非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池（共7篇）

非晶硅薄膜太阳能电池 篇1

引言

太阳能光伏发电作为一种应用洁净可再生能源的技术倍受人们关注。迄今为止,太阳能电池材料的发展经历了三个阶段:第一代单晶硅和多晶硅太阳能电池,它们是太阳能电池市场的主流产品;第二代基于薄膜材料的太阳能电池,主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉薄膜电池、砷化镓薄膜电池以及铜铟硒薄膜电池等;鉴于前两代太阳能电池存在的诸多不足,人们认为薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的太阳能电池应该是第三代太阳能电池的研发方向。非晶硅薄膜太阳能电池若能解决转换效率低和稳定性差的问题,则具备第三代太阳能电池的条件。因此,目前许多国家和地区正在投入大量人力和物力来攻克这两大难题。

1 非晶硅电池特点

非晶硅太阳能电池作为一种新型太阳能电池,其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产,因而具有广阔的市场前景。它具有较高的光吸收系数,在0.4~0.75μm 的可见光波段,其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1μm厚)就能吸收约80%有用的太阳能,且暗电导很低,在实际使用中对低光强光有较好的适应,特别适用于制作室内用的微低功耗电源,这些都是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价太阳能电池的重要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题,在较低的温度(200℃左右)下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上,工艺简单,单片电池面积大,便于工业化大规模生产,同时亦能减少能量回收时间,降低生产成本。另外,非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5~2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高,同时,还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池,可做成半透明的电池组件,直接用做幕墙和天窗玻璃,从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总之,非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。

由于非晶硅半导体材料(a-Si)最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序,原子之间的键合类似晶体硅,形成的是一种共价无规网络结构,它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等,因此载流子迁移率低、扩散长度小、寿命短,所以这种材料是不适合直接做成半导体器件的。为了降低非晶硅中缺陷态密度,使之成为有用的光电器件,人们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿,形成硅氢键,降低了态隙密度。1976年研究人员成功实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂,实现了a-Si-pn结的制作[1]。

但这种氢化非晶硅 pn结不稳定,而且光照时光电导不明显,几乎没有有效的电荷收集。因此为了把非晶硅材料做成有效的太阳能电池,常采取的结构模式为pin结构,p层和i层起着建立内建电场的作用,i层起着载流子产生与收集的作用。此外,非晶硅材料的光学带隙为1.7eV,材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率,解决这个问题的方法就是制备叠层太阳能电池,一方面增加太阳光利用率,另一方面提高非晶硅太阳能电池效率。但是,非晶硅薄膜太阳能电池光电效率会随着光照时间延续而衰减,即所谓的光致衰退(S-W效应)效应[2],主要是因为Si-H键很弱,在光照下H很容易失去,形成大量Si悬挂键[3],并且非晶硅薄膜电池转换效率低,一般在10%左右。所以为了提高电池转换效率和稳定性,必须尽量减小光致衰退影响和优化电池的结构和工艺。

2 非晶硅电池光致衰退效应

没有掺杂的非晶硅薄膜由于其结构缺陷,存在悬挂键、断键、空穴等,导致其电学性能差而很难做成有用的光电器件。所以,必须对其进行氢掺杂饱和它的部分悬挂键,降低其缺陷态密度,这样才能增加载流子迁移率,提高载流子扩散长度,延长载流子寿命,使其成为有用的光电器件。然而,氢化非晶硅薄膜经较长时间的强光照射或电流通过时,由于Si-H键很弱,H很容易失去,形成大量的Si悬挂键,从而使薄膜的电学性能下降,而且这种失H行为还是一种“链式”反应,失去H的悬挂键又吸引相邻键上的H,使其周围的Si-H键松动,致使相邻的H原子结合为H2,便于形成H2的气泡[4]。硅悬挂键的产生和缺陷的形成是制约氢化非晶硅薄膜应用的主要原因,只有正确理解光致衰退效应的机理,才能解决好氢化非晶硅薄膜的稳定性问题[5]。

现在S-W效应的机制还是一个有待进一步研究解决的问题,人们提出了各种理论进行解释,有的认为是光照在样品中产生了新的缺陷,这种缺陷增加了隙态密度,降低了光电导和暗电导;有的认为是光照产生了亚稳态缺陷;有的认为是光照引起了非晶硅结构的变化;还有人认为空间电荷效应是氢化非晶硅电池光诱导性能衰退的主要物理机制,在光照射下非晶硅太阳能电池光生空穴俘获产生的带正电缺陷使电池内部有了净正空间电荷,从而把高电场调制到p/i界面,而使i/n界面附近电场强度下降以致出现低场“死层”,低场“死层”降低非晶硅太阳能电池对光生载流子的收集,使电池性能随着光照而衰退[5,6]。总的看法认为,光致衰退效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响氢化非晶硅薄膜材料的费米能级的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心,使得电子的俘获截面增大、寿命下降[3]。目前对于氢化非晶硅薄膜光致衰退原理人们建立了很多模型,主要有弱键断裂(SJT)模型[3,7]、“H玻璃”模型[3,8]、H碰撞模型[3,9]、Si-H-Si桥键形成模型[3,10]、“defect pool”模型[3,11]等,但至今仍没有形成统一的观点。为了阻止S-W效应,一方面要减少a-Si∶H 材料中的Si-H键和O、N等杂质污染,另一方面要适当减少i层厚度,增强内建电场,从而减少光生载流子的复合,抑制电池特性的光致衰退效应[12]。

3 非晶硅电池性能影响因素

由于非晶硅结构是一种无规网络结构,具有长程无序性,所以对载流子有极强的散射作用,导致载流子不能被有效地收集。为了提高非晶硅太阳能电池转换效率和稳定性,一般不采取单晶硅太阳能电池的p-n结构。这是因为:轻掺杂的非晶硅费米能级移动较小,如果两边都采取轻掺杂或一边是轻掺杂另一边用重掺杂材料,则能带弯曲较小,电池开路电压受到限制;如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成p+-n+结,由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高,少子寿命低,电池性能会很差。因此,通常在两个重掺杂层中淀积一层未掺杂非晶硅层(i层)作为有源集电区,即p-i-n结构。非晶硅太阳能电池光生载流子主要产生于未掺杂的i层,与晶态硅太阳能电池载流子主要由于扩散而移动不同,在非晶硅太阳能电池中,光生载流子由于扩散长度小主要依靠电池内电场作用做漂移运动[5]。

当非晶硅电池采取pin结构以后,电池在光照下就可以工作了,但因存在光致衰退效应,电池性能不稳定,电池转换效率随光照时间逐渐衰退,所以电池的结构与工艺还要进一步优化。影响非晶硅电池转换效率和稳定性的主要因素有:透明导电膜、窗口层性质(包括窗口层光学带隙宽度、窗口层导电率及掺杂浓度、窗口层激活能、窗口层的光透过率)、各层之间界面状态(界面缺陷态密度)及能隙匹配、各层厚度(尤其i层厚度)以及太阳能电池结构等。非晶硅薄膜电池的结构一般采取叠层式或进行集成或构造异质结等形式。

3.1 透明导电膜(TCO)

