大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)與制備的實現(xiàn)

1引言

眾所周知，利用太陽能有許多優(yōu)點，光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源，但目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費(fèi)者接受，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo)，從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因為;[1]可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少;[2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料;[3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時)可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級;[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)。

a-Si:H太陽電池的出現(xiàn)，猶如一道曙光，照亮了太陽電池大規(guī)模地面向應(yīng)用的道路，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，其制備工藝日趨穩(wěn)定和成熟，它巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和廉價的制備工藝向人們說明：太陽能要從補(bǔ)充能源走向替代能源，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和制備方法是必須采納的，否則太陽電池昂貴的價格將會成為其發(fā)展的瓶頸。本文闡述了a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備分析，同時對影響其性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了討論。

2大面積單結(jié)集成型a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)

a-Si:H太陽電池是在玻璃基板上利用輝光放電沉積形成非晶硅PIN結(jié)構(gòu)的平板式光電換能器件，單電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)太陽光照射到電池上時，電池吸收光能產(chǎn)生電子-空穴對，在光電池的內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，光電池的兩端出現(xiàn)異性電荷積累，即產(chǎn)生光生電壓，若在兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有光生電流流過，從而獲得功率輸出。圖2示出了a-Si:H太陽電池的等效電路。IL為光生電流，Id為二極管的暗電流，Rsh為并聯(lián)電阻，Rs為串聯(lián)電阻，RL為負(fù)載電阻。

目前，a-Si:H單電池的開路電壓Uoc約為0.8V,工作電壓Um約為0.55V,短路電流密度Jsc約為13.4mA/cm2,工作電流密度Jm約為11mA/cm2.這么小的電能輸出基本上沒有用處，若要輸出較高的電壓和較大的電流，就必須在結(jié)構(gòu)上采取有效的串并聯(lián)措施。

圖1a-Si:H單電池結(jié)構(gòu) 圖2a-Si:H太陽電池的等效電路

2.2 集成型a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了獲得一定的功率輸出，就必須把眾多的a-Si:H太陽電池有效地串并聯(lián)起來，然而，a-Si:H太陽電池是一種薄膜器件，靠外引線串聯(lián)既不可靠也不方便，因而在制備時就必須考慮在內(nèi)部集成。圖3示出了它的內(nèi)部集成結(jié)構(gòu)圖。圖中1、2、3、4為四個單電池，組合形式為串聯(lián)，電流流動方向如圖中所示。

圖3集成型a-Si:H太陽電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

若要設(shè)計一個給6V、4AhVRLA蓄電池充電的a-Si:H太陽電池組件，那么所需的太陽電池組件的工作電壓為：

Um≥3×UT+Ud=8V

式中：UT為VRLA蓄電池的過充閾值電壓，Ud為防反充二極管的正向壓降。

由于單節(jié)a-Si:H太陽電池的工作電壓約為0.55V,則至少需15節(jié)電池串聯(lián)，若按C/10的電流充電，則所需的a-Si:H太陽電池組件的輸出電流至少應(yīng)大于400mA,那么單節(jié)太陽電池的面積至少應(yīng)大于37cm2,考慮到內(nèi)部串聯(lián)布線所占的面積，最后單節(jié)太陽電池的面積取為1×51cm2.

因此所要求的a-Si:H太陽電池組件為15節(jié)單電池面積為1×51cm2的太陽電池串聯(lián)。

3大面積單結(jié)集成型a-Si:H太陽電池的制備分析

a-Si:H太陽電池由多層薄膜有機(jī)結(jié)合而成，制備時按圖4的工藝順序制作。

圖4a-Si:H太陽電池工藝順序

3.1TCO的制備

TCO玻璃是指在平板玻璃表面通過物理或化學(xué)鍍膜方法均勻的鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜(Transparent CONductive Oxide)而形成的組件。對于薄膜太陽能電池來說，由于中間半導(dǎo)體層幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?，因此必須使用TCO玻璃有效收集電池的電流，同時TCO薄膜具有高透和減反射的功能讓大部分光進(jìn)入吸收層。TCO玻璃的生產(chǎn)工藝TCO玻璃工藝主要分為超白浮法玻璃生產(chǎn)、TCO鍍膜。超白浮法玻璃生產(chǎn)工藝難度較高，目前世界上主要供應(yīng)商有日本旭硝子、美國PPG、法國圣戈班等，國內(nèi)供應(yīng)廠家有限，目前僅金晶科技、南玻、信義能夠供貨。

