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一文读懂非晶硅太阳能电池及其应用
  • 2019-04-02 13:52:42
  • 浏览:1323
  • 来自:毛富利

目前光伏市场上,制作太阳能电池使用的最多的材料就是硅,其中主要分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池,前两种,由于所用材料是间接带隙半导体——吸收太阳能时需要一定的厚度,PN结比较厚(一般大于200微米),所以其硅原料消耗较多,成本相应较高,电池板的价格居高不下,其所造成的硅浪费也比较大,而硅是十分多用途的重要半导体。

非晶硅为直接带隙半导体,光辐射吸收范围广,所需厚度薄,故此非晶硅薄膜太阳能电池可以做得很薄,光吸收薄膜总厚度大约1微米,非晶硅以其原料消耗少,低成本以及较好的性能而得到市场的青睐。

非晶硅太阳能电池的特点

低成本

1、硅材料用料少,可充分吸收光,单晶要200μ厚,非晶1μ厚(非晶硅光吸收系数大)。

2、主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷,这种气体,化学工业可大量供应,且十分便宜,制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4(效率高于6%)。

3、晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um,相差200多倍,大规模生产需极大量的半导体级,仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-70%,在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到RMB22以上。

从原材料供应角度分析,人类大规模使用阳光发电,最终的选择只能是非晶硅太阳电池及其它薄膜太阳电池,别无它法!

易于形成大规模

因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜;只需改变气相成分或者气体流量便可实现pn结以及相应的叠层结构;生产可全程自动化。

品种多,用途广

薄膜的a-Si太阳能电池易于实现集成化,器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造,可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高,暗电导很低,适合制作室内用的微低功耗电源,如手表电池、计算器电池等。由于a-Si膜的硅网结构力学性能结实,适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池。灵活多样的制造方法,可以制造建筑集成的电池,适合户用屋顶电站的安装。

由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列,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。因而它几乎可以淀积在任何衬底上,包括廉价的玻璃衬底,并且易于实现大面积化。

性能好

在同等光照条件下,非晶硅薄膜电池比单晶硅电池年发电量增加15%左右。非晶硅电池还具有最高的效率质量比(即材料轻而效率又比较高),其效率质量比是单晶电池的6倍,适宜将来太空太阳能电站的发展。

非晶硅太阳能电池的发展历史

自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后,就意识到它在太阳能电池上的应用前景,开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。

1976年:RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池,采用了金属-半导体和p-i-n两种器件结构,当时的转换效率不到1%。

1977年:Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。

1978年:集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。

1980年:ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池,采用的是金属-绝缘体-半导体(MIS)结构;同年,日本三洋公司向市场推出了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。

1981年:开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。

1982年:市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表,充电器、收音机等商品。

1984年:开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。

非晶硅太阳能电池是最有希望的太阳能电池。因而它在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上升。从其诞生到现在,全世界以电力换算计太阳能电池的总生产量的约有1/3是非晶硅系太阳能电池,在民用方面几乎占据了全部份额。

非晶硅太阳能电池结构

非晶硅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。这是因为: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高,少子寿命低,电池的性能会很差。因此,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。

非晶硅太阳能电池内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中载流子主要由于扩散而移动不同,在非晶硅太阳能电池中,光生载流子主要依靠太阳能电池内电场作用做漂移运动。

在非晶硅太阳能电池中,顶层的重掺杂层的厚度很薄几乎是半透明的,可以使入射光最大限度地进入未掺杂层并产生自由的光生电子和空穴。而较高的内建电场也基本上从这里展开,光生载流子产生后立即被扫向n+侧和p+侧。

由于未掺杂的非晶硅实际上是弱n型材料,因此,在淀积有源集电区时适当加入痕量硼,使其成为费米能级居中的i型,有助于提高太阳能电池的性能。因而在实际制备过程中,常常将淀积次序安排为p-i-n,以利用淀积p层时的硼对有源集电区进行自然掺杂。这一淀积顺序决定了透明导电衬底电池总是p+层迎光,而不透明衬底电池总是n+层迎光。

非晶硅叠层电池对于单结太阳能电池,即便是用晶体材料制备的,其转换效率的理论极限一般在AM1.5的光照条件下也只有25%左右。这是因为,太阳光谱的能量分布较宽,而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能,就是将能量传递给电池材料本身的原子,使材料发热。这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此,这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。

为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域, 用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池, 使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱,如图所示, 具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。

非晶硅薄膜太阳电池生产及制造流程

非晶硅薄膜太阳电池的生产线主要包括如下设备:导电玻璃磨边设备,导电玻璃清洗设备,大型非晶硅薄膜PECVD生产设备(包括辅助设备),红外激光、绿激光刻线设备,大型磁控溅射生产设备,组件测试设备。

