第十届中国晶硅太阳能能光伏会議论文鑫 微晶硅薄膜晶硅太阳能能电池的研究进展 王林申 , 张德贤 ’, 陶科 , 薛颖 , 姜元建 , 赵敬芳 南开大学天津 摘要 关键词 硅薄膜晶硅太阳能电池技术是光伏领域最具低成本优势的光伏技术 , 目前已成为各国光伏计划支持的重点 相比于 非晶硅电池 , 相变区的微晶硅薄膜晶硅太阳能电池幾乎没有光致衰退 , 且具有良好的长波段光谱响应特性 , 可以和 非晶硅薄膜电池相结合制备成叠层电池 。 而当电池衬底使用柔性薄膜材料后 , 薄膜电池的研制工艺技术更具 有特殊性 本文回顾了硅基薄膜电池的研究历史 , 重点关注于微晶硅薄膜电池的研究进展以及制备在柔性衬 底上電池的特殊性 。 晶硅太阳能能电池非晶硅微晶硅柔性衬底 前言 由于硅基薄膜晶硅太阳能电池制备技术工艺简单 、 材料成本低 、 便于大面积連续生产 , 在价格上具有与常规能源 相竞争的潜力 , 因此吸引了许多团队的研究兴趣 在硅基薄膜晶硅太阳能电池中 , 由于非晶硅薄膜的光学带隙 左右 , 对红光和红外区域的长波段晶硅太阳能辐射不敏感川 , 此外 , 非晶硅电池有不可克服的光之衰退效应 也使得电池的性能不稳定 。 自从年囷首次制备了微晶硅薄膜以来 , 人们对其展开的大量 的研究 微晶硅的制备可以采用与非晶硅相兼容的技术 , 具有接近单晶硅的光学带隙 , 可将咣谱响应扩 展到红外区域和几乎没有光致衰退效应 一 , 其提高效率的潜力很大 , 成为国内外研发的重点 , 是 国际公认的新一代硅基薄膜晶硅太阳能电池材料 。 年团队提出了以微晶硅为底电池 、 非晶硅为顶电池 的亚层电池的概念 , 这种电池结合了非晶硅及其制备技术的优点和微晶硅 良恏的长波段响应和稳定性好的优 点 高效率登层电池已经被若干个研究小组报道 一 ’ ” , 其中最高效率达到了 。 以上的各种电池都可以制 备茬柔性的塑料衬底上 , 这样就可以采用卷对卷 一一 的制备技术 ,适合大面积、 连续性 、 自动化的工业 生产 , 为降低电池的陈本奠定了坚实的基础 在柔性衬底的晶硅太阳能能电池的制作中 , 年时 的研究人员提出了概念 ’ , 为柔性塑料衬底电池制备提出了一个新方法 , 下面会详 细的介绍这種方法 。 微晶硅的墓本性质 微晶硅材料分为本征微晶硅和掺杂微晶硅材料 , 掺杂材料又分为型和 型 文献中提到的微晶硅电池都 是指用本征微晶硅作为电池的吸收层层 。 现在 , 人们对微晶材料光电性质关注的同时 , 也把光电性质与微 结构联系起来 ’ 一 ’ 一般认为微晶材料是由非晶成分 、 晶粒 , 晶粒间界和空洞组成的混合相材料 】 。 微晶硅 最重要的特性体现在微结构 , 其性质主要有晶化率 、 结晶择优取向 、 晶粒大小 、 組分的键和情况等 在 年 , 等人发现在高氢稀释和低衬底温度下 , 生长的微晶硅薄膜中柱状晶粒是形态学上的主要特点 。 ’ 通讯作者张德贤 , 男副教授 一 血 面 薄膜硅晶硅太阳能电池及材料 随着氢稀释率的降低 , 材料开始从微晶向非晶过渡 , 并且柱状晶粒开始向圆球状的晶粒转变 ’ “ 。 图所示的 是微晶硅薄膜的暗场透射电子显微镜的图像 , 从这两个图中可以看出高氢稀释下的柱状生长已差不多完全贯 穿薄膜 , 对比大的柱状晶粒 , 在右下角有孪生的小晶粒和左部分的碎小晶粒当氢稀释率降低时 , 柱状的晶粒 长度比薄膜厚度要小 , 并且柱状的直径比高氢稀释时小 , 但柱狀晶粒的密度大 , 同样也存在孪生和碎小晶粒 一般制备的微晶硅在生长方向上是不均匀的 ’ , 在生长的起始阶段是一层非晶孵化层 , 其后是晶核形 成区 , 这个区域导致了其后的非晶微晶混合层 , 随着晶粒的长大 、 聚结就形成了完全的微晶区域 。 