非晶/微晶相变区硅基薄膜太阳能电池研究进展

范闪闪,杨彦斌,于威,傅广生

(1.河北工业大学 理学院，天津 300000；2.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)



非晶/微晶相变区硅基薄膜太阳能电池研究进展

范闪闪1,杨彦斌2,于威2,傅广生2

(1.河北工业大学 理学院，天津 300000；2.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

综述了非晶/微晶相变区硅基薄膜的微观结构、光电特性及其在太阳能电池中的应用进展.稳定优质的宽带隙初始晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的非晶硅一侧，其相比于非晶硅具有更高的中程有序性和更低的光致衰退特性.低缺陷密度的窄带隙纳米晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的微晶硅一侧，有效钝化的纳米硅晶粒具有较高的载流子迁移率和较好的长波响应特性.基于上述相变区硅薄膜材料的叠层电池已经达到13.6%的稳定转换效率.掺锗制备的硅锗薄膜可进一步降低薄膜的带隙宽度，引入相变区硅锗合金薄膜后，三结叠层电池初始效率已经达到16.3%，四结叠层太阳能电池理论效率可以超过20%.

非晶/微晶相变区；中程有序性； 光致衰退；叠层电池

随着社会经济的不断发展，环境污染和能源危机等问题日益突出，为实现可持续发展，清洁可再生能源已经成为调整当前能源结构重要发展方向.中国地域面积大，蕴藏着巨大的太阳能资源，每年的太阳能接收量相当于17 000亿吨标准煤[1].太阳能光伏发电以其无污染、总量大、应用形式多样等优点，已成为各国能源发展战略的重要组成部分.中国的光伏产业处在快速发展中，2015年新增光伏发电装机约15 GW，同比增长逾40%，全国光伏发电累计装机量达到约43 GW，超越德国成为全球光伏累计装机量最大的国家.在“领跑者”计划和电价下调等政策驱动下，预计2016年中国全年光伏装机市场将达到20 GW以上[2].目前光伏市场主要是基于传统晶硅电池的大型电站建设[3]，分布式光伏电站发展则刚刚起步.随着城市节能减排和绿色环保需求的日益增加，以光伏建筑一体化为特征的分布式光伏电站已经成为光伏应用的重要领域.在此方向，具有柔性、轻质为主要特征的薄膜太阳能电池将迎来重要的发展机遇.

硅基薄膜太阳能电池作为技术发展较为成熟的薄膜电池之一，具有材料消耗少、成本低、便于大面积制备等优势；当以柔性材料为衬底时，光伏组件的可卷曲、不易破碎、易于与当前屋顶和幕墙结合等优点，在光伏建筑一体化方面具有广阔发展前景[4-6].硅基薄膜太阳能电池主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)和非晶硅锗(a-SiGe)薄膜电池，分别采用不同带隙的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜和非晶硅锗合金薄膜作为本征吸光层.硅基薄膜太阳能电池面临的一个关键挑战是如何提高光电转换效率.高稳定性低缺陷的硅基薄膜材料以及基于不同带隙吸收层材料优化设计的高效电池结构是提高太阳能电池光电转换效率的关键.

研究发现在非晶硅向微晶硅转变的相变区附近可制备得到高质量硅基薄膜材料.稳定优质的宽带隙初始晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的靠近非晶硅的一侧，具有更高的中程有序性和较低的光致衰退特性.低缺陷密度的纳米晶硅薄膜处于非晶/微晶相变区的靠近微晶硅的一侧，纳米晶硅薄膜表现出更高的载流子迁移率和增强的长波响应.通过引入不同带隙的硅及硅锗本征层吸收材料，合理设计多结叠层太阳能电池结构，可以获得较高的光电转换效率.本文对国内外在非晶/微晶相变区硅及硅锗薄膜材料以及上述材料在太阳能电池方面的应用进行了总结.

1 非晶/微晶相变区硅薄膜

1.1 非晶/微晶相变区非晶硅侧的初始晶硅薄膜

非晶硅是由硅原子构成的短程有序而长程无序网络结构的半导体材料，该结构含有大量的未饱和悬键，氢可以填补其中的悬键缺陷，降低禁带中薄膜的缺陷态密度，目前所提到的非晶硅薄膜通常指该氢化非晶硅薄膜.非晶硅薄膜的带隙比晶体硅宽，具有良好的短波段响应、大的吸收系数和高的光敏性，然而，由于含有大量的未饱和悬键，其较大的光致衰退效应(SW效应)[7]导致薄膜具有非常差的稳定性.1981年Guha等[8]采用高氢气稀释的SiH4制备了氢化非晶硅薄膜，证明了该薄膜在长时间光照后的高光电稳定性特征.研究表明，位于非晶/微晶相变边缘处的非晶硅薄膜具有更低的缺陷密度和更高的光电稳定性.由于该薄膜位于非晶/微晶相变边缘靠近非晶相一侧，该结构薄膜通常称为氢化初始晶硅薄膜(Proto-Si:H)[9].

