 。 首先 ,为了获得高质量的光电膜层 ,制备时可应用减少杂质浓度和控制表面反应的方法 。 第二 ,为了达到宽波段地利用太阳光谱 ,必须研制高质量宽能带隙和窄能带隙的 a - Si 合金材料 。 Poly - Si 薄膜也是利用太阳光谱的较长波段所希望的材料 。第三 ,要研究多能带隙的组件电池 ,a - Si 和 poly - Si 的结合是最有前途的结构 。 一种通过网眼接触通电的先进的集成型结构将被应用于微型组件结构技术中 。图 8 先进的硅薄膜太阳能电池工艺5 Si 薄膜太阳能电池的应用5. 1 市场结构从图 9 可以看到 ,近年来全世界太阳能电池产量在迅速地增加 。 其中日本和美国的份额占总量的 1/ 3 。 图 10 给出了开发市场的战略 。图 9 太阳能电池产量的发展第一阶段是保证民用产品市场 。在日本 ,民用产品市场总量约达 50mW/ 年 。第二 阶 段 是 满 足 独 立 的 供 电 系 统 市 场83100W～ 20kW 。例如公共设施 、 农业 、 林业 、鱼业等 。第三阶是占有私人住宅供电系统中很大一部分市场 数百 kW 。第四阶段是工业设施 、 电站等电力供给系统的市场 。 最后阶段是保证 GEN ESIS用太阳能电池和国际超导体电网装备的全球能源网系统 的能源供给市场 。 关于这方面的内容 ,将在下文加以叙述 。图 10 太阳能电池市场战略5. 2 a - Si 太阳能电池的应用在实际应用中与单晶硅太阳能电池相比 ,集成型 a- Si 太阳能电池具有一些优点 。世界上首次实际使用的 a - Si 太阳能电池 用于袖珍计算器 是 1980 年由 SAN YO 销售的 。此后 ,便开发了由 a - Si 太阳能电池供电的各种民用产品 。 例如 ,收音机 、 磁带录音机和电视机均可由 a - Si 太阳能电池和 Ni - cd 蓄电池组供电 。 除此之外 ,还开发了用于泵系统 、 野外照明 、 汽车顶棚 、 路标 、 游艇等的独立的太阳能供电系统 。还应进一步开发新的应用 ,如在透明的玻璃瓦上直接构筑 a - Si 太阳能电池的太阳能电池屋顶瓦 。 为了促进光电系统进入家庭 ,还开发了如图 11 所示的一种新的太阳能空调系统 。这种系统使用太阳能电池作为主供电电源 ,蓄电池作为一种备用电源 。 当该系统负载超过太阳能电池输出功率时 ,则通过一个转换开关接入蓄电池供电 。 因为太阳能的输出功率和空调的负载消耗功率具有相类似的曲线 ,所以在夏季应用时有利于减少峰值电力的消耗 。图 11 太阳能电池供电的空调系统5. 3 新的应用现已开发了几种新应用类型的 a - Si 太阳能电池 ,其中包括等间隔分布在集成型 a - Si太阳能电池上的微小孔眼透明组件 。 这使入射光能够自然地通过组件 。 它适用于家庭窗口和太阳能车顶 。除此之外 ,还开发了一种新型紫外光弹性非晶硅 a - Si 太阳能电池 。这种电池制备在一种透明的塑料薄膜基底上 。 这种弹性 a - Si 太阳能电池组件具有世界上最高的功率 - 重量比 275mw/ g ,其厚度仅为 0. 12mm ,并且可以弯成曲率半径为 5mm 的圆 。作为这种弹性 a - Si 太阳能电池的首次应用 ,研制了一种以太阳能为动力的飞机 。 这种飞机已完成了其横贯美国大陆的飞行 ,创造了以太阳能为动力的航空新纪录 。6 未来的光电系统如上所述 ,尽管太阳能电池的研制和开发取得了很大的进展和丰硕的成果 ,但是可以预言 ,这一技术还远远没有完成 。重要的开发还有待于今后的研究 。 在未来的社会中 ,a - Si 太阳能电池将作为一种主要的能源服务于人类 。在不久的将来 ,太阳能电池将很可能与超导体93相结合 ,形成全球光伏电力系统 GEN ESIS ,如图 12 所示 。 为了形成一个庞大的 、 谐调一致的 、 稳定的供电系统 ,太阳能供电应在世界各地不间断地连续产生 。 甚至于在夜间或者当一个区域在下雨 ,电力仍然可以由在其它国家太阳照射的区域通过超导电网来提供 。用这种方式 ,人们将能够在任何时间任何地点都获得足够的 、 无污染的 、 不间断的能量供给 。 为了满足全世界的能量需求 ,人们对太阳能电池可产生的能量进行了数量方面的估算 如果以目前世界上主要能源 原油仍然保持每年需要 1.404 1010 KI 计算 ,在 10 的系统效率下 ,太阳能电池系统则需要一个 807km 807km 加上1141km 1141km 的 50 的绿化区 的面积 ,即占世界荒芜面积 4 的面积 ,来满足人类对能源的需求 。图 12 GEN ESIS 太阳能电池和国际超导体电网装备的全球能源网系统 方案7 结论光伏太阳能电池可以将太阳能直接转换为电能 ,它利用的是宇宙中无穷尽的能源 阳光 ,而不是热机械转换的原理 。 因此 ,它是无噪声 、 无污染 、 清洁 、 无限的能源 。根据太阳能电池的应用 ,现在有一种转向独立供电系统和部分供电系统的研制开发趋势 。