硅薄膜太阳能电池论文

贾子康 冯推清 王峣 寇鸿斌 刘少帅

摘要：

    太阳能电池分为硅太阳能电池、多晶薄膜、有机聚合物、有机薄膜、纳米晶、塑料电池等等。本文主要阐述硅太阳能电池，硅太阳能电池分为：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。在这里我们主要讲了各种硅太阳能电池原理、结构和生产工艺等方面。并讨论硅太阳能电池的发展趋势和以后的应用方向，让大家能清楚其在未来的发展趋势。

关键词：太阳能电池；分类；原理和结构；现状；发展趋势和前景

Silicon thin film solar cell

Abstract:

       Solar cells are divided into silicon solar cell, polycrystalline thin film, organic polymer, organic thin film, nano crystal, plastic battery and so on. In this paper, the silicon solar cells, silicon solar cells are divided into: single crystal silicon solar cells, polycrystalline silicon thin film solar cells and amorphous silicon thin film solar cells three. Here we mainly talk about the principle, structure and production process of various silicon solar cells. And discuss the development trend of silicon solar cell and the future application direction, so that we can understand its development trend in the future.

Keywords: solar cell; classification; principle and structure; present situation; development trend and Prospect

前言

现代社会发展的主要能源是化石燃料， 然而化石燃料并不是可再生能源。而且化石燃料的大量使用带来了许多困扰，全球变暖、大气污染、水资源短缺、生态环境恶化等各种问题。随着经济的不断发展，社会的不断进步，能源消耗与资源有限这个矛盾将会越来越显著，为了人类的可持续发展，现在迫切需要一种高效、清洁、可再生的新能源作为替换。为此，人们将目光放到了太阳能上，太阳能作为无限的清洁能源正在被研究和应用。

太阳能的应用有许多方面，除了植物的光合作用，还有光热转换，光电转换等。光热转换即把太阳能以热能的方式储存起来，虽说简单易行但热能的可操作性太低，远不如电能应用广泛。光电转换原理一般是光伏效应。太阳能电池分为硅太阳能电池、有机薄膜、多晶薄膜、有机聚合物、纳米晶、塑料电池等等。对于太阳能电池来说,虽然用单晶硅或者多晶硅硅片做的晶体硅电池有很高的市场占有率，但是晶体硅本身制作成本较高，工艺复杂，并不能大规模广泛应用。Si薄膜太阳能电池用硅量极少，价格低廉，并可以达到高的效率，还有较好的建筑相容性。因此，这里主要介绍硅薄膜太阳能电池。

简介

硅薄膜太阳能电池分为单晶、多晶、非晶硅薄膜太阳能电池这三种。

单晶硅太阳能电池是如今发展趋势比较好的。其合成和生产流程已基本定型，产品也已经广泛应用于空间和地面。其中用纯度比较高的单晶硅作为原料时，太阳能电池的光电转换效率大约在15 %左右，实验室测试的结果甚至达到了20 %。单晶硅太阳能电池的缺点是造价昂贵，难以在非硅衬底上大面积应用 。

多晶硅薄膜太阳能电池性能稳定，转换效率较高。它可以以陶瓷、金属片、石墨还有一些其他材料做基板，只需数μm厚度的多晶硅薄膜就可以产生电压。多晶硅薄膜太阳能电池除做成平的之外，还可以做成非平面构造，这样它的应用范围就会非常广，但它除了制造成本高之外，还对衬底材料的耐高温性能要求较高，这导致它还不能进行大规模商业化生产。

    非晶硅薄膜太阳能电池是薄膜太阳能电池中发展比较成熟的。主要优点就是成本低、制备方便。缺点是转化效率比晶体硅太阳能电池低，并且存在光致衰减效应；因为非晶硅薄膜太阳能电池中的硅是非晶态的，结构是一种长程无序的亚稳态，这使得硅原子中的非晶硅的结构稳定性较差，光会使硅硅键断裂，从而产生更多的缺陷。因此，光电转换效率会随着光时间的延长而减小。这使得它的长久，可重复使用性变得很差。但是低廉的价格让其在短期、一次性使用的场合很受欢迎。

1 单晶硅太阳能电池

1.1 发展情况

单晶硅太阳能电池是最早发展起来的太阳能电池，主要制备原料为单晶硅。

单晶硅材料，主要来自半导体行业的废品或不合格产品，芯片完全能够满足太阳能电池的要求，用来制造太阳能电池也能得到好的结果。一般而言，达到高于15%的效率。            

在硅太阳能电池中，转换效率最高，技术最成熟是单晶硅太阳能电池。单晶硅电池因为高质量的单晶硅材料和先进的加工处理工艺，其表现出优异的性能。当前单晶硅的电池工艺趋于成熟，在生产过程中，主要选用了表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等工艺。利用单晶硅表面的微观结构和掺杂工艺的划分，可以提高转换效率。

