非晶硅薄膜电池

第十一章非晶硅太阳能电池12提纲非晶态非晶硅薄膜电池工艺非晶硅电池特点非晶硅薄膜电池生产线23尽管单晶硅和多晶硅太阳能电池经过多年的努力已取得很大进展，特别是转换效率已超过20%，这些高效率太阳能电池在空间技术中发挥了巨大的作用。但在地面应用方面，由于价格问题的影响，长久以来一直受到限制。阳能电力如果要与传统电力进行竞争，其价格必须要不断地降低，而这对单晶硅太阳能电池而言是很难的，只有薄膜电池，特别是下面要介绍的非晶硅太阳能电池最有希望。因而它在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上升。3非晶薄膜电池的应用Itwasn'tuntil1974thatresearchersbegantorealizethatamorphoussiliconcouldbeusedinPVdevicesbyproperlycontrollingtheconditionsunderwhichitwasdepositedandbycarefullymodifyingitscomposition.Today,amorphoussiliconiscommonlyusedforsolar-poweredconsumerdevicesthathavelowpowerrequirements(e.g.,wristwatchesandcalculators).4非晶态半导体与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。5用来描述非晶硅的结构模型很多，左面给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。6在非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所，所以，一般说，非晶硅是不适于做电子器件的。7氢的钝化作用1975年，研究人员通过辉光放电技术分解硅烷，得到的非晶硅薄膜中含有一定量的氢，使得许多悬挂键被氢化，大大降低了材料的缺陷态密度，并且成功地实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂。8非晶硅特点－高的光吸收系数非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75µm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1µm厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。9非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。非晶硅特点－高的光吸收系数10非晶硅薄膜电池工艺11非晶硅电池结构-单结光电转换分三层,在PN层中间,I层,是本征层,主要作用为吸收光,产生电子空穴对.同时,I层也是最厚的,P层只有几个纳米,I层可达到几百纳米.12Eg~1.1eVEg~1.7eV非晶硅电池结构-叠层13非晶硅电池结构14非晶硅电池结构－内联15生产工艺流程16导电玻璃常见的有ITO、AZO、FTO等。目前应用于薄膜电池的主要是FTO、AZO。17激光划线（LaserScribe）

TCO(P1)/a-Si:H(P2)/Backelectrode(P3)Patterning

P1：1064nmYAGlaserP2/P3：532nm2ωYAGlaser

18激光刻划原理19非晶硅沉积（PECVD）所用气体保护-气体Ar沉积P层-气体B2H6、SiH4、Ar、H2等混合气沉积I层-气体SiH4+H2沉积N层-气体PH3+SiH4+H220P层的制备（a－Si:H:B:C）P层成份为a－Si:H:B:C,制备工艺为等离子增强型化学气相沉积（PECVD），它是一种高频（13.56MHz）辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术，此法的优点是沉积速率快，成膜质量好，针孔少，不易龟裂，沉积的气源为SiH4，CH4，B2H6和He的混合气体。B2H6用来实现材料掺杂，He用作稀释气体，CH4的掺入是为了改善P层的光学性质。通过改变沉积过程中的气体分压比，就可以获得含C量不同的P层（a－Si:H:B:C）薄膜，而不同的含C量，就有不同的光电性质。21I层的制备I层成份为a－Si:H，制备工艺仍为PECVD，沉积的气源为SiH4和H2。本征层是光生电流的产生区，因而其成膜质量直接影响到a－Si:H太阳电池的性能，其性能主要由制备时的放电功率、基体温度、反应压力和气体流量来决定。成膜过程中，在保持一定的成膜速率下，尽量采用低的放电功率以提高薄膜的光电子学性能。22N层的制备N层为a－Si:H:P，沉积的气源为SiH4、PH3、H2的混合气体，其中PH3用来实现材料搀杂。a－Si:H:P薄膜的结构和光电性能同基体温度、气源配比、反应压力、放电功率和气体流量等因素紧密相关。在制备上述各层薄膜的过程中，反应压力、放电时间、气体流量和反应室温度均各控制器控制参数来实现。各层薄膜制备完毕后，将电池片放到激光刻台上划线，刻线线宽应小于0.2mm，硅刻线应紧贴在激光刻线的近旁，两者的公差为0.2～0.7mm,刻透率应大于80％,目的是形成各单电池的非晶硅层,并使Al与TCO良好接触。23背电极一般为溅射AZO后,再镀铝合金电极.AZO的作用,增加反射,形成二次吸收24边缘去除25边缘去除26封装结构相较晶体硅电池封装来讲,薄膜电池不需要铝边框.27设备28CraneCraneApparatus10KCleanRoomCraneProcessdirection29沉积硅薄膜的CVD设备AKT-60KPECVD

Silicon-basedsemiconductorlayerdepositionLoadlockChamberTransferChamberp-ProcessChamberi/n-ProcessChamber×1×1×1×6Keyissue：

(1)Filmuniformity(2)Depositionrate(Throughput)(3)Low-defectfilm30容性耦合的RF-PECVDDeposition：SiH4+H2+Ar→a-Si:HPlasmaCleaning：NF3→N2+FSi+F→SiF4↑3132背电极镀膜系统-磁控溅射3D-VIEWOFATON2600ATON-2600SputterSystem

背电极沉积膜层︰a-SiSJ：ZnO:Al/Al/NiVTandem：ZnO:Al/Ag/Al/NiV33laminator作用是将电池片,Pvb和背板压合在一起,为高压釜做准备.Laminator

Substrate/PVB/Backglassassembling34高压釜Au