晶体硅与非晶硅太阳电池研究进展.pdf

张明亮 通信与信息系统专业 集成电路材料与器件电子学 课程论文 2012-01-12 晶体硅与非晶硅太阳电池研究进展 张明亮 暨南大学电子工程系，广州 510632 摘要：首先介绍太阳电池工作原理，然后主要讨论了晶体硅太阳电池的结构及其发展趋势， 总结了薄膜太阳电池的结构特点，并以非晶硅为例介绍薄膜太阳电池的研究进展。从 2001 1 至2010 十年之间，光伏产业平均每年的增长率超过了30% 。目前，晶体硅太阳电池占据光 伏组件市场80% 以上的份额。晶体硅太阳电池是一种成熟的光伏技术。市场上提供的模组最 高光电转化效率已经超过了20% 。对于单结硅太阳电池，尽管还有改进的空间，器件的转化 效率性能已经接近热力学28%的极限值。晶体硅太阳电池面对的主要挑战是降低成本，而降 低晶体硅模组发电的价格受到晶圆成本的限制，使得其发电成本跟传统的火力发电相比还很 高。降低光伏组件成本的一个主要策略是采用薄膜太阳电池，因为这种太阳电池的生产不需 要昂贵的半导体衬底，也不要求很高的温度。所以，在维持合理转化效率的同时可以降低单 位面积的成本。非晶硅（a-Si:H）薄膜太阳电池是薄膜太阳电池当中商业化程度最高的一种。 1. 引言 从1958 年晶体硅太阳电池第一次随卫星上天为航天设备提供电力开始算起，太阳电池 在实际当中应用已经有 50 多年的历史[1]。最初，空间应用是开发光伏器件的主要驱动力。 然而，可以预料的化石燃料的减少以及人们对环境问题的考虑，如CO2 等温室气体向大气的 排放，促使太阳电池在地面的应用成为主要方面。为航天设备开发的太阳电池，重点放在改 进电池的转化效率，而地面应用的太阳电池研发的主要目标则是降低成本，使得光伏组件发 电成本同传统的化石燃料发电成本可以竞争。根据美国能源部数据资料，为使光伏组件能够 在经济上适用于公共事业并实现大规模的生产，发电成本应低于每峰瓦 0.33 美元，或者每 千瓦时5-6 美分[2]。从2001 至2010 十年之间，光伏产业平均每年的增长率超过了30%，薄 膜太阳电池产量从 2005 至 2010 五年之间的平均增长率超过了80%[3]。政府为部署可持续 能源发展战略，扶持市场项目来推动光伏产业的快速发展，化石燃料价格的波动上涨也辅助 了太阳电池的发展。尽管太阳电池模组的产量在2009 年已经达到了6.37 吉峰瓦（GWp ）[4]， 对全球发电产生可观的贡献则要求每年几百吉峰瓦的产量。实现这一目标的主要问题在于当 前光伏组件发电的单位成本比较高。基于非晶硅（a-Si ）、微晶硅（μc-Si ）、多晶 硅 （p-Si ）的 薄膜太阳电池，以及碲化镉（CdTe ）、铜铟镓硒（Cu(InGa)Se2 ，CIGS ）化合物半导体太阳电 池在商业上已经开始显现，在市场上占的份额正在迅速增加。目前市场上现有的光伏技术当 中，只有非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池和碲化镉薄膜太阳电池刚刚显示出低于每峰瓦 1 美元的价格。若要进一步削减价格，则要求在光伏材料研发、器件设计改进及设备和表征技 术等方面有足够的进步。 本文首先介绍太阳电池工作原理作铺垫，然后主要讨论了晶体硅太阳电池的结构及其发 展趋势，总结了薄膜太阳电池的结构特点，并以非晶硅为例介绍薄膜太阳电池的研究进展。 2. 太阳电池工作原理 太阳电池的工作原理是光生伏特效应 （Photovoltaic Effect）。通过半导体p-n （或p-i-n） 结器件直接将入射光能转化为电力。以下介绍几个术语及决定转化效率的因素。太阳电池的 工作原理在文献[5]中有详细的讨论，这里仅作简要介绍。从本质上讲，能量大于半导体带 ————— 本文选自：V. Avrutin, N. Izyumskaya, H. Morkoç, Semiconductor solar cells: Recent progress in terrestrial applications, Superlattices and Microstructures 49 (2011) 337-364. 张明亮 通信与信息系统专业 集成电路材料与器件电子学 课程论文 2012-01-12 隙的光子被吸收之后激发电子-空穴对，在 p-n 结耗尽区内产生的电子空穴对被内建电场分 离之后输运到外部负载，对外部负载做功，即提供电能