透明导电膜在太阳能电池上主要用作电池的透明电极,有些还可同时作为减反射膜。不同透明导电膜的电学、光学以及结构等都不相同,亦对太阳能电池的光电特性和输出特性(如电池的内外量子效率、短路电流、开路电压、填充因子等)产生不同的影响。如有人发现用ZnO∶Al膜作TCO/n-a-Si∶H/i-a-Si∶H/p-c-Si/A结构的异质结太阳能电池的前电极时短路电流比ITO作前电极的短路电流要大,而开路电压要低一些[13]。一般,在太阳能电池中对透明导电膜的要求是载流子浓度高、带隙宽度大、光电特性好、化学性质稳定、较低的电阻率、机械强度高以及优良的耐磨损性等。

3.2 窗口层性质

提高非晶硅太阳能电池转换效率一般要求窗口材料光学带隙宽且较低的电阻率和激活能。宽的光学带隙可以减少对入射光的吸收,进而增大电池的短路电流;低的激活能有利于增大电池的内建电势和开路电压;低的电阻率可以减小电池的串联电阻,从而改善其填充因子。为了减少入射光在窗口层处的损失,要求窗口层尽可能地薄,减少对光的吸收,但窗口层过薄,会降低p-i结内建电场,这对提高开路电压不利[14]。一般对于非晶硅/晶硅异质结太阳能电池降低窗口层的掺杂浓度有利于光生载流子的传输与收集,但为了增加电池内电势和减小串联电阻,窗口掺杂浓度要适当调高,然而高掺杂将导致电池“死层”出现,一般人们选择重掺杂薄p层作为窗口层[6]。

3.3 a-Si电池各层界面

由于界面处容易产生缺陷、悬挂键等复合中心,所以界面态状况对电池的开路电压和填充因子有非常显著的影响,对界面有效地处理利于薄膜的沉积和减少界面的复合损失,利于提高电池的短路电流和开路电压VOC,因此高效率太阳能电池必须尽可能降低界面层的缺陷态密度。另外,对于非晶硅异质结太阳能电池,当两个能带不匹配的电池层界面之间由于能带不连续,在界面处易形成界面势垒和引起漏电流以及形成悬挂键等,为了缓和这种情形可以在界面处插入一层缓冲层,它起到带隙过渡作用和改善异质结界面晶格失配问题,还可以降低界面态密度,钝化结处表面悬挂键,调节能带偏移,利于光生载流子的收集和减小复合漏电电流。在HIT电池中,一般采用非晶硅作为缓冲层,电池通常具有较高的开路电压,但降低了电流的收集,因此为改善电流收集,也可采用纳米微晶作为缓冲层。

3.4 a-Si电池各层厚度

非晶硅电池各层厚度的选择要以提高电池转换效率和电池的稳定性为出发点。一般非晶硅电池的结构均采取pin结构,p层和n层的选择要保证内建电场达到i层厚度内所需最小电场,同时还要保证i层有充分的光吸收。i层起着载流子产生与收集的作用,i层太薄无法产生足够的光生载流子,太厚则会出现死场而无法有效收集光生载流子。对于a-Si∶H 太阳能电池,由于空穴扩散长度很小,决定了光电导主要来自耗尽层的贡献,光生载流子的生成主要在i层。耗尽层宽度愈宽则光电流愈大,因此耗尽层宽度成为决定a-Si∶H太阳能电池能的一个重要因素。另外,耗尽层宽度与间隙态密度g(E)有关,g(E)愈低则耗尽层宽度愈大,但g(E)的降低必然导致耗尽区的加宽。同时,随着a-Si∶H的费米能Ef向本征费米能Ei的移动,也会引起耗尽层宽度的增大[15],因而i层厚度的控制在非晶硅电池制造过程中尤为关键。同时电池的p、n层厚度要满足使进入电池且能量足以产生电子空穴对的光子透过率为零,提高入射光子吸收率,但电池总厚度不能过厚,越厚,p、n层之间形成的内建电场越小,电子空穴越难被电极吸收,同时电池越厚电池性能衰退也越大。

3.5 a-Si电池结构

目前非晶硅太阳能电池的主要缺点是光电转换效率低和存在光致衰退效应。可以通过不断优化非晶硅太阳能电池结构以达到改善其性能的目的。常采用的非晶硅太阳能电池结构有叠层非晶硅太阳能电池和集成型非晶硅太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的pin层单结太阳能电池上再沉积一个或多个pin子电池,各个子电池对太阳光谱的不同区域都设计成最佳响应匹配,以最大限度地吸收太阳光能量。集成型非晶硅太阳能电池是由若干分立小电池组合而成的,类似于太阳能电池组合板。集成型太阳能电池可以有效避免“电池尺寸效应”。所谓“电池尺寸效应”即人们在研究太阳能电池的转换效率与面积之间关系时,发现转换效率会随电池面积的增大而衰减。对一块有确定面积的集成电池衬底,其集成度越高,单个电池的面积就越小,整个透明电极的功率损耗也就越小,但有效电池面积的损失就越大,因此,将大面积电池分割为小面积电池必存在一最佳值。人们通过优化非晶硅太阳能电池各层厚度可以增强内建电场减少光生载流子复合几率,同时可以增加载流子迁移率和提高电池稳定性。在提高太阳光吸收率方面,人们可以对非晶硅太阳能电池实施表面减射技术和光陷阱技术以及制作绒面结构,增加电池内部太阳光的光程以提高太阳光吸收率。另外,人们结合非晶硅和晶体硅电池各自优点把非晶硅沉积在单晶硅或多晶硅或微晶硅衬底上制成异质结太阳能电池亦可提高非晶硅电池的转换效率和稳定性。例如,日本三洋公司产业化的a-Si/c-Si HIT电池效率具有高效率、稳定、低成本的特性,而且制备过程中温度低、能耗小、工艺相对简单。因此,通过各种方法优化非晶硅电池结构成为研发非晶硅电池的重点。

4 发展前景

非晶硅电池生产工艺简单且温度低、耗能小,其市场份额逐年提高。目前,一半以上薄膜太阳能电池公司采用非晶硅薄膜技术,预计几年内,非晶硅薄膜在未来薄膜太阳能电池中将占据主要份额。但光电转换效率低和光致衰退效应是当前非晶硅薄膜电池存在的两大主要问题,为提高效率和稳定性人们在新器件结构、新材料、新工艺和新技术等方面需要加强探索。如在电池结构方面采取叠层式和集成式;在透明导电膜反方面采用不仅具有电阻率低而且具有阻挡离子污染、增大入射光吸收和抗辐射效果的透明导电薄膜代替目前的ITO、ZnO、ZnO∶Al等导电膜;在窗口层材料方面探索新型的宽光学带隙和低电阻材料的窗口层材料,如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等;在非晶硅薄膜制备技术方面可以改进RF-PECVD、超高真空PECVD技术、甚高频(VHF)PECVD技术和微波PECVD等技术,延长薄膜光子寿命、提高载流子输运能力和薄膜的电子性能以及稳定性等;在界面处理方面可以采取如氢钝化技术以及插入缓冲层减少界面复合损失,提高电池短路电流和开路电压。尽管目前效率低性能不稳定是阻碍非晶硅薄膜太阳能电池大规模工业化生产的主要障碍,然而优化非晶硅薄膜电池的各种技术都还是切实可行的,随着科技的进一步发展,非晶硅薄膜太阳能电池将会得到大规模化应用。

