大面積單結集成型a－Si:H太陽電池的結構與制備的實現

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，被廣大的消費者接受，提高太陽電池的光電轉換效率，降低生產成本應該是我們追求的最大目標，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]多晶硅的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期(50小時)可生產200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級;[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產。

a-Si:H太陽電池的出現，猶如一道曙光，照亮了太陽電池大規(guī)模地面向應用的道路，經過十幾年的發(fā)展，其制備工藝日趨穩(wěn)定和成熟，它巧妙的結構設計和廉價的制備工藝向人們說明：太陽能要從補充能源走向替代能源，這種結構設計技術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太陽電池的結構設計與制備分析，同時對影響其性能的工藝參數進行了討論。

2大面積單結集成型a-Si:H太陽電池的結構設計

2.1 a-Si:H太陽電池的結構

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結構的平板式光電換能器件，單電池的結構如圖1所示，當太陽光照射到電池上時，電池吸收光能產生電子-空穴對，在光電池的內建電場作用下，光生電子和空穴被分離，光電池的兩端出現異性電荷積累，即產生光生電壓，若在兩側引出電極并接上負載，則負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為并聯電阻，Rs為串聯電阻，RL為負載電阻。

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，就必須在結構上采取有效的串并聯措施。

圖1a-Si:H單電池結構 圖2a-Si:H太陽電池的等效電路

2.2 集成型a-Si:H太陽電池的結構設計

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起來，然而，a-Si:H太陽電池是一種薄膜器件，靠外引線串聯既不可靠也不方便，因而在制備時就必須考慮在內部集成。圖3示出了它的內部集成結構圖。圖中1、2、3、4為四個單電池，組合形式為串聯，電流流動方向如圖中所示。

圖3集成型a-Si:H太陽電池的內部結構圖

若要設計一個給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，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大于400mA,那么單節(jié)太陽電池的面積至少應大于37cm2,考慮到內部串聯布線所占的面積，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。

3大面積單結集成型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結合而成，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鍍膜方法均勻的鍍上一層透明的導電氧化物薄膜(Transparent CONductive Oxide)而形成的組件。對于薄膜太陽能電池來說，由于中間半導體層幾乎沒有橫向導電性能，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入吸收層。TCO玻璃的生產工藝TCO玻璃工藝主要分為超白浮法玻璃生產、TCO鍍膜。超白浮法玻璃生產工藝難度較高，目前世界上主要供應商有日本旭硝子、美國PPG、法國圣戈班等，國內供應廠家有限，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)生的化學反應如下：

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行激光刻劃，刻劃的多少由所要求的串聯電池數決定。

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型化學氣相沉積(PECVD)，它是一種高頻(13.56MHz)輝光放電物理過程和化學反應相結合的技術，此法的優(yōu)點是沉積速率快，成膜質量好，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層的光學性質。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。

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生區(qū)，因而其成膜質量直接影響到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用來實現材料攙雜。a-Si:H:P薄膜的結構和光電性能同基體溫度、氣源配比、反應壓力、放電功率和氣體流量等因素緊密相關。

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

各層薄膜制備完畢后，將組件放到機械梳刻臺上械梳，刻線線寬應小于0.2mm,硅刻線應緊貼在激光刻線的近旁，兩者的公差為0.2~0.7mm,刻透率應大于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極，而且它將各單電池在結構上串聯起來。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：標準光強，AM1.5,100mW/cm2,25℃。從結果來看，達到了設計要求。

圖5實驗集成型a-Si:H太陽電池的輸出特性

4結論

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

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