非晶硅薄膜太阳能电池技术

1、非晶硅薄膜太阳能电池技术上海思博露生态能源科技有限公司 苏州思博露光伏能源科技有限公司 目录一、非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介二、非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介三、国产提供的非晶硅薄膜太阳电池生产线介绍一、非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介1976 年美国 RCA 实验室的 和 在 Spear 形成和控制 p-n 结工作的基础上利用 光生伏特（PV）效应制成世界上第一个 a-Si太阳能电池，揭开 了 a-Si 在光电子器件或 PV 组件中应用的幄幕。目前 a-Si 多结太阳能电池的最高光电转换效率己达 15% 。图 1 为一 般单结的非晶硅太阳能电池结构图，图 2 为非晶硅太阳能电 池图

2、1 非晶硅太阳能电池结构图 图 2 非晶硅柔性太阳能电池第一层， 为普通玻璃 ,是电池载体第二层为绒面的 TCO 。所谓 TCO 就是透明导电膜，一方面 光从它穿过被电池吸收，所以要求它的透过率高；另一方面 作为电池的一个电极， 所以要求它导电。 TCO 制备成绒面起 到减少反射光的作用。太阳能电池就是以这两层为衬底生长 的。太阳能电池的第一层为 P 层，即窗口层。下面是 i 层， 即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。再 下面为 n 层，起到连接 i 和背电极的作用。最后是背电极和 Al/Ag 电极。 目前制备背电极通常采用掺铝 ZnO（A1）, 或简 称 AZO 。由于a-Si

3、（非晶硅）多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定 的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。 所以， a-Si 太阳能电池基本结构不是 p-n 结而是 p-i-n 结。 掺硼形成 P 区，掺磷形成 n 区， i 为非杂质或轻掺杂的本征 层（因为非掺杂的 a-Si 是弱 n 型）。重掺杂的 p、n 区在电池 内部形成内建势，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成 欧姆接触，为外部提供电功率。 i 区是光敏区，光电导暗 电导比在105106，此区中光生电子、空穴是光伏电力的 源泉。非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动 量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带 隙材料

4、。它对光子的吸收系数很高，对敏感光谱域的吸收系 数在 1014cm-1 以上， 通常 0.5µm 左右厚度的 a-Si 就 可以将敏感谱域的光吸收殆尽。所以， p-i-n 结构的 a-Si 电 池的厚度取 0.5µm 左右，而作为死光吸收区的 p、n 层的厚度在 10nm 量级。a-Si 太阳能电池即 PV 组件到 80 年代后期年产量已达 世界光伏器件总产量的约 30% ，即 1000MW 以上。技术向 生产力的高速转化，说明非晶硅太阳能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

5、。硅薄膜厚度不到 1µm ， 昂贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺 (100-300°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-Si 合金薄膜； 只需改变气相成分 或者气体流量便可实现 pn 结以及相应的叠层结构；生产可 全程自动化。(3) 品种多，用途广。薄膜的 a-Si 太阳能电池易于实现集 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，暗电导很低，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

6、于 a-Si 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能电池。灵活 多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶 电站的安装。尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光 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，其光电转换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。叠层太阳能电池是在制 备的 p-i-n 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。叠层型非晶硅太阳能电池的工作原

7、理：由于太阳光光谱 中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收 其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将 透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超 出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用 传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量 都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此对 于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的 理论极限一般也只有 25%左右(AM1.5)。若太阳光光谱可以 被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配 的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起 来，让波长最短的光被最外边的宽

8、隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能 最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池， 如图 4 所示:图 3大面积集成型叠层太阳能电池图 4 子电池示意图二、非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介 非晶硅薄膜太阳电池的生产线主要包括如下设备：导电玻璃 磨边设备，导电玻璃清洗设备，大型非晶硅薄膜 PECVD 生 产设备（包括辅助设备） ，红外激光、绿激光刻线设备，大 型磁控溅射生产设备， 组件测试设备。 其工艺流程如图 5 所 示，图 5 非晶硅太阳电池的 制备流程从图 5 可以知道，其制备工艺的流程为所有光伏电池中 流程最短。但是对非晶硅半导体膜系

9、的真空 PECVD 制备从 膜系设计到工艺过程控制的要求是非常严格的。 当前小面 积电池的实验室制备已达到接近 15% 的光电转换效率， 而工 艺生产的大面积组件在大多数生产线上还未达到认证效率 6% 。理论上大面积组件的极限是小面积器件的85-90% ， 小面积器件与 组件的光电准换效率的差距体现了一条生产线 的技术水平。 国际上少数非晶硅生产线已制备出认证效率8% 以上的组件， 由于几乎所有其他类型的光伏组件（包括 当前热议的微晶硅薄膜电池）在实际运行高温情况与阴天低 照度下性能不佳的问题而唯独非晶硅组件在这些实际运行 条件下表现优秀的性能，所以其它类型的大面积薄膜电池的 低成本规模制造出

10、认证光电转换效率超过12% 的组件以前，即使在规模发电应用，非晶硅光伏组件以其最低的制造成本， 适中的，并不像误传的那么差的光电转换效率，是无法被淘 汰的，且不说美丽的半透明组件以及可以弯曲，质量轻又不 易破碎的柔性组件等只有非晶硅具备的优越性能的应用了。三、国产非晶硅薄膜太阳电池生产线介绍 思博露公司消化引进国外先进的光伏技术，利用本土资源的 优势，在保证先进的技术前提下，思博露的主要技术人员， 拥有在美国，英国，和中国等国从事大面积非晶硅薄膜光伏 电池的研发和生产 25 年以上的技术经验积累。 2006 年，思 博露联合北京北仪真空设备公司设计制造的国内非晶硅薄 膜太阳电池生产线已经成功投

11、产，整条生产线从设计、制造 到调试、投产，历时仅 7 个月。这在世界范围内也属罕见。 同时，除此以外的其他客户，也纷纷与思博露进行洽谈，要 求提供非晶硅薄膜太阳电池生产线。目前已有多家公司订货。 除了提供生产线及其核心设备和先进生产工艺以外，已经实 现并优化了生产线所有配套设备设施整机国产化。思博露也 可以向客户提供包括土建，净化车间等基础建设的总体设计技术服务。承担完整非晶硅生产线的交钥匙工程4 年以来，思博露公司努力将生产线的价格大幅度的降 低的同时，对核心 PECVD 与 PVD 设备的设计与制造水平 不断提高，以及器件设计与制备工艺的不断精细化，两者的 结合正在使大面积组件的性能与小面

12、积电池的性能的差距 向理论极限 9-10% 靠近，同时良品率也在往理论极限 95% 靠 近。 再加长度超过 2.5 米的半透明玻璃组件和质轻可弯曲的 柔性组件的示范制造都在按计划顺利进行。再加上非晶硅光 伏组件最优秀的高温性能与低光照性能，制造过程最优秀的 低耗能，低耗材，低排放，使得非晶硅光伏组件显示出在在 各种光伏技术中的核心竞争力。思博露可以根据在业界多年的经验积累，给客户在建厂 或立项初期，给予科学的指导，避免客户在该领域走不必要 的弯路。并且可以根据用户的需求提供个性化生产线的设计。 目前思博露提供的规模最小非晶硅太阳电池生产线的产能 为 2.5MW ，便于刚起步的企业。 而大规模生产线则可根据 用户需要设计建造，单线产能最大可达 36MW 。这类国产生 产线在保持世界最低价格同时，生产的非