非晶硅薄膜太阳能电池应用开发新进展.pdf

① 1997 - 06 - 23 收稿 ;1997 - 07 - 20 定稿第 19 卷第 1 期 半 导 体 光 电 Vol. 19 No. 11998 年 2 月 Semiconductor Optoelectronics Feb. 1998非晶硅薄膜太阳能电池应用开发新进展 ①杨遇春(北京有色金属研究总院 ,北京 100088 )摘 要 : 非晶硅 (a - Si) 薄膜太阳能电池是取之不尽的洁净能源 — — — 太阳能的光电元 (组 )件 。 文章详述了 a - Si 薄膜太阳能电池的工艺优势 、 市场开发状况 、 可能应用领域 、 存在问题和展望 。关键词 : 非晶硅 半导体薄膜 非晶硅太阳能电池 非晶硅光伏组件中图法分类号 : TM914. 4Application and exploitation ofamorphous silicon thin f ilm solar cellsYAN G Yuchun( Gentral Research Institute for Non - ferrous Metals , Beijing 100088 ,CHN )Abstract : Large - area a - Si solar cell in a photoelectric element served as a clean and limitlessenergy source. In this paper ,the advantage of a - Si thin film technology ,recent market situation ,po2tential application areas,main problems and tendency of a - Si cells are reviewed in detail.Keywords : a - Si ,Semiconductor Films ,a - Si Solar Cell ,a - Si PV Module1 引言1969 年 R. C. Chittick 等人用辉光放电分解甲烷的方法首次实现了氢化非晶硅 (a - Si : H) 薄膜的沉积 。 由于用氢补偿了非晶硅内大量存在的悬挂键 ,为实现掺杂形成电子器件找到了出路 。 1975 年W. E. Spear公布了在非晶硅内实现了 n - 型掺杂的结果 , 接着在 1976 年 ,美国 RCA 实验室的 D. E.Conlson 和 C. R. Wronski 在 Spear形成和控制 p - n结工作的基础上利用光生伏特 ( PV) 效应制成世界上第一个 a - Si 太阳能电池 ,揭开了 a - Si 在光电子器件或 PV 组件中应用的幄幕 。1980 年日本三洋电气利用 a - Si: H 太阳能电池率先制成手持式袖珍计算器 ,接着完成了以太阳能为小型电源的 a - Si PV 组件 (由 8 个串连在一块玻璃上的单个 p - i - n 太阳能电池构成 ) 的批量生产并进行了户外测试 。到 80 年代中期这种太阳能计算器已在全世界普及 ,其年销量到 80 年代末已达1 亿个 。 同时 ,a - Si 太阳电池即 PV 组件也加快了商品化步伐 ,到 80 年代后期年产量已达世界光伏器件总产量的约 30 % ,即 10 MW 以上 。然而近年来世界 PV 组件的总产量基本上保持在不足 70 MW的水准上 ,表面上呈裹足不前之势 ,而实际上 ,一些大的公司或研究机构在解块光衰 、 稳定效率方面却取得了重要进展 ,已有可能建立年产能力达 10 MW的太阳能面板制造厂 。 同时供作液晶显示驱动电源用的 a - Si : H 薄膜晶体管 ( TF T) 的大量应用 ,也预示着这种光电器件作为可持续 、 洁净能源的生产 ,随着材料 、 工艺 、 电池设计的同步发展 ,性能提高 、 规模扩大 、 成本降低 ,将会迎来一个新的时代 。? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net表 2 日本光伏组件的构成和产量Tab. 2 Constituent and yields of PV cells in Japan品 种 民用 ( kW ) 电力 、 研究用 (kW ) 组成比 ( %)非晶硅 6 926 1 044 47. 2多晶硅 840 4 982 34. 5单晶硅 262 1 969 13. 2CdS/ CdTe 827 33 5. 1合 计 8 855 8 028 100. 04 a - Si PV 组件的可能应用领域4. 1 远程应用当前光伏组件最大的市场是发展中国家和边远地区的民用能源 ,如农田灌溉 、 偏僻山村 、 一些远距离通信点的照明和通信能源以及阴极保护等 。 估计随着 PV 组件成本的降低 ,灌溉和边远山村对 PV组件的需要将在今后 10 年内形成年销售额 10 亿美元的市场 。 但是这个市场主要被单晶硅 PV 组件所占领 。 对 a - Si 组件而言 ,要想大举进入这个市场 ,其效率只有接近 1. 1 %～ 12 %且能保证长期可靠才有可能 。 看来 ,a - Si 组件只有采用多结结构并采用新材料 ,才有可能进入这个市场 。4. 2 汽车应用目前全世界每年生产的轿车约达 2 000 万辆 。几年前 ,已经出现了给汽车电池和运货篷车电池充电的太阳能电池充电机 。后来 ,又出现了给游览车空调器充电的光伏面板 。 1993 年在奥迪和马兹达豪华型汽车上出现了第一批光伏太阳能顶盖 。 奥迪使用的是结晶硅太阳能电池 ,而马兹达使用的是半透明 a - Si 电池构成的顶盖 。半透明 a - Si 电池由三洋电气提供 ,是在单结 a - Si 组件上腐蚀出数十万小孔而成为半透明的 。 a - Si 太阳能电池的薄膜厚度为 0. 3μ m～ 1. 0μ m ,易于制成这种结构 。 事实上一定量的白光可通过这种 PV 组件用于调节汽车顶盖和家庭门窗的温度是可行的 。在许多情况下 ,通风对动力的要求必须由效率至少 10 %的 PV 组件完成 。 在今后数年内 ,a - Si 采用多结结构肯定能满足这一要求 。太阳能光伏顶盖产生的电力用于炎热天气下的汽车通风系统 ,吹净热空气可使车内温度降低 20 ℃～ 30 ℃ ,保证车内材料有较长的使用寿命及使司机及乘客感到舒适 。4. 3 飞机应用三洋电气 1990 年在塑料衬底上制成一种柔性的超轻级的 a - Si 电池 ,其沉积温度只有 180 ℃ ,制成的光伏组件的功率输出 / 重量比高达 0. 275 W/ g ,厚度为 0. 12 mm , 且极柔韧 , 其 弯 曲 半 径 只 有 5mm。 这种柔性电池于 1990 年已用于制造太阳能飞机 (重量 90 kg ,太阳电池总装面积 8 m2 、 电池重量1. 5 kg 、 最大输出 300 W 、 寻航速度 64 km/ h 、 最大速度 160 km/ h 、 马达输出约 2 kW ?h) 。 该飞机连续飞行时间近 8 h ,最大飞行高度 3 962 m。4. 4 建筑应用近年来日本和欧洲在实施太阳能屋顶计划 。 日本式的屋瓦使用透明增强玻璃作衬底 ,在衬底上直接形成 a - Si 电池 。 还有人制成一种板条状的屋顶瓦 ,覆盖这种屋瓦的房顶上已建成一个 2 kW 的太阳能发电系统 。太阳能屋瓦与普通屋瓦的规格 、 重量相同 ,换掉普通屋瓦即可发电 ,此屋瓦的优点是节省了安装空间 ,能大幅度降低系统费用 。4. 5 小型动力应用日本为了推动光伏系统迅速进入家庭 ,目前正在开发一种新型的太阳能空调系统 。 该系统以光伏组件为主电源 ,工业电源为辅助电源 。当空调系统的负荷超过光伏输出时 ,引入工业电源 。这个系统在夏天有助于减弱用电高峰 。 日本已在房屋内实现了 1. 8 kW 逆流式太阳能发电系统的实际应用 。所谓逆流意味着过量的电能可以反馈给工业电网 。 这个太阳能发电系统没有蓄电池 ,a - Si 电池面板装在阳台上 ,其他电池则为 p - Si 电池 。