非晶硅薄膜太阳能电池研究进展 篇2

关键词：非晶硅,叠层电池,光致衰减

1 非晶硅薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池以其低廉的成本优势受到世界各国研究者的关注。目前国际上研究较多的薄膜太阳能电池主要有3种:硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(Cd Te)[1]。

在三种薄膜太阳能电池中,硅基薄膜太阳能电池以其特有的优势快速发展。硅基薄膜太阳能电池又分为:非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池、微晶硅(uc-Si)薄膜太阳能电池、纳米硅(ncSi)薄膜太阳能电池,以及它们相互合成的叠层电池。同晶体硅太阳能电池相比非晶硅太阳能电池具有良好的弱光效应。非晶硅材料的吸光系数在整个可见光范围内,几乎都比晶体硅大一个数量级,其本征吸收系数高达105cm-1,使得非晶硅太阳能电池对低光强有较好的响应,实验证明非晶硅薄膜电池比同样标称的晶体硅电池的发电量多10%~30%[2]。

虽然非晶硅太阳能电池具有其他太阳能电池不可比拟的优势,且其产量逐年增加,但增加速度远小于晶体硅电池,市场占有率也逐年减少,根据最新出版的NPD Solarbuzz光伏设备季度报告“2011年全球前十大晶硅和薄膜电池厂商排名”,前十名中仅一家薄膜生产厂家first solar[3]。这主要是由于非晶硅太阳能电池在使用的过程中存在致命性弱点:转化效率较低、稳定性差,功率衰减严重、寿命短严重影响了消费者的信心制约了其市场的开拓。

2 提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的方法

非晶硅的禁带宽度为1.7 eV左右,因此导致光电子能量低于1.7 eV的光子直接透过非晶硅层,不能被本征层所吸收对光生电流基本上无贡献。由于非晶硅材料这种结构上的限制,导致非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流较小。另外,受到光致衰减的限制,a Si-H本征层不可能太厚,因此导致能量接近于带隙宽度的那部分光子,在有限的本征层之内并不能被充分地吸收。解决这一问题可以从以下几个方面考虑:

2.1 窗口层材料

为提高非晶薄膜太阳能电池的转化效率,通常要求尽可能的减少p层及n层对光的吸收;除了要求p层尽可能薄外,还要求窗口层材料具有较宽的光学带隙,宽带隙窗口层材料的使用,会使得更多的太阳光透过p层进入本征i层,增加光谱响应范围,使得太阳能电池短路电流以及开路电压得到一定提高[4]。目前探索的宽带隙材料主要有非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等。其中非晶硅碳窗口层材料是目前最容易为人们所接受,且工艺相对简单的一项技术。早在1981年,Tawada等就使用a-Si C:H作为a-Si电池的窗口层,使电池的转化效率达到了7.1%[5,6,8]。2008年朱嘉琦等人通过掺硼获得了光学禁带宽度为2.0 e V的非晶金刚石薄膜,使非晶硅太阳能电池的转化效率提高了10%[7、9]。

窗口层材料除了带隙要求较宽外还要求有较低的激活能和低的电阻率。低的激活能有利于增大电池的内建电势和开路电压;低的电阻率可以减小电池的串联电阻,从而改善其填充因子。为了减少由于窗口层对光的吸收造成光在窗口层损失,窗口层要求尽可能的薄;但窗口层太薄会降低内建电场,这对提高开路电压不利[9]。窗口层较高的掺杂浓度会增加电池的内电势并减小串联电阻,但不利于光生载流子的传输与收集;并且高掺杂易导致电池死层出现,因此要求对窗口层的掺杂要适当。

2.2 中间陷光层

在非晶硅/微晶硅(a-Si/μc-Si)叠层太阳电池中,为了获得良好的稳定性,通常将顶电池非晶硅层设计的很薄,因此顶电池对光的吸收率低,顶电池的短路电流密度(Jsctop)小于底电池的短路电流密度(Jscbot)。根据电流连续性原理,叠层电池的短路电流密度(Jsctandem)常受顶电池电流密度的限制。因而,提高a-Si顶电池的短路电流密度,实现顶、底电流匹配成为提高叠层电池效率的关键问题之一。为了解决此问题,IMT小组最先于1996年提出了在非晶硅/微晶硅叠层电池的顶电池和底电池间引入中间层(inter-layer)的新结构[10]。引入折射率与非晶硅、微晶硅不同的中间层,可以提高顶底电池界面的反射率,将一部分光反射回顶层,提高顶电池的光吸收,进而提高顶电池的电流密度[11]。因此可以在不增加顶电池厚度的情况下提高顶电池的光吸收,使顶、底电池短路电流密度相匹配,提高叠层电池的转化效率。相对非晶硅/微晶硅(a-Si/μc-Si)叠层而言可以设计只提高400~750 nm太阳光的界面反射率,这样既可以保证底电池能够吸收到足够的太阳光,又可以提高顶电池的光吸收,实现顶、底电池的电流匹配[13]。

中间层材料必须具有以下特征:

(1)透明、导电、光吸收系数小;

(2)折射率和厚度要满足一定要求(能对短波长光具有较好反射,对长波长光具有较好的透射);

(3)沉积温度要与电池制备工艺相匹配;

(4)材料来源丰富、成本低、制备工艺成熟。

2.3 叠层结构太阳能电池

大面积产业化的非晶硅组件的效率只有5%~7%,严重影响了产业化的发展。叠层太阳能电池是提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的有效途径之一。由于太阳光光谱中的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子,太阳光中能量较小的光子将透过电池造成能量浪费。因此单节太阳能电池的转化效率一般较低。叠层太阳能电池使能隙较窄的材料电池吸收波长较长的光,同时使最外边的能隙较宽的材料电池吸收波长最短的光,从而对太阳光源有了更合理的利用,有效地提高了太阳能电池的转化效率。

由于微晶硅的能带是1.1 e V,而非晶硅的能带是1.7 e V左右,两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。1994年,IMT Neuchatel小组首次提出uc-Si:H/a-Si:H叠层太阳能电池。在1997年报道了稳定效率超过10.0%的该系列电池[12]。2001年该研发小组报道了uc-Si:H/a-Si:H叠层太阳能实验室稳定转化效率在10%~12%。2004年日本Kaneka公司成功制备出一个面积0.5 m2,稳定效率超过9.0%的模块[14]。Shah通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到30%以上[15]。这种新型硅基薄膜太阳电池大大促进了对这种材料和电池的研究。目前大面积a-Si/uc-Si叠层电池作为新一代薄膜电池已经开始大规模产业化。

3 光致衰减

随着非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的提高,为了提高其市场占有率,使得研究如何降低非晶硅薄膜太阳能电池衰减的问题更为紧迫。

3.1 光致衰减的特征

非晶硅薄膜的光致衰减效应是Stacbler和Wronski在1977年发现的,他们发现光照会减少非晶硅薄膜的暗电导率和光电导率。后来Stacbler以及Tsuda等又相继报道了光照引起非晶硅太阳能电池性能变化,于是这一现象开始受到人们重视。

非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减现象有如下特征:

(1)最初效率衰减很快,以后逐渐缓慢,趋于饱和;

(2)光致衰减是可逆的,150~200℃退火可恢复原有的性能[16];

(3)光致衰减的变化主要是本征层i层性质改变的结果;

(4)温度升高,光致衰减减小;

(5)非晶硅薄膜太阳能电池光致衰减的特性还于太阳电池本身所处的状态有关,太阳能电池在开路时,其光致衰减最为严重;而在短路时,其光致衰减最小;有一定的负荷、处于工作状态时光致衰减的大小则介于开路与短路这两种状态之间。

(6)短路电流和填充因素变化较大,开路电压几乎不变

(7)p-i-n型(即光首先入射到p型层)太阳能电池的结构,其光致衰减比n-i-p型(即光首先入射到n型层)太阳能电池结构的要小[17]。

(8)光致衰减与本征层i层的厚度有关,i层薄的电池性能相对稳定;

(9)在本征层中加入微量硼(约1 ppm)可改善电池的稳定性;

(10)叠层结构比单结电池稳定。

3.2 光致衰减的机理及物理模型

较长时间的强光照射或电流通过使a-Si:H薄膜使用性能下降、内部缺陷增加的现象,称为光致衰减效应[16]。光致衰减效应是制约a-Si:H薄膜应用的主要原因。对光致衰减效应的起因,至今仍有不少争议,造成衰减的微观机制也尚无定论,光致衰减效应是国内外非晶硅材料研究的热门课题。多年来,国内外科学工作者围绕光致衰减效应做了大量的研究工作,提出了大量的物理模型,但至今仍没有形成统一的观点[17]。

虽然对导致光致衰减的原因尚无定论,但总的看法认为,光致衰减效应是由于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响a-Si:H薄膜材料的费米能级EF的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心,使得电子的俘获截面增大、寿命下降。

4 展望

非晶硅薄膜太阳能电池 篇3

1 对象与方法

1.1 对象

2家非晶硅薄膜太阳能电池生产企业。

1.2 方法

根据《建设项目职业病危害评价规范》[1]的要求,将该行业非晶硅薄膜太阳能电池作业场所划分为6个评价单元,包括生产厂房、动力站、气站、化学品仓库、废水处理站和变电站。通过职业卫生现场调查和职业病危害因素监测等方法收集数据和资料,分析该行业在生产过程中产生的职业病危害因素及危害程度、防护设施及其效果。

2 结果

2.1 工艺特征

非晶硅薄膜太阳能电池生产以覆有透明导电氧化物镀膜玻璃作为电池基板,清洗后用镭射刻蚀技术形成特定花纹,采用化学气相沉积法(PECVD)形成α-Si,之后以物理沉积(真空溅射)进行电极制作,再进行热封将接线盒安装而形成非晶硅薄膜太阳能电池。其主要生产工序包括清洗、镭射刻蚀、化学沉积和物理沉积。非晶硅薄膜太阳能电池的生产工艺流程如下:初次清洗→镭射刻蚀→纯水清洗→化学沉积→镭射刻蚀→物理沉积→镭射刻蚀→焊接→初检测→层压封装→接线盒安装→检测→后整理→包装入库[2]。

2.2 主要原辅材料

该行业生产过程中使用的主要原、辅料见表1。

2.2 主要职业病危害因素

该行业各工序的主要职业病危害情况见表2。

2.3 主要职业病防护设施

该行业采用的生产工艺机械化、自动化及密闭化高,且针对生产过程中产生的职业病危害均采取了相应的防护设施。

2.3.1 防毒设施

2.3.1.1 局部排风系统

净化生产车间设置工艺尾气排风系统、碱性废气排风系统和一般废气排风系统。针对化学沉积工序中产生的工艺尾气、基板玻璃镭射刻蚀过程中产生的粉尘、物理沉积工序中产生的金属蒸气设置工艺尾气排风系统;针对初次清洗工序中产生的碱性废气设置碱性废气排风系统;针对生产过程中机器散热风管排出的废气设置一般废气排风系统。

2.3.1.2 气体供应系统

生产厂房设置大宗气体(氮气、氧气、氢气、氩气)和特种气体(硅烷、磷化氢、乙硼烷、甲烷)供应系统。气体间气瓶柜设置自动氮气净化系统、自动喷淋系统以及自动计量声光报警与自动切换控制系统,且均连至排风系统,采用吸收装置处理后排放。

2.3.1.3 气体监测系统

在气体间、气瓶柜、管路分支阀门箱、工艺设备使用点、工艺设备排风管道内等特种气体易泄漏部位设置磷化氢、乙硼烷、硅烷、甲烷、氢气和氧气等气体探测器、气体报警联动控制系统以及事故排风系统。

2.3.2 防尘设施

在净化生产车间喷砂区设置了局部除尘系统,所收集的粉尘经除尘器处理后排放。

2.3.3 防噪设施

针对冷冻机、空压机、真空泵、水泵、通风机和冷却塔等动力设备运行的噪声,采用的减噪措施为动力站和生产厂房分开;动力站设置动力控制室,动力控制室和动力设备间隔开;动力设备基础采取减振材料;产噪设备集中安装在密闭的通风机房、冷冻机房和空压机房内,四周加吸声材料,空压机四周加隔声板;空调净化排风系统的主排风管和通风机的进出口管均安装消声器,管道进出口加柔性连接等。

2.3.4 防非电离辐射设施

针对净化生产车间各镭射刻蚀工序产生的激光,镭射刻蚀机均配备激光防护屏密闭化运行;净化生产车间物理沉积工序溅射机在运行过程中有可能产生高频电磁场,为避免对作业人员产生健康损害,溅射设备配置金属外壳,并设置独立接地装置;变配电室的变配电设施设置金属屏蔽柜,控制其在运行过程中存在或产生的工频电场。

2.4 职业病危害因素监测

工作场所各检测点的磷化氢、氢氧化钾、氢氧化钠、铅、二氧化锡和粉尘等化学有害因素浓度均未超过《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分 化学有害因素》[3]的规定;各检测点的激光、噪声、高频电磁场和工频电场等物理因素强度均未超过《工作场所有害因素职业接触限值 第2部分 物理因素》[4]的规定。工作场所各检测点职业病危害因素监测结果见表3～5。

注:CTWA—时间加权平均浓度;PC-TWA—时间加权平均容许浓度;CSTEL—短时间接触浓度;PC-STEL—短时间接触容许浓度;EL-超限倍数,其换算值为短时间接触浓度的控制上限值;CMC—最高浓度,MAC—最高容许浓度。

注:CTWA—时间加权平均浓度;PC-TWA—时间加权平均容许浓度;CSTEL—短时间接触浓度。

2.5 应急救援措施

净化生产车间化学沉积工序存在或产生磷化氢、乙硼烷、硅烷、甲烷、氩气、氢气和氮气等化学物,属于在生产中有可能突然逸出大量有害物质的作业场所。该行业均制定了应急预案,配备了应急救援设施,包括设立紧急应变中心,设置有害气体探测与报警系统和消防报警系统;设立紧急救护中心,配备急救箱;净化生产车间、仓库和气体间设置洗眼器和安全淋浴装置,设置事故排风系统,配备相应的救援和防护设备;生产厂房设置应急撤离通道和必要的泄险区,清洗机台端配备有溢流槽应对突然的清洗剂泄漏。