图微晶硅薄膜暗场透射电子显微镜图像 , 汾别是 , 硅烷浓度 , 等离子频率为 伪坦】 。 , 三誉 一 豁 一 豁 一 截 ︸ 斌娜回 ︸ 祖翩圳 一 — 一 一 一一一一一曰卜 一 礴 川 图微晶硅微结构随粉硅烷濃度增加而变化的示意图 微晶硅的微结构随着沉积条件的变化是不同的 , 图显示了随着硅烷浓度的增加而产生的变化 , 在左边的 高晶化率如前所述 , 从高晶化率到非晶相的过渡中 , 柱状晶粒逐渐减小 , 同时晶粒间的非晶相越来越多 , 并且 阻止了柱状晶粒的侧向生长 。 值得注意的是图右边所示的材料不是典型的非晶硅 , 而是在非晶网络中嵌着 几个纳米的微小晶粒 , 有的文献中把这种材料叫做纳米微晶硅或纳米非晶硅【 ’ , 这种材料的光电特性与非晶 硅有着明显的不同 微晶硅性质的表征 微晶硅晶化率的研究主要以拉曼散射谱为手段 , 单晶的拉曼散射峰在 一 处 , 这个峰對应着晶体硅中 的类模式 。 对于晶化率比较高的微晶硅薄膜 , 类模式通常在 一 处 而非晶硅的类模式在 一 处 ,微晶硅薄膜中在一 处有一弱峰 , 这個峰是归因于在微晶硅中孪生晶粒边界处六角形硅的出现 ’“ 。 通常 用如下公式计算材料的晶化率 第十届中国晶硅太阳能能光伏会议论文集 这里是 一 和《 一 处的高斯峰面积之和 , 是 一 处非晶硅的高斯峰面积 衍射谱能够确定晶粒的尺寸与方向 , 衍射模式可以揭示主要方向 , 也可以顯示 ,。 沉积的薄膜首先出现处的衍射峰 , 随着薄膜的生长 , 方向的峰越来越强 , 显示了方向的 择优取向 ’ 晶粒尺寸可以由 一 公式估计求得 兄 — △ 需要说明的是该公式仅适用于球形微晶粒 , 而带有优先方向的薄膜具有长柱针状的晶粒 , 因此 射线衍射谱分析将相当大的低估了晶粒尺寸 , 只囿用显微横截面才能够完成对结构形貌的评估 。 微晶硅材料的暗电导率 、 光敏性 、 激活能 、 氧含量 、 缺陷态密度等是重要的参数 因为微晶硅中有着大量 的晶粒边界 , 这就造成微晶硅容易氧化 , 从而使制备的材料呈弱型 , 对未掺杂的微晶硅相当明显 , 造成了材 料暗电导率的增大 , 光敏性的降低 。 解决这个问题的方法主要是微量硼掺杂 】 和使用钝化器 不同的研 究人员在表征器件级微晶硅薄膜时获得了不同的结果 。 南开夶学的赵颖等人通过研究不同的沉积参量对微晶硅材料特性的影响 , 以及不同系列材料和电池的研 究 , 获得了高效率微晶硅晶硅太阳能电池 , 并給出了对应的器件级微晶硅材料的条件 , 如表 所示 表器件级徽晶硅材料的表征 特特性性要求求 晶晶化率拉曼测盘 一 晶晶粒方向的择优取向姠 暗暗电导率 仪 一 一 一一一 光光敏性性 一 激激活能能 氧氧含量量 一 缺缺陷态密度度 一 微晶硅材料在电池上的应用主要分为两个方面一是作為叠层电池的底电池的吸收层 , 扩展电池的光谱响 应范围 , 提高稳定性 。 另一方面是因为微晶材料容易实现高掺杂 , 可以作为叠层电池的隧穿复匼结【 ’】 , 也 可作为掺杂层提供与透明电极的良好接触 基于柔性衬底的晶硅太阳能能电池的发展 柔性衬底的晶硅太阳能电池可以采用连續的卷对卷生产方式 , 既能提高 自动化程度 , 又可以增大电池的有效面积 。 极大的降低了晶硅太阳能电池的成本 , 因此给晶硅太阳能电池的广泛應用带来了极大的优势 柔性衬底材料一般采用不锈钢 或者聚合物塑料衬底 , 衬底材料的选择与具体的生产工艺有很大的关系 。 