该系统在 1993年 10 月生产了 141 kW ?h 的电力 ,其中 64 %卖给了电力公司 。在大规模发电系统方面 ,日本在一座高层建筑7第 19 卷第 1 期 杨遇春 : 非晶硅薄膜太阳能电池应用开发新进展 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net参 考 文 献1 HON G W P , CHAN G G K , Baht R. High performanceAl0. 15 Ga0. 85As/ In 0. 53 Ga0. 47 As MSM photodetectors grownby MOCVD. IEEE ED ,1992 ;36 :6592 SHI C X , Gruguacher D ,Stoller M et al. High performanceundoped InP/ In0. 53 Ga0. 47 As MSM photodetectors grown byL P - MOVPE. IEEE ED ,1992 ;39 :1 0283 史常忻 ,Kusters A M ,Kohl A et al.p - In GaAs/ n - In GaAsMSM 光电探测器研究 . 半导体学报 ,1993 ;14 ( 3) :1944 Sze S M. Current transport in metal - semiconductor - me2tal ( MSM ) structures. Solid State Electronics , 1971 ; 14 : 12095 Shannan J M. Control of Schottky barrier height using dop2ing surface layer. Solid State Electronics ,1976 ;19 :5376 史常忻 . 高速 GaAs 集成电路 . 上海 : 上海交通大学出版社 ,1991 年覃 化 男 , 出生于 1975 年 1月 ,1995 年 7 月毕业于南京理工大学光电技术系 ,取得工学学士学位 。同年 9 月进入上海交通大学微电子技术研究所 ,在史常忻教 授 指 导 下 攻 读 硕 士 学 位 。目前主要从事 MSM 光电探测器的研究 。史常忻 男 ,教授 , IEEE 高级会员 。 1938 年出生 。分别于 1962 年和 1966 年在清华大学本科和研究生毕业 。 1967 年进入南京东南大学电子工程系 ,致力于 MOS 和 CMOS 电路的研究 。 1979 年到 1983 年工作于中科院上海冶金所 ,从事 MOS 器件 , GaAs电路和器件的研究 。 从 1984 年开始 ,在上海交通大学微电子技术研究所从事 GaAs 高速 IC , Ⅲ - Ⅴ 族光电器件和光电集成的研究 。 1990 年和 1997 年在德国半导体电子研究所和亚琛大学参与中国自然科学基金和德国 DF G支持的协作项目 。目前主要从事化合物半导体高速器件 ,电路和光电子器件及集成研究 。 著有三部专著 ,持有四项发明专利 。(上接第 8 页 )略 。 目前我国这方面的工作还很薄弱 ,但只要对其重要性有足够的认识 ,在研究开发经费上给予必要的支持 ,广大科技工作者是有能力在材料制备 、 设备制造 、 组件设计 、 应用开发诸多方面开创新局面 ,跻身世界前列的 。杨遇春 男 ,1933 年 12 月出生 。1958 年北京大学化学系 (物理化学专业 ) 毕业 。毕业后先后在有色金属研究院从 事 科 研 ( 半 导体 ) 、 信息调研 、 软科学研究及编辑工作 。 1987 年晋升为教授级高工 ,近年来主要从事半导体 、 稀土的软科学研究工作 ,主要著作有 《电子信息材料》 (合著 ) 、《 半导体材料制备》 、《 稀有金属应用》 、《 白银深加工产品调研》 ,发表科研论文近百篇 。(上接第 11 页 )曲线 ,计算中使用的 R2 为 0. 3。