3 讨论

根据职业卫生学调查和工作场所职业病危害因素检测结果,该行业生产工艺机械化、密闭化、自动化及智能化程度较高,现行的卫生防护措施基本达到有效的防护效果。由于非晶硅薄膜太阳能电池生产行业使用的磷化氢、乙硼烷以及产生的矽尘属于严重的职业病危害因素,综合分析其使用量与接触特点,属于职业病危害严重项目。因此,在对非晶硅薄膜太阳能电池行业进行职业病防护设施设计时,应把净化生产车间化学气相沉积、生产厂房气体供应系统作为职业病危害关键控制点进行重点有效的防护。

鉴于该行业工作场所属于在生产中有可能突然逸出大量有害物质的作业场所,在采取有效的应急救援措施的同时,必须定期开展危险性评价,其目的是确定并提出相应的预防和控制措施,并通过危险度管理降低职业性伤害的发生[6]。总之,在开展建设项目职业病危害前期预防的同时,定期对非晶硅薄膜太阳能电池企业作业场所进行危险性评价,并对其实行危险度管理有着现实意义。

参考文献

[1]卫生部卫法监发[2002]63号文.建设项目职业病危害评价规范[Z].

[2]赵志明.非晶硅薄膜太阳能电池及生产设备技术发展现状与趋势[J].科技情报开发与经济,2009,19(34):136-137.

[3]GBZ2.1-2007.工作场所有害因素职业接触限值第1部分化学有害因素[S].

[4]GBZ2.2-2007.工作场所有害因素职业接触限值第2部分物理因素[S].

非晶硅玻璃薄膜电池的应用前景 篇4

1 非晶硅玻璃薄膜电池简介

非晶硅 (a-Si) 太阳电池是在玻璃 (glass) 衬底上沉积透明导电膜 (TCO) , 然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型3层a-Si, 接着再蒸镀金属电极铝 (Al) , 光从玻璃面入射, 电池电流从透明导电膜和铝引出, 其结构可表示为glas s/TC O/pi n/Al, 最后用EVA、底面玻璃封装, 也可以用不锈钢片、塑料等作衬底封装。

非晶硅薄膜电池组件的结构如图1所示, 自上到下依次为顶面玻璃、Sn O2导电膜、双结非晶硅薄膜电池 (非晶硅薄膜电池还可做成单结或三结非晶硅薄膜电池) 、背电极、EVA、底面玻璃。

非晶硅玻璃薄膜电池发电原理与单晶硅、多晶硅电池相似, 当太阳光照射到电池上时, 电池吸收光能产生光生电子—空穴对, 在电池内建电场的作用下, 光生电子和空穴被分离, 空穴漂移到P侧, 电子漂移到N侧, 形成光生电动势, 外电路接通时, 产生电流。

2 非晶硅玻璃薄膜电池的特点

非晶硅玻璃薄膜电池有着晶硅电池无法比拟的优点:

(1) 材料成本低, 硅材料用量少。衬底材料, 如玻璃、不锈钢、塑料等, 价格低廉。硅的厚度可以很薄, 只有0.5μm左右, 这和非晶硅电池光吸收系数大有很大关系, 单晶硅电池需要充分吸收太阳光, 需要的厚度较厚, 约为200μm。另外非晶硅电池不需要像单晶硅那样切片, 材料浪费极少。

(2) 制造工艺简单, 可连续、大面积、自动化批量生产。非晶硅产业化是利用化学气相沉积法制造的, 硅烷气体流入真空反应器, 利用高频放电等方法分解硅烷, 使非晶硅沉积在基板上。硅烷中混入含有P或B的PH3、B2H6气体, 可得到N型或P型非晶硅。无论是单结PIN、双结PIN/PIN、还是三结P I N/P IN/PI N电池, 也无论是0.3 m2、0.7 m2还是5.7m2, 其核心部分的PIN结都可以在薄膜的生长过程中同时完成。目前已经实现了可连续、大面积、自动化批量生产。晶硅电池组件的制造需要经过太阳电池的筛选、焊接等琐碎的工序, 人力投入较多, 制造过程中质量不容易控制, 实现自动化批量生产难度大。

(3) 制造过程消耗电力少, 能量偿还周期短。非晶硅薄膜电池是用气体分解法制备非晶硅, 基板温度仅200~300℃, 且放电电机所需的放电功率密度较低。与单晶硅在1412℃以上反复多次熔解相比, 所消耗的电力少得多。晶体硅太阳电池能量偿还时间为2~3年, 而非晶硅太阳电池只有1~1.5年。

(4) 温度系数低。太阳能光谱分布比较宽, 晶体硅电池只能吸收能量比自己带隙高的光子, 其它光子被吸收转换为热量或将能量传递给材料分子, 使材料发热, 这些热效应会使晶体硅电池的发电效率下降, 而非晶硅带隙比晶体硅宽, 温度系数影响明显低于晶体硅。

(5) 弱光性能强。采用层叠技术增加非晶硅玻璃薄膜电池的光谱响应范围, 使得其对光的吸收性比晶硅电池强500倍, 由于非晶硅的价带电子能级低, 在暗光下非晶硅玻璃薄膜电池依然具有良好的光电效率。

(6) 发电量高。在相同的测试条件下, 与相同功率的晶体硅太阳电池相比, 非晶硅薄膜电池的年总发电量比单晶硅、多晶硅电池高10%~15%。单位功率的非晶硅薄膜电池比单晶硅电池发电量高, 这和非晶硅薄膜电池的温度系数低、弱光性能强等特点是分不开的。

(7) 美观、大方。当电池组件当作屋面和墙面时, 可降低建筑物的整体造价;直接吸收太阳能发电;避免墙面、屋顶温度过高, 降低了空调负荷;电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配, 美化室内外环境, 加上精细、整齐的激光切割线, 使建筑物更加美观、大方, 更有魅力。

(8) 热斑效应不明显。当太阳电池阵列面积较大时, 难免会有部分组件处于阴影之内, 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小, 热斑效应不明显, 所以, 使用起来更加方便, 可靠性更好。

当然, 非晶硅玻璃薄膜电池也有它无法掩饰的缺点:

(1) 由于非晶硅太阳电池出现较晚 (比单晶硅电池晚22年) , 在工艺上没有单晶硅电池成熟, 在20世纪80年代初, 才实现产业化, 曾经由于封装、引线等问题, 曾经出现过电池组件过早失效现象。目前, 其工艺已经提高到一个相当的水平, 但是还有很多地方需要改进和提高。

(2) 由于非晶硅太阳电池光电转换效率偏低, 不太适合用在安装面积较小、发电功率又要求较大的地方。

3 非晶硅玻璃薄膜电池应用

目前, 非晶硅玻璃薄膜电池组件在遮阳、中空光伏组件等方面得到大量的应用。

3.1 非晶硅光电活动遮阳系统

非晶硅光电活动遮阳系统是安装在建筑立面的一种新型户外高端遮阳产品, 是利用非晶硅玻璃薄膜电池组件作为遮阳板的一种具有发电、遮阳功能的新型节能环保产品。主要由遮阳板、托架、支杆、电动推杆等几部分组成。遮阳板可以选用单晶硅、多晶硅电池组件或非晶硅玻璃薄膜电池组件, 但是单晶硅、多晶硅电池组件中太阳电池之间存在间隙, 透光率过高, 影响遮阳效果。使用不透光非晶硅玻璃薄膜电池组件, 透光率降到10%左右, 遮阳效果比较好。另外非晶硅玻璃薄膜电池组件的颜色均匀, 线条平直, 与建筑整体是协调的。

