1、光伏材料与器件,2017.9,作业（20171113）：以report的形式，根据自己的理解，提出提高晶硅电池效率的方式，可以是课堂讲过的内容；也可以是根据自己的想法见解，提出一些新的、独到的idea，欢迎天马行空式的想法。下节课上课前提交，经评议后抽出优秀作业课堂点评，满分10分,第四章 硅基薄膜太阳电池,真空获得技术 薄膜制备技术 透明导电薄膜介绍 非晶硅太阳电池 非晶硅叠层/多结太阳电池,真空系统应包括： 待抽空的容器 (真空室) 获得真空的设备(真空泵) 测量真空的器具(真空计) 必要的管道、阀门和其他附属设备,真空的获得,真空的获得,前级泵：能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵
2、常称为“前级泵”。次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵称为“次级泵”。极限真空：任何一个真空系统，都不可能得到绝对真空，而是具有一定的压强，称为极限压强或极限真空。抽气速率：指在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。,真空泵分为：输运式真空泵、捕获式真空泵,输运式真空泵采用对气体的压缩方式将气体分子输送至真空系统之外。,捕获式真空泵依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体捕，排出于真空系统之外。,输运式真空泵：旋转式机械真空泵、复合分子泵,捕获式真空泵：油扩散泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵,真空的获得,至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空，常
3、常需要把种真空泵组合起来构成复合排气系统以达到所需要的高真空,真空的获得,薄膜制备技术,物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition ) 真空蒸发沉积薄膜 溅射沉积薄膜 化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition ) 外延膜沉积技术 (Epitaxy) 匀胶机(Spin-coating) 喷涂(Spray coating) 刮涂(Blade coating),真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态薄膜的方法。,真
4、空蒸发沉积薄膜,真空蒸发沉积薄膜,随着集成电路制造技术的发展，不但对沉积的薄膜质量要求越来越高，而且要沉积的薄膜种类也越来越多。目前已有各种不同类型的真空蒸发设备。根据不同的目的，从简单的电阻加热蒸发到极为复杂的分子束外延设备。主要有： 电阻式加热蒸发 电子束加热蒸发 激光加热蒸发 电弧加热蒸发 高频感应加热蒸发,利用一些高熔点、低蒸气压的金属（W，Mo, Ta等）制成各种形状的加热器；一方面作为加热，同时支撑被加热的物质。（低压大电流）,由于电阻加热蒸发源结构简单、价廉易作，故应用普遍。采用电阻加热法时应考虑蒸发源的材料和形状。,电阻式加热蒸发,电子束通过5-10KV 的电场后被加速，然后聚
5、焦到被蒸发的材料表面，把能量传递给待蒸发的材料使其熔化并蒸发。 无污染：与坩埚接触的待蒸发材料保持固态不变，蒸发材料与坩埚发生反应的可能性很小。（坩埚水冷）,电子束加热装置及特点,电子束加热装置及特点,难熔物质的蒸发： 适合制备高纯、难熔物质薄膜 可同时安置多个坩埚，同时或分别蒸发多种不同物质。 大部分电子束蒸发系统采用磁聚焦或磁弯曲电子束，蒸发物质放在水冷坩埚内，可以制备光学、电子和光电子领域的薄膜材料。如Mo、Ta、Nb、MgF2、Ga2Te3、TiO2、Al2O3、SnO2、Si等等。,利用激光作为热源使待蒸发材料蒸发。 激光蒸发属于在高真空条件下制备薄膜的技术。激光源放在真空室外边，激
6、光束通过真空室窗口打到待蒸发材料上使其蒸发，沉积在衬底上。 适合制备高纯，难熔物质薄膜,激光加热蒸发,可用来制备光学薄膜：Sb2S3, ZnTe, MoO3, PbTe, Ge, Si 制备陶瓷薄膜：Al2O3, Si3N4；氧化物薄膜：SnO2，ZnO；超导薄膜YBCO。,利用电弧放电加热： 无污染 适合制备高纯，难熔导电物质薄膜 缺点：产生微米级的电极颗粒 原理：用欲蒸发的材料做电极，通过调节真空室内电极间的距离来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积 在较低的反应气体压强下，经电弧蒸发可得到一些陶瓷薄膜。如在氮气氛下，对金属Ti和Zr（锆）起弧制的TiN和ZrN
