光电子非晶硅电池论文

1、 光电子学论文 题目 非晶硅太阳能电池研究 班 级 . 姓名 。 学号 、 指导教师 0000 目录摘要11.引言12 非晶硅薄膜太阳能电池23.非晶硅太阳电池的发展历程23.1非晶硅太阳电池的诞生33.1.2理论上的突破 33.2 非晶硅太阳电池的初期发展43.2.1初期的技术进步和繁荣43.2.2a-SI太阳电池的优势53.3非晶硅太阳电池技术完善与提高53.4非晶硅太阳电池的未来发展63.4.1现有a-Si太阳电池产业的市场开发63.4.2技求进一步发展的方向 64.国内外非晶硅太阳能电池产业及市场分析 64.1 非晶硅系列太阳能电池发展迅猛74.3 国内太阳能电池产业发展现状

2、及主要问题75 结论76参考文献8摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为 其中有 被地球截取，这部分能量约有 的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。目前太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他

3、发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光电转换器有两种：一种是光伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20的速度迅速发展。关键词: 光伏发电 太阳能电池 硅基太阳能电池 非晶硅太阳能电池1.引言1976年卡尔松和路

4、昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为24。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动

5、薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。2. 非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上

6、已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电.3.池设

7、计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n 边，形成光生电流和光生电压。非晶硅光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率

8、、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，衬底可以为玻璃、不锈钢、特种塑料、陶瓷等（图3.2 为非晶硅薄膜电池结构的示意图）。玻璃衬底的非晶硅电池，光从玻璃面入射，电池的电流从透明导电膜（TCO）和铝电极引出。不锈钢衬底的非晶硅电池与单晶硅电池类似，在透明导电膜上制备梳状银电极，电池的电流从银电极和不锈钢引出。双叠层的结构有两种：一种是两层结

9、构使用相同的非晶硅材料；一种是上层使用非晶硅合金，下层使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收；上层使用宽能隙的非晶硅合金做本征层，以吸收蓝光光子；中间层用含锗约15%的中等带隙的非晶硅锗合金，以吸收红光。三叠层的结构与双叠层的结构类似。非晶硅材料由气相沉积法形成的。根据离解和沉积方法的不同，可分为辉光放电分解法（GD）、溅射法（SP）、真空蒸发法、光化学气相沉积法（CVD）和热丝法（HW）等多种。其中等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是已被普遍采用的方法，在PECVD沉积非晶硅的方法中，PECVD的原料气一般采用SiH4，和H2，制备叠层电池时用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5

10、可同时实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生aSi或aSiCe 薄膜。此法具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点，适合于大规模生产。 非晶硅电池具有如下优点：（1）制造成本低。这是因为：半导体层光吸收系数比晶体硅大一个数量级，电池厚度只需1m 左右，约为晶体硅电池的1/300，可节省大量硅材料。可直接沉积出薄膜，没有切片损失。可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，工艺过程简单。电池的pin 结是在20.0左右的温度下制造的，比晶体硅电池的8001000的高温低得多，能源消耗小。电池的单片面积可大到0.71.0m2，组装方便，易于实现大规模生产。（2）能源消耗的回收期短。

11、每平方米非晶硅电池的生产能耗仅为l00kW·h左右，能源回收期仅为l1.5a，比晶体硅低得多。（3）发电量多。据测试，在相同条件下，非晶硅电池的发电量较单晶硅电池高8%左右，较多晶硅电池高13%左右。（4）售价低。目前约比晶体硅电池的售价约低1/41/3。.4.3.非晶硅太阳电池的发展历程3.1非晶硅太阳电池的诞生3.1.2理论上的突破1957年斯皮尔成功地测量了a一Se材料的漂移迁移率；1958年美国的安德松第一次在论文中提出，无定形体系中存在电子局域化效应：1960年，前苏联人约飞与热格尔提出了对非晶半导体理论有重要意义的论点，即决定固体的基本电子特性是属于金属还是半导体、绝缘体

12、的主要因素是构成凝聚态的原子短程结构，.6.即最近邻的原子配位情况，同年美国人欧夫辛斯基发现硫系无定形半导体材料具有电子开关存储作用。从1966年到1969年有关科学家深入开展了基础理论研究，解决了非晶半导体的能带理论，提出了电子能态分布的Mott一CFO模型和迁移边的思想3.2 非晶硅太阳电池的初期发展3.2.1初期的技术进步和繁荣半导体巨型电子器件太阳电池可用廉价的非晶硅材料和工艺制作，这就激发了科研人员、研究单位纷纷投入到这个领域的研究中，也引起了企业界的重视和许多国家政府的关注，从而推动了非晶硅太阳电他的大发展。世界上出现了许多以a-Si太阳电池为主要产品的企业或企业分支。例如，美国的

13、CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太阳电池产业开发的急先锋，不仅自己有生产线，还向其它国家输出了6条MW级生产线。美、日各公司还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太阳电他的总销售量中非晶硅占有40，出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。3.2.2a-SI太阳电池的优势技术向生产力如此高速的转化，说明非晶硅太阳电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：（1）材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1µm，昂

14、贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺（100一300°C），生产的耗电量小，能量回收时间短）（2）易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a一Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现n结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。（3）品种多，用途广。薄膜的aSi太阳电池易于实现集成化，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，晴电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于aSi膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池。灵活多样的制造

