多晶硅薄膜太阳电池的研究

能源和环境已成为21世纪人类社会发展面临的两大重要课题。当今世界能源主要是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主体的结构，化石能源具有储量有限和不可再生的特点，据英国石油公司统计数据世界能源消耗速度估算，石油和天然气将在60年内耗尽，煤炭也只能维持人类使用约110年。太阳电池发电是解决未来能源问题的重要途径，而成本过高是制约其发展的因素。薄膜电池是实现太阳电池低成本的主要途径。多晶硅薄膜电池由于具有较高的转换效率和大幅度降低成本的潜力而逐渐成为人们研究的热点。与非晶硅薄膜太阳电池相比，多晶硅薄膜太阳电池既具有晶体硅电池的高效率和高稳定性，又保持了薄膜电池低成本的特点。另外，多晶硅薄膜具有良好的长波吸收特性，若用多晶硅薄膜作为叠层电池的底电池，可大大提高电池对太阳光的利用率。

一、多晶硅薄膜太阳电池的结构

多晶硅薄膜太阳电池根据其设计和制作工艺的不同会有不同的结构。常见的多晶硅薄膜电池基本结构为n/p同质结结构，但是受薄膜材料的透光损失、太阳电池的背欧姆接触及结深的影响，仅使用n/p型作为多晶硅薄膜太阳电池结构难以获得较高的光电转换效率。目前，常采用n+/p+/p+型结构，如下图所示：

二、多晶硅薄膜太阳电池关键问题

多晶硅薄膜太阳电池研究的关键问题主要有两个方面：其一是衬底的选择，其二是高质量多晶硅薄膜的制备。无论是哪个方面，都必须尽量满足“低成本、高效率、便于产业化”的基本要求。衬底的选择一般应满足以下几个条件：成本低廉；具有良好的导电性或绝缘性；无毒性；热膨胀系数与硅相近，失配小；具有一定的机械强度。

多晶硅薄膜太阳电池的效率高低很大程度上取决于多晶硅薄膜材料性能的优劣。出，多晶硅薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的，晶粒与晶粒之间是原子作无序排列的过渡区，即晶界。在多晶硅薄膜中，晶界的面积较大，这是多晶硅薄膜的主要缺陷。由晶界产生的结构缺陷会导致材料电学性能的降低，主要体现在以下两个方面：其一，晶界会引入势垒，导致多数载流子传输受到阻碍；其二，晶界之间的界面会成为少数载流子的复合中心，降低少数载流子的扩散长度，降低开路电压。通常采用两种方法减少多晶硅薄膜晶界，一种是增大晶粒尺寸，另一种是使晶粒沿柱状方向生长。晶粒尺寸增大，晶粒与晶粒间的接触面积变小，直接减小晶界；晶粒沿柱状生长，即使晶粒垂直于衬底表面生长，这样晶界就会垂直于衬底表面，从而使光生载流子在运动时可以尽量不触及晶界，极大地减少了光生载流子在晶界内的复合，相当于间接地减少了多晶硅薄膜的晶界。

三、多晶硅薄膜太阳电池制备工艺改进

（一）增大薄膜中晶粒尺寸

众所周知，多晶Si薄膜是由许多大小不等且具有不用结晶取向的晶粒组成的膜层结构。在晶粒与晶粒之间存在着大量无序的界面或晶界。由于在晶界中存在着悬挂键、杂质或缺陷产生的复合中心，因而会大大降低太阳电池的转换效率。近年的研究指出，进一步增大晶粒尺寸是一种制备优质多晶Si薄膜的有效工艺措施。因为增大晶粒尺寸，一方面会增加载流子的扩散长度，有效地使迁移率和电导率进一步增加；另一方面，晶粒尺寸的增加又可以使晶界面积减少，通过钝化晶界和使晶粒具有择优取向。

（二）合理进行表面钝化

众所周知，表面钝化在改善半导体器件的电学特性方面起着重要作用。换言之，采用有效的表面钝化方法，可以显著提高各种半导体器件的电学性能。对于多晶Si薄膜太阳电池而言，表面钝化也是一种不可缺少的工艺步骤。前已说明，存在于多晶Si薄膜晶粒间界中的悬挂键和缺陷态，会在晶粒间界处引入缺陷能级。由于它们可以与晶粒之间发生电荷交换，起着一种有效的复合中心作用，因而会使多晶Si薄膜的载流子寿命和迁移率大大降低，从而严重影响薄膜的太阳电池的转换效率。使其同时达到表面钝化和减少表面反射的效果，其中SiNx就是一种典型的表面钝化层。

四、衬底材料制备

在衬底方面，一种可能的选择是采用廉价的低品质硅。这样做的好处，在于仅通过同质外延生长，就可制得电池的整个活性层。此外，与其它衬底材料相比，硅储量丰富，原料价格低廉，可适应高温工艺，无热应力问题，且无毒。目前用作衬底的硅片多是由拉制或浇铸的硅锭上切割得到的，不仅需要昂贵的设备和消耗大量的能源，而且相当多的硅材料在切片时被损耗了，由此增加了电池的制作成本。采用无需切片的带（片）状硅作衬底，可使硅材料的利用率从20%提高到80%以上。

五、结语

多晶硅薄膜太阳电池具有低成本的优势和高效率的潜力，而且主要使用的硅是地球上含量极为丰富的元素，不会存在原料短缺问题，将会是光伏领域重要的研究对象和应用产品。尽管目前其光电转换效率与体硅电池相比还有一定差距，但是随着技术的深入研究以及工艺条件的改进，其效率有很大的提升空间。

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