7、薄膜，在氧气氛下，Al起弧制得氧化铝薄膜。,电弧加热蒸发,在高频初级感应线圈的作用下，通过坩埚或被加热物质本身的感生电流加热实现对源物质的加热。（高频高压小电流）,高频感应加热,优点：设备简单，操作容易，所制备的薄膜纯度比较高，厚度控制比较准确，成膜速率快 缺点：薄膜与衬底附着力较小，工艺重复性不理想，台阶覆盖能力差。,溅射的定义用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面，使靠近固体表面的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。,溅射沉积薄膜,溅射的物理过程： 荷能离子与物质的相互作用,溅射一般是在辉光放电过程中产生的，辉光放电是溅射技术的基础。,溅
8、射方法和溅射装置： 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 反应溅射,直流溅射,电压约15 kV，出射离子的速率约36x105 cm/s，能量约 1040 eV，到达基板的离子能量约12eV。,控制参数：放电气体压力、放电电压及电流； 特点：结构简单，放电不稳定，沉积速率很低。,射频溅射,射频频率：13.56 MHz； 电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压； 射频溅射可制备绝缘介质薄膜； 射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。,磁控溅射,化学气相沉积原理：化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气体相作用或在基片表面的化学
9、反应生成要求的薄膜。这种化学制膜方法完全不同于磁控溅射和真空蒸发等物理气相沉积法（PVD），后者是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的。最近出现了兼备化学气相沉积和物理气相沉积特性的薄膜制备方法如等离子体气相沉积法等。,化学气相沉积技术（Chemical Vapor Deposition）,化学气相沉积技术的优点,由于CVD法是利用各种气体反应来制成薄膜，所以可任意控制薄膜组成，从而制得许多新的膜材。采用CVD法制备薄膜时，其生长温度显著低于薄膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性好，具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基板。由于其具有淀积速率高、膜层针孔少、纯度高、致密、形成晶体的缺陷较少等特点，因而
10、化学气相沉积的应用范围非常广泛。,用于CVD化学反应的几种类型,CVD法可制成各种薄膜和形成不同薄膜组成，能制备出单质、化合物、氧化物和氮化物等薄膜。在CVD法中应用了许多化学反应。运用各种反应方式，选择相应的温度、气体组成、浓度、压力等参数就能得到各种性质的薄膜。最早采用的CVD化学反应方式是用于金属精制的氢还原、化学输送反应等。现在得到应用的反应方式有加热分解、氧化、与氨反应、等离子体激发等。,现在热分解法制备薄膜的典型应用是半导体中的外延薄膜制备、多晶硅薄膜制备等。甲硅烷（SiH4）在低温下容易分解，可在基片上形成硅薄膜。,热分解反应,这种反应是还原卤化物，用其他金属置换硅的反应。在半导
11、体器件制造中还未得到应用，但已用于硅的精制上。,由金属产生的还原反应,这种反应发生在基片表面上，反应气体被基片表面还原生成薄膜。典型的反应是钨的氟化物与硅。在硅表面上与硅发生如下反应，钨被硅置换，沉积在硅上：,由基片产生的还原反应,氧化反应主要用于在基片上制备氧化物薄膜。氧化物薄膜有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等。一般使用这些膜材料的相应卤化物、氧氯化物、氢化物、有机化合物等与各种氧化剂反应制作薄膜。 制备SiO2薄膜一般采用氧化SiH4的方法。 除上述六类反应外，另外还有加水分解反应，与氨反应，等离子体激发反应，光激发反应以及激光激发反应等。,氧化反应,化学气相沉积的类型,CV
12、D技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。 （1）按沉积温度可分为低温（200500）、中温（5001000）和高温（10001300）CVD。 （2）按反应器内的压力可分为常压CVD和低压CVD。 （3）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。 （4）按反应激活方式可分为热激活和等离子体激活CVD等。,外延膜沉积技术,外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学关系时，在基片上取向或单晶生长同一物质的方法。当外延膜在同一种材料上生长时，称为同质外延，如果外延是在不同材料上生长则称为异质外延。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好地