目前，市场上单晶硅太阳能电池光电转换平均效率约为19%，其中一些公司最近推出的新产品一般超出这个值。除此之外，实验室成果一般都在 20%以上。在空间站上的光电转化率可高达50%以上。

单晶硅太阳能的光电转换效率最高的，在生产应用中占据着主导地位，但是因为单晶硅材料价格较高和生产工艺较为复杂，因此制备单晶硅成本价格普遍较高。但是在接下来的10年中，单晶硅太阳能电池在市场上的占有率，可能会因硅薄膜太阳能电池的急剧发展等原因有所下降，但主导地位不会发生根本性的变化。

1.2 原理概述

太阳电池吸收太阳光后，由于其中部分光子的能量大于禁带宽度，所以价带中的部分电子会被激发到导带上成为自由电子，而在价带中留下带正电的空穴，组成了电子空穴对。自由电子和空穴又会扩散到P-N结的空间电荷区，被内电场分离，结果使电子运动到N侧，空穴运动到P侧，分开的异种电荷产生电压，这就是“光伏效应”。在电池的两侧电极上连接负载，会产生相应的“光伏电流”。这便是太阳能电池的基本原理。

1.3 生产工艺

1.3.1制绒

影响太阳电池能量转换效率提高的主要因素之一是光学损失，可以通过两种方法来减少太阳电池表面的光反射：一是形成抗反射膜，二是利用陷光结构。

单晶硅晶片在一定范围内浓度的酸或碱溶液腐蚀，由于各向异性，不同的晶体的腐蚀速率是不一样的，硅片表面产生特殊外观小了许多。碱处理可获得金字塔形状的绒面，酸处理可获得虫孔状的绒面。无论是哪种绒面，都能提高硅片的陷光作用。

1.3.2扩散制结

将掺杂剂原子引入硅中的方法有三种：⑴高温下由汽相形成的化学源扩散；⑵离子注入层的退火与扩散；⑶掺杂氧化物的扩散。⑵是为了激活注入原子、减少离子注入造成的晶体损伤。当在高温下进行退火时发生扩散。

1.3.3等离子边缘刻蚀

反应气体在高频辉光放电反应中被激活为活性粒子，该粒子扩散到需要刻蚀部位，与硅片发生反应，形成挥发性反应物而被去除，从而达到被刻蚀的目的。由于硅晶片边缘上的N层的形成，降低了电池的转换效率。

1.3.4 PECVD镀减反射膜

通过等离子体化学气相沉积技术在硅是沉积一层氮化硅膜的表面上，不仅可以减少光的反射，由于制备过程中引入了大量的H原子，悬挂键出现饱和作用，因为其能降低复合中心的作用，便可达到很好的表面钝化和体钝化的效果。

太阳能电池生产过程中的PECVD镀减反射膜的技术原理是利用低温等离子体作为能量源，将硅片置于石墨板上，先在加热的腔室内将硅片加热，在PECVD反应腔室的气体经化学反应和等离子反应后,在硅片表面生成了固态薄膜。反应腔室的气体主要有SIH4，NH3和N2,这是由辉光放电产生的等离子体。

1.3.5丝网印刷电极

基于网版上的网孔渗过浆料，非网孔部分不渗过浆料的原理，印刷时在网版上倒上浆料，然后一边在用刮刀在网版上施加一定的压力，网版一边朝另一端移动，在刮刀相对运动的过程中，通过将浆料通过网格挤成硅晶片，生成电极。

1.3.6烧结

固体颗粒的表面积较大和复杂表面状态的不规则，和在制造、细化处理等加工过程中，因机械、化学、热的作用形成结晶缺陷等原因，使得系统自由能变高。在烧结过程中，颗粒进入接触的结合与游离的系统可以降低由于自由表面收缩，清除毛孔，消除缺陷改变了晶体，系统是更稳定，制粉系统和高温燃烧形成下一个致密结构。

2 多晶硅薄膜太阳能电池

2.1简介

2.1.1优势

薄膜太阳能电池的主要组成有微晶硅、多晶硅和非晶硅这三种薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池，相对于其余两种而言，不存在光致衰减效应，光电转化效率不会受之，因此在将来的研究中，多晶硅薄膜太阳能电池的研究将会变得非常重要。