从图中可以看到 ,LD 的界面 ,即靠近光栅的镀减反射膜的那个端面的反射率越低 ,允许的 k up越窄 。换句话说 ,减反膜镀得越好 ,对反馈系统的要求越宽松 。 此外 ,还可以看到 ,外反馈越强 ,等价于界面反射的影响减弱 ,于是依然有连续调谐所要求的光栅反馈线宽越大 。参 考 文 献1 Chen J. Simple method to evaluate coupling functions at ARcoated diode facet facing grating reflectors of long externalcavities. IEEE Photon. Technol. Lett. ,1993 ;5 ( 10) :1 174～ 1 1762 Kane D M , Willis A P. External - cavity diode lasers withdifferent devices and collimating optics. Appl. Opt. ,1995 ;34 (21) :4 316～ 4 3253 Trutna W R. Continuously tuned external cavity semicon2ductor laser. IEEE Lightwave Technol. ,1993 ;11 ( 8) :1 279～ 1 2864 Zorabedian P. Axial - mode instability in tunable externalcavity semiconductor lasers. IEEE Quantum Electron. ,1994 ;30 ( 7) :1 542 ～ 1 5525 周小红 ,陈建国 ,李大义等 . 解析表示外腔半导体激光器的特征参量 . 半导体光电 ,1996 ;17 (4) :317～ 322陈建国 男 ,1944 年生 , 教授 (详见本刊 1992 ; 13(4) :358)51第 19 卷第 1 期 覃 化等 : 具有势垒增强层的 MSM 光电探测器特性的模拟 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net2 a - Si PV 组件工艺优势和水平a - Si 在生产工艺上采用材料消耗低的薄层工艺 ,沉积温度低 、 衬底材料便宜 、 沉积面积大 ,并可通过单片集成将电池串联成大型 PV 组件 ,在节能 、 降耗和降低成本方面有很大的潜力 。 a - Si : H 在衬底上的沉积温度为 200 ℃ ～ 250 ℃ ,除能耗低外 ,亦为采用便宜的衬底 (玻璃 、 不锈钢箔 、 聚酰亚胺等塑料 )创造了条件 。 比如窗玻璃仅 ( 2. 7～ 3. 7) 美元 / 米 2 ,不锈钢箔为 (7. 5～ 8. 6) 美元 / 米 2 。由于采用等离子体增强化学汽相沉积及激光划片技术 ,目前已把PV 组件的面积扩大到 1 m2 以上 ,有的公司已在试生产 30 cm × 40 cm 的级连组件 。 APS 公司生产的50 W 单结 a - Si : H 电池面板尺寸为 1. 16 m2 。此外 ,非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅的大得多 ,在制造电池时 ,为获得满意的吸收 ,要求单晶硅厚度为200μ m ,而使用非晶硅仅需 0. 5μ m～ 1. 0μ m。 据计算 PV 组件每产生 1 W 电力单晶硅的用量为 15 g～20 g ,而使用 a - Si 用量仅为 0. 023 g (转换效率为7 % ,a - Si 层厚 0. 7μ m) 。 a - Si 的广泛应用对下个世纪缓解多晶硅的供需平衡 (每生产 10 MW PV 组件需 150 t 单晶硅或 300 t 多晶硅 ) ,将起重大作用 。目前 a- Si 组件在户外的商品化稳定效率约为5 % ,采用多结技术制成的 a - Si: H/ a - Si : H/ a -SiGe: H 三结组件的稳定效率已达 8 %。