硅基薄膜太阳能电池研究进展

2018-07-12王喆

科技视界 2018年22期

王喆

（郑州大学物理工程学院，河南郑州 450001）

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近年来太阳能电池领域的研究突飞猛进，目前晶硅太阳能电池已经商品化，但是其转换效率受制于材料、工艺、成本等原因难以继续提高。而硅薄膜太阳能电池有着低成本，便于使用等特点，已经越来越受到研究者的关注。目前对硅薄膜太阳能电池的研究如火如荼，只是未见到有更新的相关综述。本文对当前世界上硅薄膜太阳能电池的研究进行了综述，并展望了未来硅薄膜太阳能电池的前景和发展。

1 硅基薄膜太阳能电池

硅基薄膜太阳能电池分为非晶硅（α－Si）、微晶硅（μ－Si）、纳米晶硅（nc－Si）薄膜电池。硅薄膜电池相比于单晶硅太阳能电池，有着价格低廉、制作工艺相对简单的优点。

1.1 非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、反应溅射法和低压化学气相沉积法（LPCVD）。国内外在此项技术上的研究也日趋成熟。

我国河北工业大学采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF—PECVD)技术，在 P型晶化硅层沉积时间12.5分钟。N层沉积12分钟，此种结构电池特性最好,效率达 6.40%.[3]。文献[4]中，共创光伏科技有限公司采用低压化学气相沉积(LPCVD)法在沉积ITO薄膜的玻璃衬底上制备了硼掺杂氧化锌(BZO)薄膜，应用在非晶硅薄膜太阳能电池时转化效率提高0.20%。文献[5]中，浙江正泰太阳能科技有限公司,在低透光率的聚酰亚胺(PI)衬底上制备了n-i-p结构的单结非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池组件,封装后电池组件的有效发电面积的转化效率达到5.13%。近年来，国外不少研究人员采用不同方法来提高效率。

Fernando Villar[6]等人，由热丝化学气相沉积(HWCVD)在低工艺温度＜150℃以双层（μc-Si:H/a-Si:H)的情况下合成了效率为4.62%的薄膜电池。Lee,CL等[7]利用贵金属封装的纳米球(Ag和Au)，包裹非晶硅太阳能电池，使相对效率提高了166%。Rajanna,PM等[8],在不同的SWCNT薄膜和非晶硅薄膜厚度的环境条件下制备了一系列的混合太阳能电池，在模拟的直接照明为1.5G单太阳光下，其效率为3.4%。

非晶硅由于其光学带隙不够宽，在太阳能的红外区域效率很低，成为限制其发展的较大因素。如果能解决这些问题，非晶硅的廉价生产和简单的步骤可以为其建立很大的优势。

1.2 微晶硅薄膜太阳能电池

微晶硅可以采用与非晶硅相兼容的制备技术,既能节省材料、便于低温大面积沉积，以可以在许多廉价衬底材料上沉积，又提高了稳定性有很大的提高效率的潜力[9]。

2018年，韩国的Kwon,JD[10]等人，研究了大气压等离子沉积下氦气浓度对微晶硅薄膜沉积的影响，在最好的情况下，得到了效率为4.6%的微晶硅薄膜。日本的Sai,H[11]等人，在suns-VOC测量的基础上，研究了进一步提高效率的潜力，达到了12.5%。

2017年，日本的 De Zoysa,M[12]等人，通过利用二维光子晶体能带边结构来创造大量的共振模态来增强微晶硅太阳能电池在600-1000nm波长的吸收，实现了22.6mAcm-2的高活性区电流密度，并获得了接近于9.1%的活性区效率。2015年 Ishizaki,K[13]等人，研究了光子晶体在超薄微晶硅表面对转换效率的影响，获得了8.7%的效率。德国的 O.Vetterl[14]等人，通过改变硅烷与氢气体混合，在过渡到无定形生长的过程中找到了最佳性能，他们的两微米厚的微晶硅太阳能电池效率达到了12%。南开大学电光院先是用含Ge的微晶硅在低压力高水平离子轰击下提高了Ge晶粒的均匀分布，使光谱响应扩展到1300nm[15]，后 Cao[16]等，设计了一种新型的带隙分级剖面的氢化微晶硅锗薄膜太阳能电池，通过高锗含量层叠加、Ge分级层和μc-Si:H层的叠加，比较不同的剖面，最后初始效率达到6.53%。文献[17]在固有层和n型掺杂层界面上，用梯度带隙氢化无定形硅锗活性层和氢化微晶硅缓冲层的太阳能电池，设备效率显著提高了10.4%。

1.3 纳米晶硅薄膜太阳能电池

纳米晶硅具有小的无定形硅晶粒，可以很好的吸收红外波段，具有宽带隙、高电导率等特点，是薄膜材料的研究热点。

Alexei Richter[18]等通过亚纳米尺度的原子探针层析技术研究了掺杂的nc-SiOx:H薄膜的微观结构，他们改进的nc-SiOx:H层的不同功能，结合短路电流密度15.1mAcm-2的两个a-Si:H子电池，在a-Si:H/a-Si:H/μc-Si:H的三结薄膜太阳能电池的一个活跃区达到21.4%的效率。

Mazzarella,L[19]研究了氢化纳米晶硅的特性，n型nc-SiOx:H作为前表面场 (FSF)在后发射极硅异质结(SHJ)太阳能电池中表现出优异的电细胞参数。731mV的VOC,80.6%的FF,J(SC)38.3mA/cm2，功率转换效率为22.6%。Guozhen Yue[20]等研究了杂质对氢化纳米晶太阳能电池性能的影响，发现对于O含量高达2*1019at./cm3的氢化纳米晶硅(nc-Si:H)太阳能电池，它的效率能达到10.6%，但是会观察到长波长区量子效率损失，这种损失可以通过微量掺杂 B（大约 1-3*1016at./cm3）来消除，超过这个含量，又会观察到量子效率损失。