TCO為絨面SnO2:F薄膜，它可由化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝來制備，制備選用平直度好、透射率高、新鮮、無污染、無水腐蝕的浮法玻璃做襯底，將其切割成上述計算的面積大小，洗滌烘干后送入CVD爐開始沉積，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

SnCl4+O2=SnO2+2Cl2

SnCl4+2H2O=SnO2+4HCl

沉積完后將其放在釔釹石榴石激光器的平臺上進(jìn)行激光刻劃，刻劃的多少由所要求的串聯(lián)電池數(shù)決定。

3.2P層的制備

P層成份為a-Si:H:B:C,制備工藝為等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)，它是一種高頻(13.56MHz)輝光放電物理過程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，此法的優(yōu)點是沉積速率快，成膜質(zhì)量好，針孔少，不易龜裂，沉積的氣源為SiH4,CH4,B2H6和He的混合氣體。B2H6用來實現(xiàn)材料攙雜，He用作稀釋氣體，CH4的攙入是為了改善P層的光學(xué)性質(zhì)。通過改變沉積過程中的氣體分壓比，就可以獲得含C量不同的P層(a-Si:H:B:C)薄膜，而不同的含C量，就有不同的光電性質(zhì)。

3.3I層的制備

I層成份為a-Si:H,制備工藝仍為PECVD,沉積的氣源為SiH4和H2.本征層是光生電流的產(chǎn)生區(qū)，因而其成膜質(zhì)量直接影響到a-Si:H太陽電池的性能，其性能主要由制備時的放電功率、基體溫度、反應(yīng)壓力和氣體流量來決定。成膜過程中，在保持一定的成膜速率下，盡量采用低的放電功率以提高薄膜的光電子學(xué)性能。

3.4N層的制備

N層為a-Si:H:P,沉積的氣源為SiH4、PH3、H2和He的混合氣體，其中PH3用來實現(xiàn)材料攙雜。a-Si:H:P薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性能同基體溫度、氣源配比、反應(yīng)壓力、放電功率和氣體流量等因素緊密相關(guān)。

在制備上述各層薄膜的過程中，反應(yīng)壓力、放電時間、氣體流量和反應(yīng)室溫度均由計算機(jī)自動監(jiān)測和控制，所需的控制參數(shù)由軟件來實現(xiàn)。

各層薄膜制備完畢后，將組件放到機(jī)械梳刻臺上械梳，刻線線寬應(yīng)小于0.2mm,硅刻線應(yīng)緊貼在激光刻線的近旁，兩者的公差為0.2~0.7mm,刻透率應(yīng)大于80%,目的是形成各單電池的非晶硅層，并使Al與TCO良好接觸。

3.5蒸鋁

采用真空蒸發(fā)的方法制做Al電極，在集成型a-Si:H太陽電池中，鋁不但用作各子電池的負(fù)極，而且它將各單電池在結(jié)構(gòu)上串聯(lián)起來。除此之外，鋁薄膜還可反射沒有被非晶硅合金層吸收的長波限光子，增加太陽電池對光的利用率。

按上述要求設(shè)計制備出的集成型a-Si:H太陽電池組件，在美國CHRONAR公司的太陽電池測試臺上測出的電池輸出特性如圖5所示。測試條件為：標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，AM1.5,100mW/cm2,25℃。從結(jié)果來看，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖5實驗集成型a-Si:H太陽電池的輸出特性

4結(jié)論

集成型a-Si:H太陽電池結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝成本較低，容易設(shè)計成不同的形式以滿足不同的用戶需求。它的出現(xiàn)，極大的促進(jìn)了整個太陽電池行業(yè)的發(fā)展。

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