3.2 非晶硅玻璃薄膜电池中空光伏组件

非晶硅玻璃薄膜电池中空光伏组件的结构如图2所示, 由上至下分别是顶面玻璃、薄膜电池、EVA、底面玻璃、中空层、Low-E膜以及中空玻璃。在底面玻璃和镀膜玻璃之间设有铝间隔条, 由铝间隔条围成一中空腔, 中空腔上下侧中的其中一侧镀有L o w-E膜层;在间隔条一边的外侧到相应玻璃边上装有带二极管的接线盒;间隔条与底面玻璃、中空玻璃之间设有第一道密封胶, 玻璃与铝间隔条外围设有第二道密封胶。

非晶硅玻璃薄膜电池的弱光性好, 在暗光下依然具有良好的光电效率。非晶硅玻璃薄膜电池做成幕墙、采光顶, 中空玻璃内侧镀有L ow-E膜, 具有对可见光高透过及对中远红外光高反射的特性, 可达到为建筑隔热、保温的效果。经中国建筑科学研究院测试, 此种产品的传热系数U值 (K值) 为1.6 W/m2K, U值越低, 通过玻璃的传热量也越低, 国内很多企业制作的中空产品都高于2W/m2K, 这是其他建筑材料和普通玻璃幕墙无法比拟的。另外组件的两个引出电极与接线盒采取内电路连接。这使得接线盒隐藏在组件内, 避免安装到建筑上影响美观, 同时安装也更加方便。

目前, 山东皇明太阳能集团有限公司的以上两种产品已相当成熟, 并具备大规模生产的能力。

4 结论

非晶硅薄膜太阳能电池 篇5

20世纪90年代末,哈佛大学Eric Mazur等[6]在研究飞秒激光与物质相互作用过程中获得了黑硅,研究显示黑硅具有优异的光电性能,它对近紫外和红外波段的吸收几乎达到100%、对可见波段的吸收比一般的硅片高1倍。近年来,国内外对黑硅的制备方法及黑硅的厚度和形貌对其光吸收特性的影响有很多报道[7,8,9,10]。黑硅用于太阳电池的研究也多有报道,Fatima Toor等[11]制备的黑硅太阳电池的效率达到17.1%,对于450nm波段的光吸收率达到71%。他们指出,黑硅对可见光的高吸收是硅表面的微细结构对入射光多次反射的结果。

因此,利用非晶碳薄膜和P型黑硅制作的太阳电池应比以抛光单晶硅为衬底的太阳电池更有优势。本实验主要研究了黑硅衬底上非晶碳薄膜的结构和形貌特征,并与抛光单晶硅衬底上生长的薄膜进行了对比,为太阳电池的制备提供非晶碳薄膜结构和形貌上的实验依据。

1 实验

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备非晶碳薄膜。共制备了10个样品,1#-5#样品以〈100〉晶向P型S掺杂黑硅为衬底,作为对比研究的6#-10#样品以〈100〉晶向抛光单晶硅为衬底。S掺杂黑硅衬底利用等离子体浸没离子注入技术制备,掺杂量为0.5%(质量分数),黑硅表面呈现多孔组织,在可见光波段其反射率小于8%。两种衬底分别用去离子水、酒精、丙酮各超声20min,用CS-300磁控溅射镀膜机镀Ti膜,溅射条件详见表1。MPCVD法沉积非晶碳薄膜的过程中,以氢气为先导气体,CH4为反应气体,沉积条件见表2。

Ti过渡层的存在会使碳和Ti在界面处形成TiC,这会降低薄膜与衬底的界面势垒,使得电子更容易从衬底注入到碳膜中。MPCVD法利用微波使辅助气体和反应气体电离产生等离子体,等离子体中的活性基团在衬底附近发生反应,沉积出碳薄膜。MPCVD法较传统CVD法具有低温成膜的特点,并且H等离子体对衬底及膜层表面具有溅射和清洗作用,从而提高了薄膜的致密性及薄膜与衬底的附着力[12]。

分别采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱对薄膜结构和表面形貌进行了表征。

2 结果与分析

图1 是碳膜的X射线衍射测试结果,在53°附近是Ti(102)的特征峰,在55°附近是Si的特征峰。图1中没有发现碳的衍射峰,说明当CH4流量由10sccm变化到26sccm时,所制备的薄膜均为非晶碳薄膜。

图2为1#样品的电子能谱,从谱中可知薄膜中的碳元素含量为47.17%～72.32%,说明在黑硅衬底上生长了均匀的非晶碳薄膜。

图3为不同CH4流量下黑硅衬底上生长的非晶碳薄膜1#-5#样品的扫描电镜图,可见随着CH4流量的增大,非晶碳薄膜表面形貌没有明显变化。

图4为对照组6#-10#样品的扫描电镜图,结果显示,非晶碳薄膜表面上的sp2相团簇颗粒的直径随着CH4流量的增加而增大。分析可得,当CH4流量增大时,等离子体中CxHy基团逐渐增多,这将有利于非晶碳薄膜表面对CxHy基团的化学吸附。当氢气流量为定值时,由于H等离子体的解吸附作用形成的悬键数目是相同的,sp2相团簇颗粒的直径增大,说明CxHy基团与悬键成键的数目增多,即此时等离子体中CxHy基团的密度对非晶碳薄膜的生长占主导地位。

非晶碳薄膜的拉曼光谱可以分解为石墨带(G)和无序带(D)[13]。图5中1350cm-1和1580cm-1处为非晶碳薄膜的特征峰位,进一步验证了该碳膜为非晶碳薄膜。其中1350cm-1处为D带,是二次拉曼活动模式对应K区边界环的呼吸振动峰,表示sp2碳的无序结构;1580cm-1处为石墨的G带,与非晶碳薄膜中sp2相中碳环和碳链的伸缩振动有关。两个峰强度的比值(ID/IG)与非晶碳薄膜中sp3相的含量有关。非晶碳薄膜随着sp3相含量的增加,G峰将向低波数移动,D峰的强度会变小, D峰与G峰强度比(ID/IG)会减小[14,15,16]。

图6为抛光单晶硅表面生长的非晶碳薄膜的原子力显微镜图,可见非晶碳薄膜表面的平均粗糙度(Ra)为0.494nm,说明在单晶硅表面生长的非晶碳薄膜非常平整。非晶碳薄膜的生长正是在CxHy的化学吸附和H的解吸附形成悬键的动态过程中进行的,用MPCVD系统低温生长的非晶碳薄膜表面的团簇颗粒密度并不高。AFM结果与SEM结果一致,说明一些区域的非晶碳薄膜表面有sp2相团簇颗粒的生长。