Tsu等[10]采用高分辨透射电子显微镜对不同氢稀释率条件下所制备的非晶/微晶硅的相变特征进行了分析，结果表明，在非晶/微晶相变区域，Proto-Si:H薄膜呈现为镶嵌有微晶硅的非晶硅网络结构，其中微晶硅具有宽几纳米长几十纳米的线状特征.Mahan等[11]的红外吸收光谱特性分析揭示，非晶、微晶相变区边缘非晶相一侧薄膜中存在纳米尺度的微小硅晶粒，而氢原子主要分布在这些晶粒的表面.张世斌等[12]对该类薄膜的拉曼散射特性分析揭示，微晶硅颗粒的出现有利于非晶硅薄膜的微观结构改善，Proto-Si:H薄膜相对非晶硅和微晶硅均表现出了更高的中程有序度.

与非晶硅薄膜相比，Proto-Si:H中缺陷较少导致其具有更高的光电稳定性.Guha 等[13]采用激励电平电容方法研究了Proto-Si:H薄膜缺陷与光电导特性关系，揭示了薄膜的光致衰退主要起源于光照引起的深能级缺陷态增加.郝会颖等[14]对非晶硅薄膜的瞬态I-V特性分析揭示，光照稳定性与载流子传输特性紧密相关—关联于载流子传输特性的改善，与普通非晶硅相比，Proto-Si:H薄膜的迁移率寿命乘积提高了2个量级以上.王岩等[15]对非晶硅/微晶硅的相变区薄膜的电导率进行理论模拟及实验分析的结果表明，在非晶/微晶相变边缘靠近非晶相侧的非晶硅具有较高的光电稳定性，如图1所示.相对普通非晶硅，Proto-Si:H薄膜具有较高的光吸收特性和最高的光敏性.郝会颖等[16]对非晶硅/微晶硅的相变区薄膜的光电特性分析也已揭示，非晶/微晶相变区的Proto-Si:H薄膜兼具较高的光敏性和更高的稳定性.

1.2 非晶/微晶相变区微晶硅侧的纳米晶硅薄膜

典型微晶硅薄膜由非晶、微晶和晶界组成[17-18].图2给出了不同晶化率的硅薄膜的微观结构演化示意图.随着晶化率增大，薄膜由非晶硅向微晶硅过渡，微晶形貌由圆球状逐步向柱状晶粒转变.该相变可通过调节薄膜制备过程中的氢气和SiH4的稀释比实现，薄膜生长过程中，活性氢可钝化硅悬键，促进硅晶粒的形成和生长，薄膜晶化率随稀释比的增大而增强.当晶化率过高时，薄膜中的孔洞比较多；而晶化率太低时，薄膜中非晶成分过多.Guha等[19]认为随着氢稀释的提高，非晶硅向微晶硅转化，硅晶粒尺寸变大，产生大量晶粒边界和孔洞；随薄膜厚度增加，硅晶粒尺寸进一步增大，晶粒边界和孔洞随之增大，杂质沿晶界扩散，使薄膜材料更不均匀；处在相变边缘的纳米晶硅，晶粒尺寸小且均匀，所制备的太阳能电池效率较高.