15、方法，可以制造.7.建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。3.3非晶硅太阳电池技术完善与提高由于发展势头遭到挫折，80年代末90年代初，非晶硅太阳电他的发展经历了一个调整、完善和提高的时期。人们一方面加强了探索和研究，一方面准备在更高技术水平上作更大规模的产业化开发，中心任务是提高电它的稳定化效率。为此探索了许多新器件结构、新材料、新工艺和新技术，其核心就是完美结技术和叠层电池技术。在成功探索的基础上，90年代中期出现了更大规模产业化的高潮，先后建立了多条数兆瓦至十兆瓦高水平电池组件生产线，组件面积为平方米量级，生产流程实现全自动。采用新的封装技术，产品组件寿命在10年以上。组件生产以完美结

16、技术和叠层电池技术为基础，产品组件效率达到6-8；中试组件（面积900cm2左右）效率达9-11；小面积电池最高效率达14.6。3.4非晶硅太阳电池的未来发展3.4.1现有a-Si太阳电池产业的市场开发 非晶硅太阳电池无论在学术上还是在产业上都已取得巨大的成功。金世界的生产能力超过50兆瓦。处于高校术档次的约占一半。最大的生产线规模为年产10MW组件。这种大规模高档次生产线满负荷正常运转的生产成本已低达1.1美元峰.9.瓦左右。据预测，若太阳电池成本低于每峰瓦1美元，寿命20年以上，发电系统成本低于每峰瓦2美元，则光伏发电电力将可与常规电力竞争。与其它品种太阳电池相比，非晶硅太阳电池更接近这一

17、理想的目标。非晶硅大阳电池目前虽不能与常规电力竞争，但在许多特别的条件下，它不仅可以作为功率发电使用，而且具有比较明显的优势，比如说，依托于建筑物的屋顶电站，由于它不占地乱免除占地的开支，发电成本较低。作为联网电站，不需要储能装备，太阳电池在发电成本中有最大比重，太阳电池低成本就会带来电力低成本。3.4.2技求进一步发展的方向非晶硅太阳电池一方面面临高性能的晶体硅电池降低成本努力的挑战：一方面又面临廉价的其它薄膜太阳电池日益成熟的产业化技术的挑战。如欲获得更大的发展，以便在未来的光伏能源中占据突出的位置，除了应努力开拓市场，将现有技术档次的产品推向大规模功率发电应用外，还应进一步发扬它对晶体硅

18、电池在成本价格上的优势和对其它薄膜太阳电池技术更成熟的优势，在克服自身弱点上下功夫。进一步提高组件产品的稳定效率，延长产品使用寿命，比较具体的努力方向如下：（1）加强a-Si基础材料亚稳特性及其克服办法的研究，达到基本上消除薄膜硅太阳电池性能的光致衰退。（2）加强晶化薄膜硅材料制备技术探索和研究，使未来的薄膜硅太阳电池产品既具备a一Si薄膜太阳电池低成本的优势，又具备晶体硅太阳电池长寿、高效和高稳定的优势。（3）加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠层电他的研究，把aSi太阳电池的优点与其它太阳电池的优点嫁接起来。（4）选择最佳的新技术途径，不失时机地进行产业化技术开发，

19、在更高的技术水平上实现更大规模的太阳电池产业化和市场商品化。4.国内外非晶硅太阳能电池产业及市场分析 4.1 非晶硅系列太阳能电池发展迅猛目前，晶体硅太阳能电池因较高的转化效率和成熟的生产工艺是太阳能电池研发和产业化的主要方向，而化合物薄膜等新技术太阳能电池虽然具有相对较低的成本，但生产工艺还不成熟，且目前商业化的薄膜型太阳光电模块效率相比主流的结晶硅型效率(1517%)仍然较低，一般多在10%以下。以2004 年数据分析，各种太阳能电池中晶体硅平板太阳能电池占总产量的84.6，非晶硅电池产量占3.9，其他为薄膜或带硅太阳能电池。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管20

20、08年全世界硅原材料供应增长了12，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25。持续的硅材料紧缺将对2008 年太阳能电池生产产生较大的影响，预计.2008年世界太阳能电池产量的增幅将被限制在10左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5 年以上的时间。由于硅材的供不应求，预期将限制2009年硅基太阳电池产业的成长速度，然而这恰好也为第二代太阳电池技术，薄膜太阳电池等非晶硅系产品提供了良好的发挥舞台。4.2 国内太阳能电池产业发展现状及主要问题太阳能电池用硅原材料缺乏已成为国际性的一大问题，对我国的影响尤为严重。国内太阳能电池厂商向国外生产厂家直接订货合同价格为4060 美元/kg；同通过中间商的硅材料价格2005 年一路飙升，一年之间已从25 美元/kg上升到超过200 美元/kg，最近已达220 美元/kg。以目前国际市场太阳能电池销售价4.04.2 美元/W（离岸价）计算，如此昂贵的硅材料价格已使太阳能电池生产厂无利润可言，更为严重的是现在已有一些新上电池生产线、即使高价也买不到货，处于半停产状态，尽管洛阳中硅、四川峨眉、新光等公