2.1.2 常用的衬底

常用的衬底有多晶硅，陶瓷，石英，玻璃，不锈钢等多种不同的衬底。

2.1.3 沉积工艺分类

常用的沉积方法可分为高温沉积，低温沉积，层转移技术等

2.1.4 产品要求

产品的基本要求为: 

(1) 多晶硅薄膜厚度通常在几微米到几百微米之间;

(2) 增加光子吸收; 

(3) 多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍; 

(4) 少数载流子扩散长度至少是厚度一倍;

(5) 衬底有一定的机械强度; 

(6) 良好的背电极; 

(7) 背表面进行钝化; 

(8) 良好的晶粒界。

2.2 多晶硅薄膜的制备

2.2.1 半导体液相外延生长法（LPE）

先将硅高温加热，使它熔融在其他液体中，然后降温，使硅结晶析出，形成多晶硅薄膜。通过控制生产工艺，可以使生产出的多晶硅薄膜具有反射绒面，从而减少由阳光被反射导致的光电转换效率降低。但是这种方法制备出的多晶硅薄膜质量差，并且这一技术研究进展慢。

2.2.2 区熔再结晶法（ZMR）

先将非晶硅整体加热到一定温度，然后使用一束高能粒子与非晶硅相碰，使非晶硅局部融化，然后再结晶，移动这束高能粒子，可以使整个非晶硅完成再结晶过程，最终可以得到厘米级的晶粒。通过工艺控制，可以生产出晶粒取向一致的多晶。用于加热的高能粒子通常由激光等产生。

2.2.3 等离子喷涂法（PSM）

采用直流射频等离子系统，高纯度的硅（99.9999%）为原料，氩气为载气喷涂。硅粉在等离子体中会变成熔融态，最终沉积在被加热过的衬底上形成薄膜。

2.2.4 叠层法

在较低的温度下，曾与F反应过的玻璃衬底上沉积数次，形成多晶硅薄膜。通常用等离子增强化学气相沉积法来完成沉积过程。

2.2.5 化学气相沉积法(CVD )

2.2.5.1 普通化学气相沉积法(CVD )

将SiF4、SiH4等反应气体在还原气氛中与预热过的衬底进行反应，在衬底的表面上会沉积许多反应所得的硅原子，硅原子最终形成多晶硅薄膜。

这个过程的缺点是反应温度高(800-1200℃ )，形成的多晶硅颗粒小，颗粒之间通常会存在孔隙，影响太阳能电池的广电转化效率。

2.2.5.2 等离子增强化学气相沉积法(PECVD)

这种方法常用于在非硅衬底上生产出小颗粒多晶硅薄膜，特点是制备温度低(100 -400℃ )，晶粒很小(约100nm数量级)，并且几乎不会有效率衰减。产品光电转化效率高，在今后的发展中，将主要在加快晶粒生长方面和增强薄膜的力学性质方面进行研究。

2.2.5.3 热丝化学气相沉积法(HFCVD )

对于热丝，要求其熔点高，力学性能符合要求。该方法是利用热丝的电气化，通电加热，利用其高温，电离SiF4和SiH4等反应气体，然后获得的等离子体再进行化学反应得到硅原子，最后沉积形成多晶硅薄膜。这种方法有待进一步研究。

2.2.6 固相结晶法（SPC）

原料为α-Si，通过SiH或Si2H辉光放电的方法，使原料沉积在衬底上，改变沉积条件可制备出不同结构的α-Si层。通过固相结晶法，在一定的温度和压力下退火，则可得到多晶硅薄膜。

3非晶硅薄膜太阳能电池

3.1定义、结构以及制造技术与流程

3.1.1定义

非晶硅薄膜太阳能电池是一种由非晶硅组成的薄膜太阳能电池.

    如下图所示：

              非晶硅薄膜太阳能电池

3.1.2结构

    非晶硅薄膜太阳能电池结构分为：单、双、三结，该划分基础是基于节点数。

               单结                                        双节

如上图我们可知，非晶硅薄膜太阳能电池的具体结构有玻璃衬底、SnO2导电膜、PIN结、Al膜和保护层等。

非晶硅薄膜太阳能电池的制造技术有三种：

一、单室，多片玻璃衬底制造技术；

二、双室，双片（或多片）玻璃衬底制造技术；

三、卷绕柔性衬底制造技术；

   其中，单室、多片玻璃基板制造技术是一个真空室，完成了P、I、N三层的无定形硅沉积方法。

双室，双（或多片）玻璃基板制造技术是指2（或以上）真空室，P、I、N三层的非晶硅沉积方法。

3.1.3内部结构及生产制造工艺流程

    这里我们用的是美国Chronar公司为代表的内联式单、双结非晶硅电池内部构造示意图：

               内联式单结非晶硅电池内部结构

            内联式双结非晶硅电池内部结构   

生产制造工艺流程：

①内联式单结非晶硅电池内部结构

a-Si沉积(PIN)