图1 有效介质假设模拟计算结果Fig.1 Result of effective medium simulation

图2 不同晶化率硅薄膜结构示意Fig.2 Structure of Si film with different crystalline fraction

处在非晶/微晶相变边缘靠近微晶相一侧的硅薄膜也称为氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜，其具有相对致密的结构以及高的载流子迁移率，所制备的电池效率和稳定性较高[20-22].Vetterl等[20]指出微晶硅向非晶硅转变边界附近的硅薄膜微观结构表现为纳米尺度的柱状晶体颗粒镶嵌在非晶硅中的混合相结构.Schropp等[21-22]发现纳米晶硅层中纳米硅颗粒长度在10～20 nm，纳米晶硅薄膜晶化率为40%～50%.郝会颖等人[23]认为晶化率为40%～50%的两相硅薄膜材料是本征层的最佳选择.Schropp等[22]认为氢气对纳米晶硅晶界缺陷较好钝化可能是纳米晶硅电池效率高的原因.Finger等[17]对不同晶化率的微晶硅材料性能进行研究发现，高晶化率微晶硅中具有较多的晶界和微孔洞，存在严重的后氧化现象和吸附现象，具有一定的非晶成分的纳米晶硅薄膜的结构相对致密，受后氧化影响较小.Houben等[18]研究不同晶化率微晶硅电池的衰退现象，发现高晶化率微晶硅电池光致衰退严重，而具有一定的非晶成分的纳米晶硅电池只有很小的衰退.

2 非晶/微晶相变区硅锗薄膜

锗材料具有比硅材料更窄的带隙，将锗加入硅中可以得到带隙范围0.7～1.7 eV的硅锗合金薄膜.硅锗合金薄膜作为中间电池和底电池的本征吸收层，应用于叠层电池中可以有效拓展光谱响应范围及提高电池的转换效率.Schüttauf 等[24]指出在叠层电池中非晶硅锗材料存在的光致衰退问题是目前需要解决的主要问题之一，高质量硅锗薄膜可在非晶/微晶相变区靠近非晶一侧制备得到，将其应用于太阳能电池时可获得更高的电池开路电压和填充因子，并可有效抑制光致衰退现象.与非晶硅薄膜类似，人们将非晶/微晶相变靠近区非晶侧的硅锗薄膜称为初始晶硅锗薄膜(Proto-SiGe:H)[21].

氢稀释率和锗含量是影响非晶/微晶相变区硅锗薄膜微结构及光电特性的重要因素.Krausea等[25]研究了硅锗薄膜的微结构和光电特性，结果揭示，氢稀释率降低导致薄膜由微晶向非晶转化；随着锗含量增加，薄膜受锗掺入的影响而更容易由微晶相向非晶相转变；非晶相薄膜的锗含量高于微晶相薄膜的锗含量，随锗含量增加，薄膜暗电导率增加，而光电导率降低；氢稀释率变化对暗电导的影响高于锗含量变化引起的影响.Sun等[26]对不同氢稀释率下硅锗薄膜的研究发现，器件级高质量微晶硅锗薄膜位于非晶/微晶相变区靠近微晶相一侧，非晶/微晶相变区边缘的微晶硅锗薄膜相比于微晶薄膜需要更高的氢稀释率才可制备得到.

3 非晶/微晶相变区硅基叠层太阳能电池

多结叠层太阳能电池设计被认为是提高硅基薄膜电池效率的有效方法.太阳光谱能量分布较宽，将太阳光谱分为连续的若干部分，采用带隙与这些光谱部分具有最佳匹配的吸收材料制备成子电池，并沿光入射方向按禁带宽度从大到小的顺序叠合起来构成叠层太阳能电池[27]，优先让波长最短的光被宽带隙材料电池利用，再让波长较长的光能够透射进去被较窄禁带宽度材料电池利用.初始晶硅薄膜具有带隙较宽、短波响应强和光吸收系数高等特点，作为本征吸光层时所需厚度较薄，可以作为顶电池材料；微晶硅薄膜在长波区域吸收系数高，可以作为中间电池或底电池材料；硅锗薄膜带隙可调，可得到带隙最低为0.7 eV的窄带隙材料，可以作为中间电池或底电池材料，进一步拓展长波响应范围.

位于非晶/微晶相变区的初始晶硅薄膜、微晶硅薄膜及硅锗薄膜已广泛应用于多结叠层太阳能电池[28-29].Schropp等[21]研究了a-Si/a-SiGe/nc-Si:H三结叠层太阳能的制备，该结构的太阳能电池的底层电池本征层为纳米晶硅薄膜，由于采用相变区硅和硅锗薄膜材料作为本征层，在柔性不锈钢衬底上电池的稳定效率达到11%，电池表现出了较好的光致衰退稳定性.Yang等[30，19]研究了a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层太阳能电池的制备，为使电池效率达到最高，每个子电池中的本征层均采用了相变区靠近非晶相一侧的过渡材料，优化后不锈钢柔性衬底上电池初始效率为14.6%，经光照1 000 h后电池稳定效率达到13%.为进一步提高电池的稳定性，Sai等[31]制备了短路电流由高稳定性μc-Si:H中间子电池限制的a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H三节叠层电池，稳定效率达到了13.6%.

