电池英才网多晶硅薄膜太阳能电池的研制及发展趋势.doc

电池英才网——多晶硅薄膜太阳能电池的研制及发展趋势摘　要: 阐述了多晶硅薄膜太阳能电池的结构、特点, 以及多晶硅薄膜的制备方法, 并展望了多晶硅薄膜电池的发展趋势和前景。关键词: 多晶硅; 薄膜; 太阳能电池; 研制; 发展趋势1 　引　言鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加, 世界上许多国家掀起了开发和利用新能源的热潮。在新能源中, 特别引人瞩目的是不断地倾注于地球的永久性能源——太阳能。太阳能是一种干净、清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源, 将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础, 世界各国都很重视。195年美国贝尔实验室研制成功第一个实用的硅太阳电池, 并于其后不久正式用于人造卫星。我国1958年开始太阳电池的研究, 1971年成功地首次应用于我国发射的第二颗卫星, 1973年开始地面应用。近几年来, 光伏市场发展极其迅速, 晶体硅太阳电池是光伏市场的主导产品,1997年占国际市场的份额在80 %以上。但目前太阳电池用硅材料大多来自半导体硅材料的外品和单晶硅的头尾料, 不能满足光伏工业发展的需要。同时硅材料正是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分, 因此为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要, 最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线, 而采用直接由原材料到太阳电池的工艺路线, 即发展薄膜太阳电池的技术。20世纪70年代开始, 发展了许多制作薄膜太阳电池的新材料, CuInSe、CdTe薄膜和有机膜等; 近20年来大量的研究人员在该领域中的工作取得了可喜的成绩。薄膜太阳电池以其低成本、高转换效率、适合规模生产等优点, 引起生产厂家的兴趣, 薄膜太阳电池的产量迅速增长。也正是为了进一步降低晶体硅太阳电池的成本,近几年来, 各国光伏学者发展了晶体硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶体硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势, 又具有薄膜电池工艺简单、材料节省、成本大幅度降低的优点,因此多晶硅薄膜电池的研究开发已成为近几年的热点。2 　电池工作原理多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上, 用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层, 不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性, 而且材料的用量大幅度下降, 明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样, 是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时, 两极间会产生电势, 称为光生伏打效应, 简称光伏效应。3 　电池结构特点在半导体太阳能电池中, 吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄。对硅来说,在太阳光谱峰值附近5.0 ×10 -7m～6.0 ×10 -7m处, 吸收值为104/cm 数量级。从原理上讲, 几μm厚就可以吸收大部分的能量, 但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50μm。正因为如此, 人们研制了薄膜型太阳能电池, 太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层, 就需要衬底。当然,衬底材料也应该是便宜的。所以, 在大部分的实例中, 衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是多晶体或非晶体, 而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜, 可以通过各种途径形成: 物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样, 有p-n 结型、肖特基型、MIS 型及异质结型等。其不同点在于: 衬底对半导体薄膜形成工艺的影响, 晶界和膜厚的作用,以及薄膜特有的材料、电学方面的性质, 这些都是不容忽视的。正是由于这些因素的制约, 硅薄膜电池的特性仍落后于单晶硅太阳电池的水平,尚处试验阶段, 未达到实用化的程度。4 　电池构成4.1 　绝缘基板上的电池结构图1 表示以铝为基板的结构。这是一种n+-p-p+-Al基板形式, 因为基板是绝缘体, 所以需要取出p+一侧的电极, 其Si层的特性是: p+层: 20μm～40μm 厚, 电阻率10-3欧姆厘米; p层: 5μm～20μm 厚, 杂质浓度为1016/cm3; n 层:014μm～4μm 厚, 杂质浓度为1019/ cm3 , p层n+层的生长都采用SiHCl3 外延生长, 真空蒸镀铝电极, 并蒸镀一层减反射膜, 做成4cm～10cm的太阳电池。4.2 　石墨基板上的电池结构以石墨为基板的硅薄膜太阳电池的结构与1 结构形式相同。硅层的特性为p+层:10μm～40μm 厚, 电阻率2～3 ×10-8欧姆厘米; p 层:8μm～10μm, 电阻率: 0.2～2 欧姆厘米; n+