a_Si_H薄膜太阳能电池(3)

爱的

建材世界

产,现成为国际公认的成熟技术。

在制备工艺上采用了用H等离子体化学退火法、H2稀释法、He稀释法以及掺入氟等惰性气体法等,均取得了一定效果。

在材料研究方面,先后研究了用a-SiC或 C-SiC代替a-Si做窗口层、采用梯度界面层、 C-SiC做p层等,明显改善了电池的短波光谱响应。这是由于a-Si太阳能电池光生载流子的生成主要在i层,入射光到达i层之前部分被p层吸收对发电是无效的。而a-SiC和 C-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙,因此减少了对光的吸收,使到达i层的光增加;加之梯度界面层的采用,改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性。

在增加长波响应方面,采用了绒面TCO膜代替平面、并采用绒面多层背反射电极和多带隙叠层结构,即lass/TCO/p1-i-lnl/p2-i2-n2/p3-i3-n3/ZnO/Ag/Al结构[12,14]。绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失,并增加了光在i层的传播路程,从而增加了光在i层的吸收。多带隙结构中,i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小,以便分段吸收太阳光,达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等,以改善载流子收集。

为了适应实际应用中高输出电压的需要,又发展了集成型a-Si太阳电池子组件,其中多个子电池可通过蒸发法实现内部联接在一个绝缘衬底上而不需要任何导线。激光切割技术的使用使有效面积达到90%以上,所有这些新技术的采用使小面积a-Si太阳电池的转换效率和大面积太阳电池子组件的效率不断提高。集成型a-Si H太阳电池的内部结构如下图2所示。下面重点介绍叠层型非晶硅薄膜太

阳能电池。

2009年 第30卷 第5期

率达到10.1%,使用a-Si/a-Si叠层电池有利一面是可以降低生产成本,不利的一面是电池的效率偏低,因此并不是叠层电池发展的方向。由于非晶硅的能带结构使其对长波光几乎没有响应,因此为了扩展太阳光谱的利用范围,从20世纪80年代开始,研究人员把比非晶硅带隙低的a-SiGe与a-Si叠在一起形成a-Si/a-SiGe双结或者a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构。目前,Sanyo公司的小面积(1cm2)a-Si/a-SiGe电池实现10.9%的稳定效率[8]。USSC公司的小面积(0.25cm)a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层电池的初始转换效率可达到14.6%,稳定效率为13.0%。但是由于制造能带小于1.5eV的器件级质量的a-SiGe比较困难,同时GeH4的价格昂贵,研究人员开始选择另外的材料代替a-SiGe。1994年,Meier等人首次使用VHF技术沉积微晶硅薄膜太阳能电池,电池的转化效率超过7%,这证明了微晶硅薄膜可以用做电池的吸收层。同年,Meier等人还首次提出a-Si/mc-Si叠层电池概念,并使叠层电池的转化效率达到9.1%。图3左图为a-Si/mc-Si的结构示意图,右图为a-Si/a-Si薄膜叠层电池与a-Si/mc-Si薄膜叠层电池的光谱响应图。由于微晶硅的能带是1.1eV,而非晶硅的能带是1.7eV左右,两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。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。这种新型a-Si H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/mc-Si叠层电池作为下一代薄膜电池已经开始大规

模产业化。

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图3 p--in结构的a-Si/a-Si叠层电池与

a-Si/mc-Si叠层电池的光谱响应图

图2 集成型a-Si:H太阳电池的内部结构图

5 a-Si H薄膜太阳能电池的应用前景

目前,a-Si H薄膜太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门,尤其可以分散在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段,它的成本还很高,发出1kW电需要投资上万美元,因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是,从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光-电转换装置的发

4 叠层型a-Si H薄膜太阳能电池

在单结薄膜电池中由于S-W效应(光致衰退)的存在会使电池效率衰退15%~30%,同时在大面积产业化中非晶硅组件的效率只有5%~7%,严重影响了产业化的发展。提高a-Si H薄膜电池效率的一个有效途径是使用叠层电池技术。Fuji公司在1cm2的小面积上实现a-Si/a-Si叠层电池的稳定效