硅薄膜太阳能电池的掺杂层采用相变区硅薄膜也可有效提升光电转换效率.美国Uni-Solar公司Yan等[32]制备了a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H结构的柔性三结叠层电池，初始效率达15.4%.图3给出了采用不同P型材料提升开路电压的示意图，可以看出在选取非晶/微晶相变区边缘材料作为顶电池的P型窗口层时，可有效提高顶电池开路电压到1.055 V.2011年Yan等[33]将N型氢化纳米晶硅氧薄膜材料引入a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H结构的三结NIP结构电池中，纳米晶硅氧材料兼具作为电池n型层和内反射层的双重功能.图4给出给出了该结构太阳能电池的J-V曲线及量子效率曲线，可以看出该三结电池效率提高到16.3%，并且具有较佳的填充因子及覆盖不同太阳光谱段的较高光谱响应.

Isabella等[34]模拟设计了四结高效硅基薄膜太阳能电池，对结构为NIP型的a-Si:H/a-SiGe:H/ nc-Si:H/nc-SiGe:H电池，各子电池本征吸光层材料分别采用带隙1.9 eV的非晶硅、1.5 eV的非晶硅锗、1.12 eV的纳米晶硅和0.95 eV的纳米晶硅锗，在优化的光管理条件下，模拟获得的最高电池初始效率可以接近20%.

4 问题与展望

非晶/微晶相变区两侧边缘的硅及硅锗薄膜材料表现出较高的光照稳定性及优异的光电特性.处于非晶/微晶相变区靠近非晶硅一侧的宽带隙初始晶硅薄膜相对于非晶硅具有更高的中程有序性和更低的光致衰退特性，而处于非晶/微晶相变区的微晶硅侧的纳米晶硅薄膜具有更高的载流子迁移率和更佳的长波响应.基于上述相变区硅薄膜材料的叠层电池已经达到13.6%的稳定转换效率.通过掺入锗制备的硅锗薄膜可进一步降低薄膜的带隙宽度，拓展长波方向的光谱响应范围，引入硅锗合金薄膜子电池后，三结叠层电池初始效率已经达到16.3%，四结叠层太阳能电池理论效率可以接近20%.

持续提高硅基薄膜电池转换效率仍是推动硅基薄膜电池大规模应用的关键要素.在提高电池转换效率的基础上，以柔性轻质为主要特征的高效柔性硅薄膜太阳能电池将在未来迎来重要的发展机遇.通过在材料、工艺技术等方面的不断创新将可进一步提高硅基薄膜太阳能电池转换效率.由于波长700～2 500 nm的光谱波段占太阳光能量的52%，为了更有效的利用太阳光的能量，进一步优化电池结构设计和光管理技术，通过设计全光谱、高效率多结叠层硅基薄膜太阳能电池实现太阳光谱的高效分段吸收，可有效提高电池效率.

图3 提高电池开路电压的不同技术Fig.3 Improvement of Voc bydifferent technologies

图4 a.a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三结叠层电池J-V曲线；b.量子效率曲线Fig.4 a.J-V characteristics;b.QE curves of a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H triple-junction solar cell

[1] 蔡红军，赵佳，程伟科.太阳能光伏发电系统[J].内蒙古科技与经济，2013，8:128-129.

[2] 王勃华.光伏行业2015年回顾与2016年展望[Z].光伏行业2015年回顾与2016年展望研讨会，北京，2016.

[3] CHAPIN D M，FULLER C S，PEARSON G L.A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power [J].Journal of the Applied Physics，1954，25:676-677.DOI:10.1063/1.1721711.

[4] 刘志全,杨淑利,濮海玲．空间太阳能电池阵的发展现状及趋势[J].航天器工程,2012，21(6):112-118.DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2012.06.018. LIU Z Q，YANG S L，PU H L.Development and trend of space solar array technology[J].Spacecraft Engineering，2012，21(6):112-118.

[5] 董磊．柔性薄膜电池与光伏建筑一体化[J].中国建筑防水，2011，15:27-32.DOI: 10.15901/j.cnki.1007-497x.2011.15.006. DONG L.Flexible thin film silicon solar cells & BIPV[J].China Building Waterproofing，2011，15:27-32.

[6] 李娅莉,赵欲晓,苏建梅,等．柔性太阳能电池在服装领域的应用[J].上海纺织科技，2013，41(2):1-4.

[7] SEATBLER D L，WRONSKI C R.Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si [J].Applied Physics Letters，1977，31(4):292 -294.DOI:10.1063/1.89674.