13、控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。,外延膜沉积分类： 分子束外延（MBE) 金属有机物化学气相沉积（MOCVD),分子束外延的基本装置由超高真空室(背景气压1.3X10-9Pa),基片加热块、分子束盒、反应气体进入管、交换样品的过渡室组成。生长室包含许多其他分析设备用于原位监视和检测基片表面和膜，以便使连续制备高质量外延生长膜的条件最优化。,分子束外延（MBE)分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法。,分子束外延（MBE)特点 (1)由于系统是超高真空，因此杂质气体(如残余气体)不易进
14、人薄膜，薄膜的纯度高。 (2)外延生长一般可在低温下进行。 (3)可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。 (4)对薄膜进行原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的生长及性质。当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。,有机金属化学气相沉积(MOCVD)利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积（CVD)工艺。MOCVD是一种利用气相反应物，或是前驱物和族的有机金属和V族的NH3，在基材表面进行反应，传到基材衬底表面固态沉积物的工艺。MOCVD主要功能在于沉积高介电常数薄膜，可随着前驱物的更换，而沉积出不同种类的薄膜。,与其他外延生长法如液相外延
15、生长、气相外延生长相比，有机金属化学气相沉积有以下特点:反应装置较为简单，生长温度范围较宽;可对化合物的组分进行精确控制，膜的均匀性和膜的电学性质重复性好;原料气体不会对生长膜产生蚀刻作用，因此，在沿膜生长方向上，可实现掺杂浓度的明显变化;只通过改变原材料即可生长出各种成分的化合物。,匀胶机,喷涂,刮涂,半月板,提拉,作业提交,透明导电薄膜(TCO),TYN 2012/12/12,1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍 透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4. TCO薄膜的市场应用及发展,什么是透明导电薄
16、膜?,在可见光波长范围内具有可接受的透光度 以flat panel display而言透光度愈高愈好 以solar cell而言太阳光全波长范围之透光度及热稳定性具有导电特性 电阻率(resistivity)愈小愈好，通常 10-4 cm一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光范围具有80 %以上的透光率，其比电阻低于110-4 cm，即是良好透明导电膜。,纯金属薄膜Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 10nm厚度的薄膜，均有某种程度的可见光透光度 早期使用透明电极 缺点：光的吸收度大、硬度低、稳定性差,金属化合物薄膜(TCO)泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟
17、化物a.氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiNb.掺杂氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO)ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac.混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4,TCO的发展历史,1907年最早使用CdO材料为透明导电镀膜，应用在photovoltaic cells.1940年代，以Spray Pyrolysis及CVD方式沉积SnOx于玻璃基板上.1970年代，以Evaporation及Sputtering方式沉积InOx及ITO.1980年代，磁控溅镀m
18、agnetron sputtering开发，使低温沉膜制程，不论在玻璃及塑料基板均能达到低面阻值、高透性ITO薄膜.1990年代，具有导电性之TCO陶瓷靶材开发，使用DC磁控溅镀ITO，使 沉积制程之控制更趋容易，各式TCO材料开始广泛被应用.2000年代，主要的透明导电性应用以ITO材料为主，磁控溅镀ITO成为市场上制程的主流.,透明导电薄膜主角- ITO,中文名称：铟锡氧化物英文全名：Indium Tin Oxide（ITO）成分：掺锡氧化铟 (Tin-doped Indium Oxide)，90wt%In2O3与10wt% SnO2年代：1934年被美国铟矿公司最早合成出来世界最大ITO