在 4 800cm2 的大面积 a - Si 薄膜上 ,富士电气公司得到的最佳效率为 7. 0 % ,在 1 cm2 a - Si 面积上获得的最佳开口面积效率为 13. 2 %。3 a - Si PV 组件的市场开发1988 年前 a - Si 太阳能电池的世界总市场由日 、 美两国主宰 ,除日本在太阳能袖珍计算器方面以惊人的产业化速度打入世界市场外 ,美国 80 年代中期在计算器 、 80 年代中后期在路灯中应用 a - Si: H电池也取得令人瞩目的发展 。在技术水平上 80 年代末已开发出组件规模达 0. 4 m × 1. 2 m 的组装生产线 ,在生产规模上已形成年生产 10 MW 以上光伏组件的能力 ,占世界光伏组件整个市场约 30 %。尽管太阳能计算器和路灯拥有比较成熟的市场 ,但从 1988 年开始再没有出现明显增大的迹象 。1990 年 a - Si: H 组件的世界发运量约为 14. 7 MW ,占全世界光伏组件总发运量的 31. 6 % ,而到 1993年下降到仅占市场总额的 21. 0 %。在现阶段 ,a - Si : H 光伏组件主要形成室内和户外应用两大市场 ( 见表 1) 。前者以低能耗为特点 ,后者则属于高瓦 (high - wattage) 组件 ,已在向太阳能发电系统发展 。 进入 90 年代后 ,a - Si :H 光伏器件由于转换效率低 ,稳定性仍有待解决 ,其应用市场多局限于向低能耗的民用领域发展 ,表 2 为 1991年日本东芝光伏组件的构成和产量 。a - Si 光伏组件的世界市场 ,以 1990 年的发运量 (14. 7 MW ) 计 ,日本占 73. 5 % ,美国占 14. 3 % ,欧洲仅占 8. 1 % ,其他国家仅为 4. 1 % ;近年来日 、 美领先的格局虽没有改变 ,但欧洲国家也强化了这方面的工作 。 如法 、 德已合资建成一座年产量为兆瓦级的 a- Si 光伏组件厂 ,其 a - Si 组件的最大标准尺寸为 1. 0 m × 0. 6 m。表 1 a - Si :H 太阳能电池市场Tab. 1 Market of a - Si :H solar cells室 内 户 外计算器 汽车 、 船舶用 、 防护电网用 、 动力工具用充电机手 表 路灯 、 门牌照明灯 、 广告牌照明灯 、 手提信号灯钟 表 警报系统数字式万用表 顶楼风扇热水龙头用数字式温度计 遥控天窗防护板太阳能半导体收音机 汽车通风装置 、 遮阴顶盖太阳能盒式录音机 栅网式连接阵列 ( 演示用 )6 半 导 体 光 电 1998 年 2 月? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net的整个外壁都安装了 a - Si 组件 (3. 7 kW ) ,所有的窗户都使用 “ 望穿” 型 a - Si 组件 (1. 4 kW ) ,总发电能力为 5. 1 kW 。5 a - Si 开发存在的问题和展望a - Si 开发有待解决的主要问题是 : (1) 提高转换效率 ; (2) 提高稳定性或可靠性 ; (3)扩大批量生产规模 。 这三个问题解决好 ,才能使电池的制造成本下降到小于 1 美元 / 瓦 (与火力发电成本相当 ) 。5. 1 转换效率提高转换效率是降低电力成本的主要手段 。 a- Si 光伏器件最通用的结构是 p - i - n 型的单结电池 ,也有采用 n - i - p 结构的 。 目前通过改善 p 层 ,p/ i 界面层和 i 层的性质 ,采纳沉积 p/ i 界面层和 i层的新方法 ,已使单晶 a - Si 电池转换效率达到 13.2 % ,几乎达到 a - Si: H 材料的极限 。美国从 1978年到 1985 年小面积 ( < 1 cm2) 单结器件的效率以每年 1. 2 个百分点递增 ,至今已提高到 12 %的水平 ,同时单结非晶单片组件 (1 000 cm2 的面积 ) 也平行发展到 10 %的水准 ,3 000 cm2 至 5 000cm2 单片 a -Si 单结组件的初始效率也达到了 6 %～ 8 %。