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10 非晶硅太阳电池材料 10.1 概述 10.2 非晶硅太阳电池的发展进程 10.3 对非晶硅太阳电池的进一步研究与发展 10.4 非晶硅太阳电池的应用现状与发展前景 10.1 概述 非晶硅太阳电池是70年代中期才发展起来的一种新型薄膜太阳电池。该电池最大的特点是在降低成本方面有很大优势。 随着电池性能的不断提高、制造技术的逐渐成熟和成本的大幅下降,非晶硅太阳电池作为新型清洁能源具有更加广阔的应用前景。本章介绍非晶硅新型材料及其在非晶硅太阳电池上的应用。 10.1.1 非晶硅半导体材料 1) 非晶硅 非晶硅是近代发展起来的一种新型非晶态半导体材料。同晶体硅相比,它的最基本的特征是组成原子没有长程有序性,只是在几个晶格常数范围内具有短程有序。原子之间的键合十分类似晶体硅,形成一种共价无规则网络结构。 另一个特点,在非晶硅半导体可以实现连续的物性控制。非晶硅性能重复性差,结构也比较复杂。为了描述非晶硅基材料的结构,人们提出了一些理论模型,如连续无规则网络模型、微晶模型等。 2) 非晶硅材料的光电特性 由于非晶硅材料在结构上是一种共价无规则网络,没有周期性排列的约束,所以其特性,特别是光学合电学性质不同于晶体硅材料。非晶硅材料结构上的长程无序产生了能带尾,带尾的宽度依赖于结构无序的程度。典型的能带模型如下图所示: 10.1.2 非晶硅太阳电池的特性 1)工作原理 非晶硅太阳电池的工作原理与单晶硅太阳电池类似,都是利用半导体的光伏效应。与单晶硅太阳电池不同的是,在非晶硅太阳电池中光生载流子只有漂移运动而无扩散运动。 α-Si电池的工作原理如下:入射光通过p+层后进入i层产生e-h对,光生载流子一旦产生便被pn结内建电场分开,空穴漂移到p边,电子漂移到n边,形成光生电流IL和光生电动势VL。VL与内建电势Vb反向。当|VL|=|Vb|达到平衡时,IL=,VL达到最大值,称为开路电压VOC,此时VL=0当外电路加入负载时,则维持某一光电压VL和光电流IL。 2)非晶硅太阳电池的结构 非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池,结构如图10-2 10.1.3 非晶硅太阳电池的制备 一般说来,pin集成型a-Si太阳电池的制造工序是(以玻璃衬底为例): TCO膜的种类有铟锡氧化物(ITO)、二氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)。 非晶硅材料是用气相沉积法形成的。根据离解和沉淀的方法不同,气相沉淀法分为辉光放电分解法(GD)、溅射法(SP)、真空蒸发法、光化学气相沉积法和热丝法等。 10.2 非晶硅太阳电池的发展进程 自1976年,Carlson和Wronski首次报道第一个a-Si太阳电池以来,围绕提高a-Si电池的转换效率、改善稳定性等问题,人们在材料和电池结构等方面进行了广泛深入的研究,并取得了巨大的进展。下面简略回顾非晶硅太阳电池的研究进程。 10.2.1 提高非晶硅太阳电池转换效率的技术措施 1)改进p型窗口材料及其前后界面特性 2)采用陷光结构以增加太阳电池的短路电流 3)获得高质量i层 4)提高n型的质量 5)采用叠层电池结构以扩展光谱响应范围 10.2.2 提高非晶硅太阳电池稳定性的研究 1)S-W效应 非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减小,经170℃~200℃退火2h,又可以恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现,因而称之为S-W效应。S-W效应实际上是a-Si:H材料结构的一种光致亚变化效应,即光照使a-Si:H材料产生中性悬挂键等缺陷。为解释这个问题,提出了多种微观模型: 如Si-Si弱键模型、电荷转移模型、再杂化双位模型、Si-H弱键模型以及桥键模型等。 2)提高非晶硅太阳电池稳定效率的研究 首先要获得高稳定性的ia-Si:H材料。 在结构上采取措施,其中主要是采用了多带隙叠层电池结构。 成熟技术: 采用叠层电池结构以扩展光谱响应范围并提高稳定性; 采用绒面上电极和多层背反射电极以增加光在i层的吸收率; 利用H2稀释法生长高光敏感性和高稳定性的i层材料a-Si:H和a-SiGe:H; 采用pμc-Si层和nμc-Si层,以增加内建电势并减小串联电阻; 采用p/i界面H+处理, pμc-Si/pa-SiC隧道结,以改善异质结界面输运特性等。 目前大面积非晶硅太阳电池的最高稳定效率如下表: 10.3 对非晶硅太阳电池的进一步研究与开发 经过多年的研究开发,非晶
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