19、薄膜制造国：日本选用率：在TCO材料中，75%应用在平面显示器主要应用：平面显示器、透明加热组件、抗静电膜、电磁、防护膜、太阳能电池之透明电极、等电子、光学及光电装置上。,Why choose ITO ?,在TCO材料中有最佳的导电性(电阻比低)在可见光波段有良好的透光度良好的耐候性，受环境影响小大面积镀膜制程容易(成熟)蚀刻制程容易(成熟)成本低?,ITO组成及特性,ITO组成在In2O3/SnO2 =90/10时最低的电阻比及最高的光穿透率,最快的蚀刻速率,铟(In)矿的主要应用,各种TCO材料-ZnO系透明导电膜,主要成员：ZnO (3510-4 -cm)ZnO:In (IZO) (24
20、10-4 -cm )、ZnO:Ga(GZO) (1.210-4 -cm)、ZnO:Al (AZO) (1.310-4 -cm)、ZnO:Ti,特点： 1.ZnO矿产产能大。 2.价格比ITO便宜( 200% cost saving) 。 3.部分AZO靶材可在100%Ar环境下成膜，制程控制容易。 4.稳定性比ITO差，通常以添加Cr、Co于ZnO系材料中来提高其稳定性。,TCO薄膜的导电原理,In2O3为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质参杂，可以产生一个导电电子In2O3晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一个氧空缺，可以产生两个导电电子,Band gap (Eg) 3.5eVC
21、rystallized at T 150 C,TCO中导电性最好的ITO，载子浓度约10181019 cm-3 金属载子浓度约1022 1023 cm-3,比较ITO及银薄膜的面电阻及透光度, = /D ITO薄膜的导电性要好(面电阻低)，膜厚要增大， 因此薄膜的穿透度会降低,TCO的光学性质,TCO在短波长的透光范围：由能隙(energy gap)决定；在长波长的透光范围：由等离子体频率(p，plasma frequence)决定,紫外线区,由电浆频率决定的波长 (此一波长随载子浓度而移动),入射光将价带的 电子激发到导带,AZO (antimony doped tindioxide),Sb
22、2O5析出， 造成光的散射,掺杂物(载流子)密度对透光度的影响,Sb掺杂在SnO2中,电阻率最小 3.98 10-3-cm,Sb,1.高光穿透度、吸收小 2.低电阻比以较低的薄膜厚度得到较佳的导电性 3.膜厚均匀性 4.良好的附着力 5.蚀刻制程容易 6.耐候性佳，受环境影响小 7.无Pin hole 8.无Hill lock,TCO薄膜的质量要求,TCO薄膜的市场应用,常用TCO的应用,薄膜太阳电池的分类,61,Thin-film solar cells: overview,62,AdvantagesSignificantly higher temperature resistance co
23、mpared to crystalline-based solar panels. Many thin-film modules are flexible, which greatly increases the number of potential applications (e.g. curved surfaces, building-integrated photovoltaics). Better resistance against shading.DisadvantagesLower efficiency rates mean you need a physically larg
24、er system for the same power output. Installation costs goes up because you need to install more solar panels. Thin film solar panels tend to degrade faster. Silicon costs are declining and silicon-based solar panels (e.g. mono- and polycrystalline) are becoming more affordable.,Thin-film solar cell
25、s: overview,63,Silicon thin-film solar cells: overview,Advantages：,66,Silicon thin-film solar cells: Disadvantages,S-W effect:,薄膜硅大的分类上可以分为非晶与微晶两种，非晶硅的非晶有非晶态的意思，非晶硅禁带宽度大约为1.7eV，晶硅是1.1eV，所以非晶硅可以吸收的光的波长范围相对较窄在700 nm以下。 从结构上来说，微晶硅是由非常小的结晶硅构成的，微晶硅的晶粒尺寸大致在10-100nm，仅为多晶硅晶粒的十万分之一。由于晶粒小，所以有很多晶界，会阻碍电荷的输运。但是可