预热

清洗

SnO2膜切割

 SnO2导电玻璃

老化

测试1

掩膜镀铝

a-Si切割

冷却

成品测试

分类包装

封装

UV保护层

测试2

②内联式双结非晶硅电池内部结构

预热

清洗

SnO2膜切割

SnO2导电玻璃

a-Si沉积(PIN/PIN)

冷却

a-Si切割

溅射镀铝

封装

测试2

老化

测试1

Al切割

分类包装

成品测试

3.2过程介绍

1.SnO2透明导电玻璃

    玻璃透光率应大于80%，二氧化锡导电玻璃膜牢固，平整，玻璃四角，八边抛光（抛光，以便降低玻璃的应力，防止伤害操作者）。

2.红激光刻划SnO2膜

     按照要求，用波长为10nm的红激光将二氧化锡导电膜分为多个的部分，作为单体电池的电极。

3.清洗 

    清洗是为了确保划好的二氧化锡导电玻璃清洁。

4.预热  

    将二氧化锡导电玻璃装入夹具后推入烘炉预热。

5.a-Si沉积

    二氧化锡导电玻璃放入为PECVD沉积炉后预热沉积。

6.冷却 

    在完成硅的沉积之后，将基板装载固定装置取出，在冷却室中放置缓慢冷却。7.绿激光刻划a-Si膜

按照设定的线宽（线宽<100um）和二氧化锡切割线的线间距（线距：单结电池为5mm或10mm，双结电池为20mm），波长532nm绿激光将a-Si薄膜刻划的目的是使背电极（Al）与前电极（二氧化锡导电膜）相互连接，使多个单体电池内部串联。

8.镀铝  

铝是形成电池背电极（背电极是单体电池阳极和一系列的每个子细胞的导电通道，在同一时间，背电极可以通过非晶硅薄膜反射是光的一部分，加强对光的吸收）

镀铝有2种方法：

一种是铝蒸发：优势是过程简单，生产设备投资和运行成本低，缺点是膜的均匀性不好，硬度，掩蔽效果很难保证还有操作人工消耗大。适用范围：仅适用小面积镀铝。

另一种是是磁控溅射镀铝：优点是膜层的均匀性较好，缺点是所用设备较贵，运行成本稍高；适用范围：同时适用于小面积镀铝和大面积镀铝。

9.绿激光刻铝（无掩膜蒸发镀铝该工序）

用波长为532nm绿激光的特点是分成多个的部分，分别作为单太阳能电池的背电极，并在电池内部实现串联。

10.测试

    为了提高电池的质量，有必要对无定形硅芯板进行测试，并对测试数据进行分析，以确定生产过程是否存在问题。

11.热老化

    在110℃/12h的条件下，将合格的电池芯板放入热老化炉内热老化，使铝膜紧密结合非晶硅层，其目的是为了减小串联电阻和消除高温引起的电性热衰减现象。

12.非晶硅薄膜电池的封装

非晶硅薄膜太阳能电池封装方法是基于对该区域的使用，并对具体的要求进行确定。

3.3封装方法：

1、电池/UV光固胶

适用：电池芯板储存制造

工艺流程：电池芯板       覆涂UV胶      紫外光固      分类储存

2、电池/PVC膜

适用：小型太阳能应用产品。

制造工艺流程：

电池芯板      贴PVC膜      切割      边缘处理      焊线      焊点保护       检测       包装

总结

太阳能电池作为缓解能源危机的新器件，上个世纪以来，各国的太阳能电池产业就都在加速发展，我国也是十分重视在太阳能电池方面的研究。虽然太阳能电池的应用遍及军事、航空、工业、商业、通信、家用电器等各个方面，不过其过高的成本仍是发展的主要因素。即便如此，由于资源枯竭与社会进步的矛盾，我们不得不迎面解决这些问题。一方面是改进生产工艺，降低硅的生产成本。另一方面就是薄膜化，提高硅的利用效率。总之，在未来一段时间里，太阳能电池产业将会有更大的发展，而薄膜太阳能电池由于其低成本以及可弯曲性将会代替普通的建筑外砖，实现大规模应用。

参考文献： 

[1] 雷永泉.新能源材料［M］.天津：天津大学出版 社，2000.222—266.  