对于含H非晶碳薄膜的生长机制,A.von Keudell等[17]的理论得到了广泛的认可。他们认为非晶碳薄膜的生长可以分为化学主导区和离子主导区。在化学主导区,化学吸附作用占主导地位,由于H等离子体的存在,使表面形成悬键,利于C2H或C2H3在表面的成键。在离子主导区,H+高能离子穿过化学吸附层进入离子占主导的区域,与薄膜内部已经成键的H结合,形成H2分子,这些H2分子可以被困在薄膜内部的空隙处,也可以扩散到薄膜的表面,导致氢的解吸附。A.von Keudell认为,由于H等离子的存在,最终使薄膜中的C、H原子比约为1。

3 结论

采用MPCVD法在黑硅和抛光单晶硅衬底上沉积了碳薄膜。XRD显示该薄膜为非晶碳薄膜。黑硅表面的能谱图显示薄膜中的碳元素含量为47.17%～72.32%,说明在黑硅衬底上生长了均匀的非晶碳薄膜。采用扫描电镜研究了黑硅和抛光单晶硅片上生长的非晶碳薄膜的表面形貌特征,表明在相同沉积时间下,随着CH4流量的增大,非晶碳薄膜表面形貌没有明显变化;在对照组实验中,随着CH4流量由10sccm增加到26sccm,sp2相的团簇颗粒直径逐渐增大,但团簇颗粒的密度并不高。Raman光谱中,在1350cm-1处和1580cm-1处为非晶碳薄膜的特征峰位,进一步验证了该碳膜为非晶碳薄膜。在AFM下观察发现有些区域的非晶碳薄膜表面有sp2团簇颗粒的生长,表面的平均粗糙度(Ra)为0.494nm,说明非晶碳薄膜非常平整。

由于黑硅相比抛光单晶硅对可见光吸收更强,而非晶碳薄膜又是硅薄膜的替代者,因此应用到太阳电池上会提高对光的吸收效率和电池效率。

非晶硅薄膜太阳能电池 篇6

非晶/微晶硅叠层薄膜太阳能电池, 即以非晶硅为顶电池, 微晶硅为底电池的新型结构, 是目前获得高效率高稳定性硅基薄膜太阳电池的最佳途径。

本文采用的是理想能源设备 (上海) 有限公司自主开发的五代的VHF-PECVD设备, 电极为平行板电容式结构, 等离子射频激发频率为40MHZ, 功率匹配采用频率扫描模式, 基板处理面积为1.43m2 (1100mm*1300mm) , 蝶阀控制工艺压力, 质量流量计控制工艺气体的流量。通过工艺实验, 探索出了适合叠层薄膜电池用的高质量微晶硅材料, 通过调节顶电池非晶硅、底电池微晶硅的工艺, 优化顶底电池的电流匹配, 获得了25m A/cm2的总电流密度, 制备出了全面积效率达12%的非晶/微晶硅叠层太阳能电池模组。

实验

微晶材料样品制备时, 以超白玻璃为基板, PECVD完成微晶硅薄膜的制备。通过XRD测试 (Rigaku D/max 2500) 获得微晶硅材料的结构及生长趋向。通过Renishaw公司的Raman光谱仪 (MKI 2000) 测试, 了解微晶材料的结晶状态。

叠层薄膜电池制备时, 以日本Asahi公司的Sn O2:F透明导电薄膜为前电极, 激光划线P1。在PECVD沉积系统中, 制备非晶硅顶电池, 其结构如下glass/FTO/p-Si C/buffer/i-a Si/n-u Si O, 然后变换沉积温度, 制备微晶硅底电池, 底电池结构为p-u Si/i-u Si/n-Si, 激光划线P2。顶电池和底电池都制备完成后, 溅射Zn O:Al后溅射金属Ag电极, 激光划线P3, 然后封装测试。实验中制备了不同厚度的非晶硅顶电池以及不同Si H4比例的微晶硅底电池, 以研究顶底电池的电流匹配问题。通过Crowntech公司的QE测试仪了解叠层薄膜电池的量子效率分布状态。通过瑞士的Pasan flasher测试叠层薄膜电池的I-V分布状态。

结果与讨论

微晶硅材料的结构表征

高质量的微晶硅薄膜材料具有明显的各向异性柱状方向, 且只带有 (220) 信号, 这是获得高效率叠层薄膜电池的关键。我们通过XRD和Raman等测试方法, 对理想能源PECVD制备的微晶硅材料进行了相关表征。从图1所示的XRD图谱可知, 制备的微晶硅材料具有明显的 (220) 衍射峰, 伴有弱的 (111) 、 (311) 衍射峰, (220) 择优生长明显, 倾向立方晶系, 文献报道这种晶向的微晶在生长过程中孪晶会很少, 有利于材料缺陷的减少。

图2所示是对应微晶硅材料的Raman谱, 从谱图中发现510cm-1至520cm-1处散射峰非常明显, 这个峰位对应于晶体硅中的类横向光学 (TO) 声子振动峰, 说明测试薄膜样品已有较高的晶化。通过公式 (1) 拟合计算:

微晶材料的晶化率在60~65%左右。

顶电池非晶硅的厚度对叠层电池性能的影响

如图3所示, 随着顶层非晶硅厚度的增加, 叠层电池的峰值功率先增加, 后又逐渐降低, 功率变化趋势与短路电流的变化曲线完全吻合, 这是由于叠层电池的串联集成结构所致。非晶硅的吸收系数为105, 远大于微晶硅, 在叠层电池中微晶硅的厚度是非晶硅10-15倍左右, 在底电池厚度固定的条件下, 通过调节非晶硅的厚度, 可以迅速找到顶底电池电流的最佳匹配点。

底电池微晶硅Si H4浓度对叠层电池性能的影响

如表1中所示, 调节底电池微晶硅本征层Si H4的流量, 电池的短路电流和峰值功率也会有明显的变化。实验发现, 当Si H4流量降低7%后, 短路电池最大, 峰值功率达到最大值, 继续增加Si H4流量, 短路电池反而会降低。主要原因是随着微晶硅Si H4流量的降低, 微晶硅的晶化率Xc%会明显增加, 高晶化率的微晶材料会拓展红外光谱区的利用范围, 但材料的禁带宽度、吸收系数等会随之降低, 缺陷态密度会相应增多。

理想能源PECVD制备叠层电池的QE及IV测试结果

如图4所示的QE谱图, 我们通过非晶/微晶叠层结构, 将硅基薄膜太阳电池的光谱响应边由非晶硅电池的750nm延伸到微晶硅电池的1100nm, 大大提高薄膜电池对太阳光的光谱收集范围, 提高短路电流, 并且通过深入优化顶/底电池的工艺, 让薄膜太阳能电池的总电流密度达到了25m A/cm2。

多晶硅薄膜制备工艺及其应用发展 篇7

关键词：多晶硅薄膜,制备工艺,压阻特性,应变系数

近年来, 由于多晶硅具有生产成本低, 效率稳定性好、光电转换效率高等优点, 在一些半导体器件及集成电路中得到了广泛的应用。由于其实用价值, 对多晶硅薄膜的研究受到了多方。目前多晶硅薄膜已广泛地用于各种微电子器件的制造, 其用途简单从栅极材料和互联引线方面发展到绝缘隔离、太阳能电池、各种光电器件等, 并且在半导体器件和集成电路也有着多晶硅薄膜有着广泛的应用。应用这种先进材料, 可以大大提高生产的效率和产品的质量。