26、以有选择制作条件，可以获得晶界间隙少的致密Si，吸收波长范围可以达到1100nm的近红外区域。,薄膜硅材料特性：非晶&微晶,短程有序：组成原子没有长程有序性，只是在几个晶格常数范围内具有短程有序。原子之间的键合十分类似晶体硅，形成共价无规则网络结构。 可实现连续物性控制：当连续地改变非晶硅中掺杂元素和掺杂量时，可连续改变其电导率、禁带宽度等。 吸收系数高：一般在太阳能光谱可见光波长范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅高将近一个数量级。 光谱匹配性好：非晶硅太阳能电池的光谱响应的峰值与太阳能光谱峰值接近，这就是非晶硅材料首先被用于太阳能电池的原因。 叠层结构：可以采用不同带隙的电池组成叠层电池，拓展
27、光谱相应范围，提高电池的光伏特性，并能大面积生产。 正温度系数：温度系数低，因而季节的变化不会严重影响其转换效率。同时，由于光谱响应范围宽，与相同功率的晶体硅太阳能电池相比，起发电量大约可增加10%。,非晶硅的特点,薄膜太阳电池结构：p-i-n 结,硅薄膜太阳能电池的结构最常采用的是p-i-n结构，而不是单晶硅太阳能电池的p-n结构。 由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制； 如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较
28、高，少子寿命低，电池的性能会很差。,通常在两个重掺杂层当中淀积一层未掺杂的非晶硅层作为有源集电区。 掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。重掺杂的p、n区在电池内部形成内建电场，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。i区是光敏区，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。,上衬底型：可以采用激光加工，易实现大面积，集成化，模组化的太阳电池。 下衬底型：基板选择性高，不透光而反射率高更好。 共同点：都需要用到p-i-n结作为最基本结构。 由于硅基薄膜中空穴的迁移率比电子的要小近两个数量级，所以硅基薄膜电池的p区应该生长在靠近
29、受光面的一侧,P层：50-200A i层：4000-6000A N层：100-300A 总厚度1微米,表面电极采用光透射性好的透明导电氧化物（TCO），在薄膜硅太阳电池中，为获得高的光电流，需要从受光面入射的光及从背面电极反射的光封闭在i型区，为了实现这种光封闭技术通常采用亚微米级凹凸（又称为表面绒毛化），并被TCO包覆的基板，抑制反射和增加光吸收效果。,非晶硅太阳能电池结构图,硅薄膜太阳电池制备：TCO,在等离子体中，硅烷气体分子与电子碰撞分解为SiH3（活性基），这种活性基在向基板输运的过程中生长为非晶硅膜层，活性基中的氢与等离子体中存在的氢原子一部分会混到生长的膜层当中，这些氢对于降低非
30、晶硅的缺陷密度关系极大。 微晶硅也是由这种方法获得的，但其制膜时导入的氢气量不同，若将硅烷气体由氢气逐渐稀释，则相对等离子体中的SiH3来说氢的比例不断升高，达到一定的值时，便生长成微晶硅。,硅薄膜太阳电池制备：CVD,在制膜时，相对硅烷气体若按0.1%-1%的比例混入乙硼烷（B2H6）及磷化氢（PH3）可以获得p与n型的薄膜硅，如果混入甲烷及氢化锗（GeH3）等含有硅以外IV族的气体，还可以获得碳化硅及锗硅（SiGe）等合金薄膜。非晶硅薄膜的光电性质强烈依赖于制备的工艺参数，如气压、衬底温度、气体流量，电源功率等条件，只有严格控制好工艺条件，才能得到质量良好的非晶硅膜。,利用单反应腔来制备非
31、晶硅太阳能电池时，由于要连续淀积不同掺杂原子的p层和n层，这样，反应腔内壁和电极上残存的杂质很难避免不掺入所制造的太阳能电池中，造成交叉沾污，得到的太阳能电池的重复性和性能都不好。为了避免这种情况，研究者发展了一种多反应腔装置，非晶硅太阳能电池的p、i、n各层分别在专用的反应腔内沉积，因此没有残存杂质的污染，能很好地重复制造出高效率非晶硅太阳能电池。并且，这种装置适宜批量生产，因而目前生产的非晶硅电池基本上采用这种装置。,VHF-PECVD具有更高的沉积速率 沉积速率与等离子体能量分布有关 VHF-PECVD可以生产高品质非晶硅电池 即使如此，VHF-PECVD未被大规模应用 大面积基板，薄膜
32、厚度不均 大面积电极板，VHF等离子体不能较好的耦合。,非晶硅沉积技术-VHF PECVD,在高温（1800-2000度）热丝上分解SiH4，H2，使其成为原子或分子 分解后的分子或原子扩散到150-450度基板上。 HWCVD法非晶薄膜含氢量比RF-PECVD低，所以性能稳定 HWCVD沉积速率高（150-300A/sec），但均匀性差。 总体而言，HWCVD非晶硅薄膜比PECVD薄膜电池转化效率低,非晶硅沉积技术-HWCVD,合金薄膜形成,SiH4中惨入GeH4，CH4，O2，NO2，NH3形成薄膜a-SiGex,a-SiCx,a-SiOx,a-SiNx。 A-SiGx中Ge含量越高，能隙