[8] GUHA S，NARASIMHAN K L，PIETRUSZKO S M.On light-induced effect in amorphous hydrogenated silicon[J].Journal of Applied Physics，1981，52(2):859-860.DOI: 10.1063/1.328849.

[9] SCHROPP R E I，VEEN M K van，WERF C H M van der ，et al.Protocrystalline silicon at high rate from undiluted silane[J]. Materials Research Society Symposium Proceeding，2004，808:841-846.

[10] TSU D V，CHAO B S，OVSHINSKY S R.Effect of hydrogen dilution on the structure of amorphous silicon alloys[J].Applied Physics Letters，1997，71:1317-1319.DOI :10.1063/1.119928.

[11] MAHAN A H，YANG J，GUHA S，et al.Structural changes in a-Si:H film crystallinity with high H dilution[J].Physical Review B，2000，61:1677-1680.DOI : 10.1103/PhysRevB.61.1677.

[12] 张世斌,廖显伯,安龙,等.非晶/微晶过渡区域硅薄膜的微区喇曼散射研究[J].物理学报，2002，51(8):1811-1815. ZHANG S B，LIAO X B，AN L，et al.Micro-Raman study on hydrogenated proto-crystalline silicon films[J].Chinese Journal of Physics，2002，51(8):1811-1815.

[13] GUHA S，YANG J，WILLIAMSON D L，et al.Structural，defect，and device behavior of hydrogenated amorphous Si near and above the onset of microcrystallinity[J].Applied Physics Letters，1999，74:1860-1862.DOI:10.1063/1.123693.

[14] 郝会颖,孔光临,刁宏伟,等.非晶/微晶相变区硅薄膜迁移率寿命乘积的研究[Z].第八届光伏会议，深圳，2004.

[15] 王岩，韩晓艳，任慧志,等.相变区硅薄膜材料的光稳定性[J].物理学报，2006，55(2):947-951. WANG Y，HAN X Y，REN H Z，et al.Stability of mixed phase silicon thin film material under light soaking[J].Chinese Journal of Physics，2006，55(2):947-951.

[16] 郝会颖,孔光临,曾湘波,等.非晶/微晶相变区硅薄膜及其太阳能电池[J].物理学报，2005，54(7):3327-3331. HAO H Y，KONG G L，ZENG X B，et al.Transition films from amporphous to microcrystalline silicon and solar cells[J].Chinese Journal of Physics，2005，54(7):3327-3331.

[17] TZOLOV M，FINGER F，CARIUS R，et al.Optical and transport studies on thin microcrystalline silicon films prepared by very high frequency glow discharge for solar cell applications[J].J Appl Phys,1997,81:7376.DOI:10.1063/1.365354.

[18] HOUBEN L，SCHOLTEN C，LUYSBERG M，et al.Growth of microcrystalline nip Si solar cells: role of local epitaxy[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2002,299-302:1189-1193.DOI:10.1016/S0022-3093(1)01138-3.

[19] GUHA S.Thin film silicon solar cells grown near the edge of amorphous to microcrystalline transition[J].Solar Energy，2004，77:887-892.DOI:10.1016/j.solener.2004.06.014.

[20] VETTERL O，FINGER F，CARIUS R，et al.Intrinsic microcrystalline silicon: A new material for photovoltaics[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2000，62:97-108.DOI:10.1016/S0927-0248(99)00140-3.

[21] SCHROPP R E I，LI H，FRANKEN R H，et al.Nanostructured thin films for multiband-gap silicon triple junction solar cells[J].Thin Solid Films，2008，516:6818-6823.DOI:10.1016/j.tsf.2007.12.089.

[22] SCHROPP R E I，RATH J K，LI H，et al.Growth mechanism of nanocrystalline silicon at the phase transition and its application in thin film solar cells[J].Journal of Crystal Growth，2009，311:760-764.DOI: 10.1016/ j.jcrysgro.2008.09.155.

[23] 郝会颖，孔光临，曾湘波，等.非晶/微晶两相硅薄膜电池的计算机模拟[J].物理学报，2005，52(7):3370-3374. HAO H Y，KONG G L，ZENG X B，et al.Computer simulation of a-Si:H /μc-Si:H diphasic silicon solar cells[J].Chinese Journal of Physics，2005，52(7):3370-3374.

[24] SCHüTTAUFN J W，NIESEN B，LÖFGREN L，et al.Amorphous silicon-germanium for triple and quadruple junction thin-film silicon based solar cells[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2015，133:163-169.DOI:10.1016/j.solmat.2014.11.006.