1多晶硅薄膜制备

经过科学的调查研究可以发现, 多晶硅薄膜的制作具有一定的难度, 现阶段的具体制备工艺可以简单的分为两类:高温工艺与低温工艺。高温工艺主要是指在温度高于600℃的情况下, 利用石英石作为衬底来进行制备, 工艺相对简单, 但是石英石的价格较高, 总体的投入较高;低温工艺, 主要是指在温度低于600℃的情况下, 利用玻璃作为衬底进行多晶硅薄膜的制备, 这种工艺的制备过程相对复杂, 但玻璃的成本投入较低, 而且可以大面积的进行制作, 所以有较多企业采用这一方法制备。

多晶硅薄膜的制备工艺有多种, 包括:真空蒸发、磁控溅射, 化学气相沉积等, 其中最常用的制备方法是化学气相沉积法, 该方法将工艺需要气体在等离子体增强沉积法、HWCVD等不同工艺条件下分解制作多晶硅薄膜。

化和气体的沉积是多晶硅薄膜制作的第一步, 是成膜的关键。随后要将沉积的气体分子或者相应的基团在衬底表面进行解吸, 在解吸的过程中衬底表面会脱H, 并且各种基团的相互反应可以形成Si-Si键, 促进多晶硅薄膜的进一步形成。

经过了沉积过程后进入了脱H过程, 这一过程是多晶硅薄膜形成的关键阶段。H在反应过程中, 通过气体分子的形式在衬底表面释放, 通过真空系统被抽走, 也可以通过与衬底表面的基团相反应, 形成新的气态分子后被全部移除。在等离子体不断增强、化学气不断沉积的这一过程中, 由于Si的特殊性, 只有在硅烷的浓度达到临界状态是, 才可能出现多个种类的Si颗粒, 此后Si颗粒附着在衬底的表面会发生进一步的化学反应, 多晶硅薄膜才会逐渐形成。

经过以上情况的分析可以得出一个结论, 充分运用化学和物理的混合工艺实现多晶硅薄膜的化学气相沉积, 用于反应的气体通入沉积腔室的同时, 经过辉光放电或者分解扩散离子团或气体分子是整个过程的第一部分, 第一部分产生的反应物会有一些化学反应可以进行并且这些反应物会在衬底表面出现, 其中还有一些反应物可以继续进行化学反应, 一系列的化学反应过后, 会在衬底表面出现碰撞、迁移与沉积现象。同时、反应所产生的副产物解析后可变成能通过真空系统抽走的相关气体反应物。

除此之外, 也可以通过RF-PECVD工艺, 即射频等离子增强化学气相沉积技术进行多晶硅薄膜的制作。这种工艺需要在低温的情况下今晚沉积, 将Si H4气体和H2气体相混合, 所以沉积的速率很低。这种工艺与常规工艺相比, 具有电子温度低、成品密度大、活性高的优点, 能够提高制作效率, 保证成品的质量。

2多晶硅薄膜的压阻特性

最先报道多晶硅压阻特性的是日本的Onuma和Sekiga。他们研究多晶硅压阻效应主要是由晶粒内部迁移率、晶粒表面、晶粒间界迁移率引起的。多晶硅薄膜材料一般由许多小晶粒组成, 在晶粒内部原子成周期性有序地排列, 把每个晶粒看作小的单晶块, 不同晶向的小颗粒由晶粒间界连接。晶粒间界结构复杂, 原子无序排列。

3多晶硅纳米薄膜工艺实验

针对现有的多晶硅压阻特性理论进行了LPCVD纳米薄膜工艺试验, 该工艺采用4英寸〈100〉晶向单晶硅片为衬底, 硅片厚度500um。在衬底上氧化200nm, 作为绝缘层, 沉积工艺气体压力100kpa以下, 硅烷流量为100sccm。沉积厚度为60nm的多晶硅薄膜。应用离子注入浓度为2.3×1020cm-3的硼, 在1080度退火30分钟。经微机械蒸发铝等, 结合压阻式压力传感器制作工艺, 制作4个压敏电阻。

4实验结果

经上述工艺试验, 得出不同沉积温度下的纳米薄膜, 工艺考虑了从560度到670度的温度工艺, 结合SEM纳米薄膜照片可知, 温度在低于600℃时, 多晶硅纳米薄膜晶粒较小, 纳米薄膜呈无定形状态;当沉积温度高于600℃时, 多晶硅薄膜晶粒度显著, 部分薄膜出现多晶态。薄膜从600度开始从无定性态开始转变为多晶态。当沉积温度670度时, 样品晶粒度较大, 沉积温度620度时, 晶粒度几乎同670度近似, 如此可见晶粒度与工艺薄膜沉积温度无关。

5实验结论

经过了科学规范的实验, 并结合实际对实验结果进行分析后, 可以发现, 多种多晶硅薄膜制备工艺都有着各自的优点与不足。运用现有的工艺手段进行多晶硅纳米薄膜的制备工作, 需要充分考虑科学发展的现状, 采用最新的压阻特性理论来进行纳米薄膜实验并对实验数据进行科学分析, 其中, 当淀积温度为560℃和580℃时, 多晶硅纳米薄膜具有较大的应变系数, 但是由于电阻率相对较高, 所以制备出的薄膜稳定性很差, 不适合应用到压敏电阻的制作中;主要的纳米薄膜中晶粒大多呈现无定形态硅的情况, 当薄膜的淀积温度为600℃、620℃和670℃时, 薄膜的各种电学特性都相对稳定;最后对于淀积温度为620℃的薄膜而言, 其应变系数较大。因此, 结合纳米薄膜的常规稳定性, 以及应变系数参数分析, 当多晶硅纳米薄膜的沉积温度为620度时, 这类薄膜的压阻特性最好, 能够有效保证使用的效果。

结束语

科学技术的创新需要有大量的人力、物力、财力投入其中, 其中科研人员的努力是至关重要的, 只有经过实践操作, 总结经验, 解决问题, 才能促进科学技术水平的总体提升。目前各科研人员仍将制备优质的多晶硅薄膜, 并且降低制备成本, 作为研究工作的重点, 这便对低温制备工艺的制备效率提出了新的要求, 同时还要通过技术的完善优化来减少多晶硅薄膜制备工艺的缺陷。这就对相关科员人员的专业水平提出了新的要求, 研究人员不仅要具有高学历、高素质, 还应具有创新精神, 能在现有的条件下, 将材料资源充分利用, 研究出更具优势的多晶硅薄膜制备技术, 提高多晶硅薄膜的制备效率, 并且提高所制备的多晶硅薄膜的质量。使得多晶硅薄膜能满足现代科技发展的需求, 更广泛的应用于各种设备的生产中。

参考文献

[1]吴嘉丽, 李仁锋, 谭刚等.LPCVD多晶硅薄膜制备技术[J].第六届全国表面工程学术会议论文集.2006:439-441.

[2]揣荣岩, 刘晓为, 霍明学等.掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响[J].半导体学报, 2006, 27 (6) :25-30.