柔性衬底一般是不透光的或透光率很差 , 所以制备在柔性衬底上的晶硅太阳能能电池与制备在玻璃上的是非常不 同的 由于玻璃衬底透光率高 , 所以可以采用正结构 一一 的沉积顺序对比玻璃的沉积顺序 , 在柔性衬底 上 一一 的沉稠顷序就叫作倒结构 。 正结构和倒结构不仅仅是顺序的改变 , 两种电池的处理工艺也是不一样的 在倒结构电池中 , 背电极与型硅薄膜之间的界面是非常重要的 , 它不仅影响整个电池的结构和性能 , 而且硅薄膜中核的形成 、 电学特性和光学特性也是依赖于背电极的性质【 一 。 图中两图出示了不同 的背电极对整个电池结构的影响 薄膜硅晶硅太阳能電池及材料 图沉积在溅射衬底上的 一一 电池图以为衬底的 一一 界面 的 〔暗场图像 的 〔明视场图像 从上面的两个图可以看出衬底的结构对电池微结构有很大的影响图中的溅射衬底粗糙度比图中的 要小溅射衬底沉积的层材料的微晶化质量是好的 , 并且有明显的 一 界面 。 反观图 ,一 界 媔是不明显的层的厚度是有十几纳米的起伏层微晶硅是混乱的 , 并且明显的观察到了有爆裂的空洞 这 种爆裂的空洞有的可能通过很长的长喥 , 对电池的电流输运有着极大的影响户 , 从而最终影响电池的开路电 压和填充因子 。 通过上两图的对比 , 我们发现微晶硅的局部取向生长的特性 】 , 当层的中有晶核区域时 , 即 使其上的层在接近非晶生长情况下 , 也能发现包围在非晶相中柱状微晶粒通过 层如果层中没有晶粒出现 , 相同生長情况下 , 在非晶相中只能发现非常小的微晶粒 世界范围内做的比较成熟的 、 商用化的柔性衬底晶硅太阳能电池是美国 、 欧洲等 , 它们都各 洎发展了自己的生产 体系 。 下面分别介绍 , 最后介绍国内的研发生产情况 美国的发展情况 在年 , 美国的 , 发展了制备柔性非晶硅晶硅太阳能电池的连续卷对卷的试验生产 设备 , 衬底是宽的不锈钢 。 当时的光伏组件的产量仅仅是几兆瓦年 到年 , 制备了能生产一 个三叠层晶硅太阳能电池的生产线 , 产量是年 。 在年时 , 给设计了一个年产量为兆瓦的 生产线 ,, 图 。 湘年生产线示意图 , 双向非晶硅处理机 第十届中国晶硅太阳能能光伏会议论文案 这条生产线在许多方面有了改进 , 提高了生产效率和材料的质量 , 并且设计 、 安装了在线电池性能诊断设 备 , 使得对电池的性能有叻及时的了解 作者预言如果这套诊断系统设计成闭环系统 , 就能更好的稳定和控 制生产过程 , 从而提高材料的质量 。 在年时 , 耳幻 的 丫川 制備出了效率为 、 结构为 川 一 川 一 的三叠层电池 。 图为这个电池的 一 曲线和量子效率图 而到了年时 , 、 乞 制备这样三叠层的电池的效率已经達到了巧 , 他们在制备 一 时用改变氢稀释率的方法 改变 一 材料的结构 , 他们把效率的提高归因于这种方法导致的结构的改变 。 了了了 口口口口 ’ ‘ 厂 奋两 戒霖 下即 氏盯 次加喊以 诊 ‘ 一 眨 山创 二 ‘口,‘‘ 护 ‘ 。 砚 互 , 刁 石 川妞 凹 了 印 刘功 图光照为胡下的 一 曲线和子效率曲线 欧洲的發展情况 年 , 椒 比 瞅 苗 汀的研究人员提出了制作柔性衬底晶硅太阳能电池的 概念 ” ’ 这个概念的中心思想是首先把电池沉积在耐高温的临時衬底上 , 之后在把电池转移到永久衬底上 , 永久 衬底可以是柔性的 、 易卷曲的塑料衬底 。 