[25] KRAUSEA M，STIEBIG H，CARIUS R，et al.Structural and optoelectronic properties of microcrystalline silicon germanium[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2002，299:158-162.DOI: 10.1016/S0022-3093(01)01195-4.

[26] SUN J Y，JUN K K，SEONG H L，et al.Phase transition of hydrogenated SiGe thinfilms in plasma-enhanced chemical vapor deposition[J].Thin Solid Films，2013，546:362-366.DOI:10.1016/j.tsf.2013.04.071.

[27] 李毅，胡盛明.非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向 [J].真空科学与技术学报，2000，20(3): 222-225.DOI:10.13922/j.cnki.cjovst.2000.03.019. LI Y，HU S M.Development trends in amorphous silicon tandem solar cells[J].Vacuum Science and Technology，2000，20 (3):222-225.

[28] 林鸿生，林罡，段开敏.a-Si/μc-Si 叠层结构太阳能电池中的光诱导性能衰退[J].固体电子学研究与进展，2000，20(8): 313-317. LIN H S，LIN G，DUAN K M.Light-induced degradation in a-Si/μc-Si tandem solar Cells[J].Research & Progress of SSE，2000，20(8): 313-317.

[29] 薛俊明，麦耀华，赵颖，等.薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的研究[J].太阳能学报，2005，26(2): 166-169. XUE J M，MAI Y H，ZHAO Y，et al.Investigation on a-Si/μc-Si tandem solar cells[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2005，26(2): 166-169.

[30] YANG J，BANERJEE A，GUHA S.Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies[J].Applied Physics Letters，1997,70:2975-2977.DOI: 10.1063/1.118761.

[31] SAI H，MATSUI T，KOIDA T.Triple-junction thin-film silicon solar cell fabricated on periodically textured substrate with a stabilized efficiency of 13.6%[J].Applied Physics Letters,2015,106(21):113512.DOI:10.1063/1.4921794.

[32] YAN B J，YUE G Z，YANG J，et al.Correlation of current mismatch and Fill factor in amorphous and nanocrystalline silicon based high efficiency multi-junction solar cells[Z].Photovoltaic Specialists Conference，San Diego,2008.

[33] YAN B J，YUE G Z，SIVEC L，et al.Innovative dual function nc-SiOx:H layer leading to a >16% efficient multi-junction thinfilm silicon solar cell[J].Applied Physics Letters，2011，99: 113512.DOI:10.1063/1.3638068.

[34] ISABELLA O，SMETS A H M，ZEMAN M.Thin-film silicon-based quadruple junction solar cells approaching 20% conversion efficiency[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2014，129:82-89.DOI:10.1016/j.solmat.2014.03.021.

(责任编辑：孟素兰)

Research progress of amorphous to microcrystalline phase transition silicon thin film solar cell

FAN Shanshan1,YANG Yanbin2,YU Wei2,FU Guangsheng2

(1.School of Science，Hebei University of Technology,Tianjin 300000,China;2.College of Physics Science and Technology，Hebei University,Baoding 071002,China)

The microstructure，optoelectronic property and the application in solar cell of Si films and SiGe alloy films near phase transition from amorphous to microcrystalline are outlined.The proto-crystalline Si films (proto-Si) with improved medium range order are grown at the amorphous phase side of the phase transition region，showing remarkable stability against light soaking.The high quality nano-crystalline Si films (nano-Si) with low defect density are grown just at the microcrystalline phase side of the phase transition region，showing high carrier mobility and higher long wavelength response due to the embedded Si nano-crystals.The triple-junction solar cell has achieved stable efficiency of 13.6% by using proto-Si，nano-Si and microcrystalline Si(uc-Si) as absorber layer.Increasing Ge content can further decrease the optical band gap of SiGe alloy film.By introducing SiGe alloy films as the absorber layer of sub-cell，the triple-junction stacked solar cell attains an initial cell efficiency of 16.3%，and the theoretical conversion efficiency of simulated quadruple junction solar cell can reach 20%.

phase transition from amorphous to microcrystalline；medium range order；light-induced degradation；multi-junction solar cell

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.004

2016-03-10

国家自然科学基金资助项目(60940020) ；河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(12963929)

范闪闪(1981—),女，河北石家庄人，河北工业大学在读博士研究生，主要从事太阳能电池材料方面研究. E-mail:fanss1981@126.com

O756

A

1000-1565(2016)05-0468-06