33、越低，但Eg1.4时，合金薄膜缺陷增大 Si，Ge沉积均匀性控制 GeH4，SiH4分解速率差异，靠近气体入口端含Ge高 由于GeH4与Si2H6分解速率相近，故使用Si2H6代替SiH4能够取得大面积均匀合金模,硅薄膜太阳电池制备流程,longsun,Unisolar 的镀膜装置,非晶硅太阳能电池的衰减和可靠性,a-Si:H的电导率和光电特性因光照会发生衰减，该现象由Stabler和Wronski发现，因而称为S-W效应。 S-W效应是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效应，光使非晶硅产生中性悬挂键等亚稳缺陷，因此a-Si膜制备的太阳能电池，经过照射后会产生变化，是由短路电流密度Jsc及FF的
34、降低造成的。 特性变化与光照时的负载状态密切相关，如果在反向偏压状态，就没有发现特性变化。 非晶硅太阳能电池的光致衰减效应，会产生10%30%的电性能衰减，限制了非晶硅太阳能电池作为功率发电器件的大规模应用。,对于光衰机制，比较一致的看法是，光致衰退与非晶硅材料中氢运动有关。 比较重要的模型有: l) 光生载流子无辐射复合引起弱的si-si键的断裂，产生悬挂键，附近的氢通过扩散补偿其中的一个悬挂键，同时增加一个亚稳态的悬挂键; 2)布朗兹提出的新模型认为，光生电子相互碰撞产生两个可动的氢原子，氢原子的扩散形成两个不可动的si一H键复合体，亚稳态悬挂键出现在氢被激发的位置处，此模型可定量地说明光
35、生缺陷的产生机理，并可解释一些主要的实验现象。,理想的非晶硅材料应该既没有微空洞等缺陷，也没SiH2等复合体。材料密度应该尽量地接近理想的晶体硅的密度，硅的悬挂键得到适量氢的完全补偿，使得态密度低，结构保持最高的稳定性。寻找理想廉价的工艺技术来实现这种理想的结构，应能从根本上消除光致衰退。,解决非晶硅薄膜材料光致衰退效应的另一个办法是对薄膜的结构进行改良。微晶硅薄膜由于具有高的吸收系数和无明显光致衰退现象，又具有非晶硅薄膜易实现大面积制备、集成化的优点。因此，要消除光致衰退现象，是可以通过制备微晶硅和非晶硅混合态结构的薄膜来实现的。,90,Silicon thin-film solar cel
36、ls: challenges,非晶硅太阳电池的最大缺点是转换效率较低，且因光致衰减影响，其效率会随时间增加而逐渐降低。对于这些问题的解决现在有了很大突破，非晶硅薄膜电池的研究工作主要集中在提高效率和稳定性方面，主要包括以下几点： 通过有不同带隙的多结叠层提高效率和稳定性； 降低表面光反射 改进电池结构 使用更薄的本征层，以增强内电场、降低光致衰减。,多结硅基薄膜太阳电池,由于太阳光具有很宽的光谱，对于太阳电池有用的光谱区覆盖紫外光，可见光和红外光。显然用一种禁带宽度的半导体材料不能有效地利用所有太阳光子的能量。 一方面对于光子能量小于半导体禁带宽度的光在半导体中的吸收系数很小，对于太阳电池的转
37、换效率没有贡献。 另一方面对于光子能量远大于禁带宽度的光，有效的能量只是禁带宽度的部分，大于禁带宽度的部分能量通过热电子的形式损失掉。 基于这种原理，利用多结电池可以有效地利用不同能量的光子。 在以非晶硅，非晶锗硅合金和微晶硅为吸收材料的太阳电池中，多采用双结或三结的电池结构。,叠层电池的转换效率主要受光生电流的限制，因此，叠层电池设计和实现的关键问题是合理选择各子电池i层的能隙宽度和厚度，以获得最佳电流匹配，使转换效率最大。同时也要控制各个掺杂层的厚度，以减少其对入射光子的吸收，也减少光生载流子在这些缺陷密度较高的薄层中的复合损失。,非晶硅/微晶硅型叠层太阳能电池,薄膜非晶硅/微晶硅叠层电池
38、，即以非晶硅为顶电池，以微晶硅为底电池的叠层电池，是目前获得高效率高稳定性硅基薄膜太阳能电池的最佳途径之一。 这是因为，叠层电池的非晶硅子电池的本征吸收层较原来的单结电池吸收层薄，可以抑制S-W效应的作用，大大提高电池的稳定性。 以微晶硅为底电池可以将硅基薄膜太阳能电池的红光响应由微晶硅电池的700nm扩展到微晶硅电池的1100nm，大大提高电池对太阳光的光谱吸收范围。,非晶硅薄膜太阳能电池采用普通浮法玻璃作为载体，在玻璃上涂有透明导电膜TCO，主要成分是SiO2。 光透过透明的TCO薄膜后，被电池吸收，要求TCO有较高的透过率；另一方面TCO是导电的，可以作为电池的一个电极。 太阳能电池就是
39、以TCO薄膜为衬底生长的，用PECVD生长的太阳能电池层也称为有效层。 有效层包括两个p-i-n结串联的双结结构。 与TCO连接的第一结称为顶层非晶硅层a-Si:H，能吸收短波长光子，与非晶硅层连接的第二结称为底层微晶硅层c-Si:H，能吸收长波光子。这种结构有较高的光电转换效率。 通过磁控溅射制作Al/Ag电极连接着有效层的被电极。 最后，用防护玻璃罩密封EVA箔进行叠层，构成叠层电池。,叠层结构有如下优点：既可以分割更宽幅度的光谱进行吸收，也可以更有效地利用光；可以得到高的开路电压； 当使用a-Si材料时，可以观察到由于光致衰减效应引起的光电转换特性下降的速率得到了一定的抑制。,南开大学成