1、磨边:磨去玻璃所有边角的锐口,并保证透明导电玻璃的八条棱边要有倒角处理。

2、一次清洗:清洗烘干,并确保透明导电玻璃表面(双面)洁净度。

3、激光一刻划:在透明导电玻璃上刻线,预留出一定数目的子电池衬底,使得子电池间不能短路, 且使用万用表测量>1MΩ(兆欧姆),在生产中我们使用20KΩ进行测量导电膜上(双结产品:有39单元,子电池间距为15.5mm)。

4、二次清洗:清洗烘干,并确保透明导电玻璃表面洁净度。

5、装片:把导电玻璃装至工件架内以便预热及镀膜,装片过程中需要确保导电玻璃膜面不装反。

6、预热:将导电玻璃预热到PECVD沉积所需要的温度(预热炉温215℃ ),并确保导电玻璃的温度均匀性。

7、PECVD:真空下在导电玻璃上沉积大面积均匀PIN层,沉积后电池芯片无明显色差、条纹,用手电筒照射观察电池芯片无明显针孔现象。

8、冷却(卸片):玻璃在工件架中降温后卸下,高温不宜卸片工件架里的玻璃,否则会弯曲或炸裂。

9、激光二刻划:用532绿色激光机在已沉积硅薄膜的半成品芯片上刻线,预留作连接子电池的导电沟道刻划效果:激光刻线要求不伤导电膜层,刻划干净彻底,激光光斑均匀、圆滑,光斑不能为异形或椭圆形、不能有毛刺。

10、PVD(磁控溅射):镀背电极(AL或AZO+AL),镀铝后电池芯片无脱膜现象,背电极电阻小于10欧。

11、激光三刻划:在镀铝背电极的半成品芯片上刻线,完成子电池的串联。

12、扫边:清除芯片四个边边缘10mm区域,以达到绝缘状态。

13、退火:通过热处理重组薄膜材料微观结构,提高其稳定性,可以提高电池芯片的转化效率。

14:测试:测试电池芯片的电性参数。

15、反压:对芯片的缺陷进行反压修补,以提高芯片的转化效率。

非晶硅薄膜太阳电池制备工艺的流程为所有光伏电池中流程最短。但是对非晶硅半导体膜系的真空PECVD制备从膜系设计到工艺过程控制的要求是非常严格的。

当前小面积电池的实验室制备已达到接近15%的光电转换效率,而工艺生产的大面积组件在大多数生产线上还未达到认证效率6%。理论上大面积组件的极限是小面积器件的85-90%, 小面积器件与 组件的光电准换效率的差距体现了一条生产线的技术水平。

国际上少数非晶硅生产线已制备出认证效率8%以上的组件, 由于几乎所有其他类型的光伏组件(包括当前热议的微晶硅薄膜电池)在实际运行高温情况与阴天低照度下性能不佳的问题而唯独非晶硅组件在这些实际运行条件下表现优秀的性能,所以其它类型的大面积薄膜电池的低成本规模制造出认证光电转换效率超过12%的组件以前,即使在规模发电应用,非晶硅光伏组件以其最低的制造成本,适中的,并不像误传的那么差的光电转换效率,是无法被淘汰的,且不说美丽的半透明组件以及可以弯曲,质量轻又不易破碎的柔性组件等只有非晶硅具备的优越性能的应用了。

非晶硅材料的缺陷——光致衰退效应

利用氢掺杂的非晶硅薄膜制作的太阳能电池薄膜存在一个致命的缺点——光致衰退效应。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(键能323), 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原子 , 使其周围的Si -H 键松动, 致使相邻的H 原子结合为H 2,(H-H键键能436) 便于形成H2的气泡。其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减,这样将大大影响太阳能电池的性能。同时,由于其光学带隙为1.7eV,使得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。

作为解决方案可以将电池中i层的厚度减薄,同时为了避免厚度减薄带来的对入射光吸收的减弱,可以用多个电池串联的方式,形成多级太阳能电池组以保证足够的光吸收。叠层太阳能电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池。

如上图中所示,在一个PIN结上又层叠了另外一个PIN结。叠层型非晶硅太阳能电池的工作原理: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,被背电极金属吸收,转变成热能;而高能光子超出能隙宽度的多余能量,则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子,使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载,变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池,即使是晶体材料制成的,其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。若太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样的电池结构就是叠层电池。

再者,由光致衰退导致的转换效率下降的非晶硅电池在130-175摄氏度退火后,其中H-H键断裂,重新形成Si-H键,其效率可恢复到原始值的80%-97%,这是其他电池所不具备的性能。

非晶硅电池性能影响因素及发展前景

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。 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。

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。

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