日本近年在 a- Si 电池的转换效率方面也取得了很大进展 。 最突出的是 ,小面积和大面积电池间的转换效率的差距正在缩小 ,例如 1 200 cm2 电池的总面积效率已接近实验室规模电池的水平 ,这说明电池制造工艺有了长足进步 。但是 ,由于 Staeller - Wronski 效应即光衰现象 ,商品化的单结 a - Si 电池一般只有大约 5 %的稳定转换效率 。 因此为进一步提高效率 ,必须采纳多结电池结构 。 多结电池的理论转换效率比单结电池的高出许多 。 理想的三结电池的理论极限约为 43 % ,而理想的单结电池的只有 29 %。实际上美国早在1990 年已在小面积三结电池上获得了 13. 3 %的效率 (活性区 ) 。 日本根据阳光计划在 100 cm2 的双结电池上获得 11. 0 % ,在 1 200 cm2 的双结电池上获得 10. 5 %的效率 。5. 2 稳定性目前尽管 a - Si : H 制备工艺已经成熟 ,然而决定它在能源生产中的关键因素是它在效率上的长期稳定性 。 a - Si 长期在强光辐照下其光电导率和暗电导率下降 ,经 160 ℃ 的温度进行热处理 ,又恢复到原来的数值 ,这就是所谓的 Staebler - Wronski 效应 。 正是由于这个效应使太阳能电池或其组件产生光衰 ,出现转换效率的不稳定 。减弱光衰的主要办法是降低 a - Si 薄膜内的氧 、 氮含量和减少 Si - H2 键 ,提高材料的质量 。目前采用氢稀释法 ,即用氢稀释含硅烷 、 锗烷 、 甲烷等的放电气氛 ,提高了 a - Si 及 a - SiGe ,a - SiC 的质量 ,形成相对较高的稳定状态 ,使光衰明显下降 。 另一条途经是开发多结电池 ,例如 a - Si : H/ a - Si: H双结叠层电池 ,无论电池和组件的稳定效率都实现了大于 9 %的目标 。富士公司的 30 cm × 40 cm 的组件由 30 个 a - Si: H/ a - Si : H 叠层电池串联而成 ,其初始效率为 10. 5 % ,光衰小于 15 %。 三结电池能吸收不同部分的太阳光谱 ,其效率更高 ,如在 0. 09m2 的 a - Si: H/ a - SiGe : H/ a - SiGe: H 三结级联结构中获得了大于 10 %的稳定化效率 。这两方面提高稳定的效率措施及可达到的水准已接近建设兆瓦级 PV 工厂所必备的条件 : 大面积生产的稳定效率高于 10 %。5. 3 生产规模据 1994 年 D. E. Cazlson估算 ,当时大批量购置高瓦组件的最低价格为每峰瓦 3. 50 美元～ 4. 50 美元 。 显然 ,如此高的价格无法与相应的单晶硅和多晶硅 PV 组件竞争 。美国 能 源 转 换 器 件 公 司 ( ECD) 与 俄 罗 斯 的KVAN T 光伏制造公司合作 ,在所设计的第五代自动化 、 连续卷卷 (roll - to - roll ) 生产线上 ,生产出三结多能隙太阳能电池 (由九层非晶和微晶硅合金构成 ) 。 这条生产线生产的宽 35 cm 、 长 762 m 的 a -Si 太阳能电池卷 ,均匀地沉积在 0. 35 mm 的不锈钢箔上 。 该设备实用率高 、 重现性好 ,有可能将连续卷卷法的规模扩大到 100 MW 的年产规模 ,从而将每峰瓦的生产成本降到 1 美元以下 ,达到与普通火电厂 (燃煤 、 煤气和重油 )竞争的地步 。6 结语a - Si 太阳能电池或光伏组件作为获取洁净能源的光电元 (组 ) 件 ,正进入大规模应用的前期 。我国有 12 亿人口 ,大陆面积的 2/ 3 为山地或偏远地区 ,300 万平方公里的海疆也缺煤少电 ,因此积极开发利用太阳能是适合我国的国情和可持续发展战(下转第 15 页 )8 半 导 体 光 电 1998 年 2 月? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net