40、果（1）,先进的光管理设计及其实现研究,98,实现电池有源层的“电薄”而“光厚” 在提高电池转换效率同时，降低电池制造成本；,南开大学成果（2）,多尺度绒面结构，对不同波长的光分别进行散射.,玻璃衬底,大特征尺度陷光结构,小特征尺度陷光结构,增强短波耦合,散射长波,南开大学成果（3）,南开大学成果（4）,120nm有源层的超薄非晶硅太阳电池,南开大学成果（5）,线性梯度优化有源层和界面的非晶硅锗电池,线性带隙梯度结构，其带隙沿着生长方向从1.49eV逐渐线性渐变到1.61eV。非晶硅锗效率达 7.65% (Jsc=14.57mA/cm2, Voc=0.791V, FF=66.43%)。,南开大
41、学成果（6）,高效率单结非晶硅锗电池的获得,a-SiGe:H本征层采用最优带隙梯度方法 结合具有低氧含量n型c-SiOx:H材料(S2)(G+O)制备的a-SiGe:H单结电池。,南开大学成果（6续）,单结非晶硅锗太阳电池效率图,1 Kim S, et al Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 2013, 119: 26-35 2Folsch J, et al. Photovoltaic Specialists Conference, 1996. 3 Jimenez Zambrano R et al. Journal of Non-Crystalline Solids,
42、2002, 299: 1131-1135 4 Arya R R, Photovoltaic Specialists Conference, 1988 5 Schuettauf J W et al Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 2015, 133: 163-169. 6 Bofei. Liu et al Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 2015, 140: 450-456; Bofei. Liu et al Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 2014, 128: 1-10 SCI大类一区 影响因子5.337,数据来源：
43、,南开大学成果（7）,ARC: Photovoltaic Materials and Devices LaboratoryDelft University of Technology.,L. Bai et al. 26th ICANS, Achaen, Germany. September 14-18 2015 (oral),最高效率的微晶硅单结薄膜太阳电池,南开大学成果（7续）,IMT: Meier J, et al. Appl. Phys. Lett.,1994, 65(7): 860-862. Jlich: Mai Y, et al. Appl. Phys. Lett.,2005, 87
44、(7): 73503-73503. Utrecht : Gordijn A, et al. Prog. Photovoltaics Res. Appl., 2006, 14(4): 305-311. IMT: Hanni S, et al. Photovoltaics, IEEE Journal of, 2013, 3(1): 11-16. LG: Kim S, et al. Sol. Energy Mater. Sol.Cells, 2013, 119: 26-35. Delft: Tan H, et al. Appl. Phys. Lett.,2013, 103(17): 173905.,
45、L. Bai et al. 26th ICANS, Achaen, Germany. September 14-18 2015 (oral),单结微晶硅太阳电池效率图,南开大学成果（8）,多结太阳电池,南开大学成果（8）,南开大学成果（8续）,a-Si/a-SiGe/uc-Si triple junction solar cell,1A. Lambertz et al. Proceedings of the 15th European PVSEC, Glasgow, 2000. 2 Bjoern Niesen et al. Light-management strategies for thin-film silicon multijunction solar cells. 3 Kim S, et al. Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 2013, 119: 26-35. 4 C. Das, et al. 18th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, 2009.,仅低于韩国LGE公司,非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳电池效率图,南开大学成果（8续）,