研究表明 ,太阳能电池用于主要供电系统的工业化将很快实现 。参考文献[ 1 ] D E carlson and C R Wronski. 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Jap J ApplPhys ,1990 ,29 2327 - 2331. 下转第 16 页 04表 1 两种热像仪的 MRTD 测试记录空间频率cy/ mr英国 Pilkington 公司 HDTI 热像仪扫描速度 230m/ s K国产通用组件热像仪扫描速度 110m/ s K1. 04 0. 091. 58 0. 12 0. 152. 43 0. 21 0. 33. 63 0. 33 1. 05. 69 1. 27表 2 两种热像仪对坦克的探测及识别距离比较目 标英国 HDT19 - 3S8 1 SPRITE ,v 230m/ s国产通用组件热像仪8 1 SPRITEv 110m/ s坦克正面2. 3m 2. 3m探测距离 km 15. 5 5. 8识别距离 km 5. 5 2. 5注 中等气像条件 , T 25 ℃ ,相对温度 R 60 ,能见距离 ≥ 15km ,σ 0. 2 。5 结论合理地调整偏置电压 ,使少数载流子的漂移速 度 与 光 点 的 扫 描 速 度 一 致 是 正 确 使 用SPRITE 探测器的基准 。通过优化设计扫描器 ,适当提高扫描速度是提高 Ⅱ 类通用组件热像仪的空间分辨率 、 热灵敏度的可选途径 。OPTIMUM APPL ICATION OF SPRITE DETECT OR IN SCANNERFEN G Zhuo2xiangXian Instiute of Applied Optics ,Xian 71065 ChinaAbstract The changes of the line spread function L SF and modulation transfer function M TF of scanner due to the vari 2ation of detector bias voltage are analyzed. The match relation of FOV ,relative aperture and scanning speed with the delec2tor performance is given. It Shows that scanning speed is the selectable way for the raise of the spatial resolution and ther2mal sensitivity of the thermal imaging syrtem.Keywords thermal imaging system ;scanner ;detector上接第 40 页 RESEARCH PROGRESS IN SOLAR SI THIN FILMSZHON G Di - shengLiaoning University ,shenyang 110036 ,China Abstract Progress in amorphous Sia - Si and polycrystalline Sipoly - Si thin film for solar cells is summarized here fromfabrication method ,material ,and structural viewpoints. In addition to a - Si ,primary results on poly - Si thin film researchare discussed. Various applications for a - Si solar cells are presented ,and consumer applications and a - Si solar cell pho2tovotaic systems are introduced. New product devlopment includes see- through solar cells ,solar cell roofing tiles ,and ultralight flexible solar cells. As for new systems ,air conditioning equipment powered by solar cells is described. The proposedproject to bring forth the new ideas is discussed.Keywords solar cells of thin film ;polycrystalline Si ;amorphous Si61