具体的过程为用卷 对卷的方式把沉积在薄片上 , 卷对卷的方式沉积,和 层 , 沉积背反射极 , 用卷对卷的方式把单片电 池一体化 , 通过卷对卷的迭片结构把电池转移到聚合物衬底上 , 通过卷对卷的湿法刻蝕消除临时衬底 , 卷对卷的封装 自从这个概念提出以后 , 已经报道了许多基于这个概念的实 验 。 基于概念 , 腼 , 获得小面 积效率为的 一一 非晶硅電池 在的实验生产 阶段 , 生产出面积为任平方厘米的单结非晶硅系列连接电池模块 , 其初始效率为 , 稳定效率为 。 之后 , 又用 实验的卷对卷生产系统制作了有效面积为平方厘米的电池组 件 , 其效率达到了 在此基础上实验了非晶微晶叠层电池 , 圈面积为 嫩 的电池组件 其初始效率为 户 。 鉯上电池的沉积都是用一系统 , 沉积速率比较低 有人用 一 以沉积的电池 , 小面积 一 的效率为 , 而面积由连在一起的八 个电池组成的小型模块的媔积为 。 图 是这个组件 经过不断的努力 , 工业化的进程在不断加快 。 以上是美国 、 欧洲柔性电池发展情况 薄膜硅晶硅太阳能电池及材料 國内研究现状 年 , 哈尔滨 一 克罗拉晶硅太阳能能电力公 司研制出透明聚合物衬底非晶硅晶硅太阳能电池 。 重量比功率达 【 一 , 中科院半导体所淛备的不锈钢衬底晶硅太阳能电池采用型纳米硅作为窗口层 , 显著增大电池的 、 , 电池效率达到 南开大学光电子薄膜与器件研究所自 “ 八五 ” 攻关以来一直从事薄膜晶硅太阳能电池 方面的研究工作 , 是国内少数具有一定晶硅太阳能电池研究基础的单位之一 。 在年时 , 经过不断的优囮单结微 晶硅电池的效率已经达到了的水平 【 , 年时 , 高速而沉积的单结微晶硅电池的效率达到了 , , 其制备的非晶 微晶叠层电池效率达到了 【川 南开大学信息技术科学学院张德贤 , 蔡宏馄 , 陶科等人在研究基于聚酞亚胺衬底的晶硅太阳能能电池 , 其小面积的效率已经达到 , 相信经过优化褙电极的 处理效率能得到进一步的提高【 结论几十年来 , 微晶硅的优良特性逐渐的被人们知晓 , 器件质量级的微晶硅叠层电池已经达到工业化嘚 要求 , 虽然还需要改进 , 但是实际生产已经在进行中 。 大规模的生产还有许多东西可以改进 , 比如高速生长 、 大面积均匀性 、 气体的高效利用 、 工艺重复性等 但是我们有理由相信在我们对微晶硅的研究不断深人的今 天 , 低成本 、 大规模的非晶 纳米硅薄膜及其晶硅太阳能电池研究進展 , 功能材料 , 以”年 卷 , 仆 张晓丹 , 赵颖 ,朱 锋等 , 纯化器对制备的不同结构硅薄膜特性的影响人工晶体学报 , 仪”年 月第 期 , 第卷 ,一 俞远高 , 侯国付 , 王銳 , 薛俊明 , 赵颖 , 耿新华 , 杨瑞霞 , 徽晶硅材料及其在晶硅太阳能能电池中的应用 , 激光与光电子 进展 , 《拓年月第 卷第期 ,一 张晓丹 ,高艳涛,赵 颖 ,臼,自,翻 ︸‘︸‘ ,山,自 工 一, 八,,曰,‘ ︸性 ,︸ 气‘八月,︸月」 工 』 【 ︸、﹄内 薄膜硅晶硅太阳能电池及材料 白 , 、 么 ,一 一 , 一 、 ,, , 张晓丹 , 赵颖等 , 提高微晶硅薄膜电池效率的研究 , 物理学报 , 年月 , 第卷 , 第期 , 一 张晓丹 , 张荣发 , 赵颖等 , 耐 高速率微晶硅薄膜的制备及其在晶硅太阳能能电池中的应用半导体学报 ,

辉县市晶晶晶硅太阳能能有限公司成立于2016年09月09日注册地位于辉县市百泉镇小官庄村东七路29号，法定代表人为孙敬军经营范围包括晶硅太阳能...展开