[2] Von Keitz A.2nd World Conference on PV Solar  Energy Conversion[C].Vienna:WCSEC, 1998:1829  

[3] 王文静.多晶硅薄膜太阳电池［J］.太阳能，1998， （3）：66—70  

[4] [日]高桥清,浜川圭弘,俊川昭雄.太阳光发电［M］.田小平,李忠馥,魏铁林 译. 北京：新时代出版社 1987.209—227. 

[5] 郭廷玮,刘鉴民.DAGUENET M.太阳能的利用［M］.北京：科学技术文献出版社，1987.60—75.  

[6] 李维刚,许颖,励旭东,姬成周. 区熔再结晶制备 多晶硅薄膜太阳电池［J］.北京师范大学学报,2001,37(6):746—749.  

[7] 郜小勇,卢景宵,李仲明,许颖,励旭东. SSP 衬底 上多晶硅薄膜电池的研究［J］. 郑州大学学报,2001,33(2):39—41.  

[8] 高峰,孙成权,刘全根. 太阳能开发利用的现状 及发展趋势［J］. 世界科技研究与发展 ,2001,(4):101—105.  

[9] 汪建军，刘金霞. 太阳能电池及材料研究和发 展现状[J]．浙江万里学院学报,2006,V19(5):73—77.  

[10] 董晓刚. 太阳能电池用多层膜的制备和研究 [D]．大连交通大学．2006．

[11] Mclntosh R K,ShawCN,CotterEJ Light trapping in sunpower’s A-300 Solar Cells Proeeeding of the19th EPVSC Paris 2004 844

[12] Haynos J,Allison J,Allldt R,Menlennberg A.The COMSAT,non-reflective Silicon solar cell: a sceond generation improved cell. In: Int Cof on Photovoltaic power generation.Hamburg:1974487

[13] Blaker A W,GreenMA,Applied Physics Letters,1985 47 818-820

[14] 刘恩科,朱秉升,罗晋生等.半导体物理学[M].北京:国防工业出版社2004,170-171.

[15] 万群.奇妙的半导体=M].北京:科学出版社,2002,252一253.

[16] 胡晨明,R.M.White.太阳能电池[M].北京:北京大学出版社,1990,96一97.

[17] 耿新华,孙云,王宗畔,李长健.薄膜太阳能电池的研究进展 Jl.物理,1999(l0):33一37

[18] 王涓,孙岳明,黄庆安,周再发.单晶硅各向异性湿法腐蚀机理的研究进展.化工时刊,2004.Vol.18,No.6,1-4

[19] 肖俊峰. 晶体硅太阳能电池的表面陷光结构的研究. 浙江大学硕士学位论文.2010

[20] Kieliba T, Bau S, Schober R, etal. Crystalline sillicon thin-film solar cells on ZrSiO4 ceramic substrates[J]. Solar Energy Material& Solar Cells, 2002,74(1-4): 261-266

[21] Takenhara T, Harshbarger W R, Tsai C C, etal. PECVD films for low-temperature poly-si TFT LCD application [J]. Joumal of the SLD, 2001, 9(1): 59-60

[22] 席珍强，陈君，杨德仁.太阳能电池发展现状及展望[J].新能源，2000,22(12):100-102. 

[23] 钟迪生.硅薄膜太阳能电池研究的进展[J].应用光学，2001,22(3):34-40. 

[24] 庄大明，张弓.铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展现状以及应用前景[J].真空，2004，41(2)：1-7.

[25] 徐慢，夏冬林，杨晟，赵修建，薄膜太阳能电池，材料导报，2006.

[26]  庄大明，张弓，CIGS薄膜太阳能电池研究现状及发展前景，新材料产业，2005 

[27] 高鹏，2012的新希望——薄膜太阳能电池发展趋势分析与应用展望，电力技术，2010 

[28]  刘玉萍，陈枫，郭爱波，李斌，但敏，刘明海，胡希伟，薄膜太阳能电池的发展动态，节能与环保，2006

[29] 章诗，王小平，王丽军，朱玉传，林石裕，顾应展，田健健，周成琳，薄膜太阳能电池的研究进展，材料导报，2010

[30] Qian Y B, Shi W M, Chen P F, etal. Sillicon film fabrication by liquid phase epitaxy at low temperature[J]. Semiconductor Photonics and Technology, 1998, 4(1):18-24