非晶硅薄膜太陽能電池技術(shù)

1、非晶硅薄膜太陽能電池技術(shù) 上海思博露生態(tài)能源科技有限公司 蘇州思博露光伏能源科技有限公司 目錄一、 非晶硅薄膜太陽電池基礎(chǔ)知識簡介二、 非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線及制造流程簡介三、 國產(chǎn)提供的非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線介紹 一、非晶硅薄膜太陽電池基礎(chǔ)知識簡介 1976年美國RCA實驗室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n結(jié)工作的基礎(chǔ)上利用光生伏特(PV)效應(yīng)制成世界上第一個a-Si太陽能電池，揭開了a-Si在光電子器件或PV組件中應(yīng)用的幄幕。目前a-Si多結(jié)太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率己達(dá)15% 。圖1為一般單結(jié)的非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖，圖2為非晶硅太陽能電

2、池 圖1非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖 圖2非晶硅柔性太陽能電池 第一層，為普通玻璃,是電池載體。第二層為絨面的TCO。所謂TCO就是透明導(dǎo)電膜，一方面光從它穿過被電池吸收，所以要求它的透過率高；另一方面作為電池的一個電極，所以要求它導(dǎo)電。TCO制備成絨面起到減少反射光的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底生長的。太陽能電池的第一層為P層，即窗口層。下面是i層，即太陽能電池的本征層，光生載流子主要在這一層產(chǎn)生。再下面為n層，起到連接i和背電極的作用。最后是背電極和Al/Ag電極。 目前制備背電極通常采用摻鋁ZnO(A1),或簡稱AZO。 由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特點，a-Si的p-n結(jié)是不穩(wěn)定的，

3、而且光照時光電導(dǎo)不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽能電池基本結(jié)構(gòu)不是p-n結(jié)而是p-i-n結(jié)。摻硼形成P區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻雜的本征層(因為非摻雜的a-Si是弱n型)。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。同時兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導(dǎo)暗電導(dǎo)比在105106，此區(qū)中光生電子、空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅電子躍遷的動量守恒選擇定則，相當(dāng)于使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料。它對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0.5µm左右厚度的a-Si

4、就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p-i-n結(jié)構(gòu)的a-Si電池的厚度取0.5µm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。 a-Si太陽能電池即PV組件到80年代后期年產(chǎn)量已達(dá)世界光伏器件總產(chǎn)量的約30%，即1000MW以上。技術(shù)向生產(chǎn)力的高速轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面： (1) 材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1µm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝(100-300°C)，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短。 (2) 易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是

5、因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全程自動化。 (3) 品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽能電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于a-Si膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。 盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得

6、材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個p-i-n子電池制得的。 疊層型非晶硅太陽能電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使

7、材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池，如圖4所示: 圖3大面積集成型疊層太陽能電池 圖4子電池示意圖 二、非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線及制造流程簡介非晶硅薄膜太陽電池的生產(chǎn)線主要包括如下設(shè)備：導(dǎo)

8、電玻璃磨邊設(shè)備，導(dǎo)電玻璃清洗設(shè)備，大型非晶硅薄膜PECVD生產(chǎn)設(shè)備（包括輔助設(shè)備），紅外激光、綠激光刻線設(shè)備，大型磁控濺射生產(chǎn)設(shè)備，組件測試設(shè)備。其工藝流程如圖5 所示， 圖5 非晶硅太陽電池的制備流程 從圖5可以知道，其制備工藝的流程為所有光伏電池中流程最短。但是對非晶硅半導(dǎo)體膜系的真空PECVD制備從膜系設(shè)計到工藝過程控制的要求是非常嚴(yán)格的。 當(dāng)前小面積電池的實驗室制備已達(dá)到接近15%的光電轉(zhuǎn)換效率，而工藝生產(chǎn)的大面積組件在大多數(shù)生產(chǎn)線上還未達(dá)到認(rèn)證效率6%。理論上大面積組件的極限是小面積器件的85-90%， 小面積器件與 組件的光電準(zhǔn)換效率的差距體現(xiàn)了一條生產(chǎn)線的技術(shù)水平。 國際上少數(shù)非

9、晶硅生產(chǎn)線已制備出認(rèn)證效率8%以上的組件， 由于幾乎所有其他類型的光伏組件（包括當(dāng)前熱議的微晶硅薄膜電池）在實際運行高溫情況與陰天低照度下性能不佳的問題而唯獨非晶硅組件在這些實際運行條件下表現(xiàn)優(yōu)秀的性能，所以其它類型的大面積薄膜電池的低成本規(guī)模制造出認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率超過12%的組件以前，即使在規(guī)模發(fā)電應(yīng)用，非晶硅光伏組件以其最低的制造成本，適中的，并不像誤傳的那么差的光電轉(zhuǎn)換效率，是無法被淘汰的，且不說美麗的半透明組件以及可以彎曲，質(zhì)量輕又不易破碎的柔性組件等只有非晶硅具備的優(yōu)越性能的應(yīng)用了。 三、國產(chǎn)非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線介紹思博露公司消化引進國外先進的光伏技術(shù)，利用本土資源的優(yōu)勢，在保證

10、先進的技術(shù)前提下，思博露的主要技術(shù)人員，擁有在美國，英國，和中國等國從事大面積非晶硅薄膜光伏電池的研發(fā)和生產(chǎn)25年以上的技術(shù)經(jīng)驗積累。2006年，思博露聯(lián)合北京北儀真空設(shè)備公司設(shè)計制造的國內(nèi)非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線已經(jīng)成功投產(chǎn)，整條生產(chǎn)線從設(shè)計、制造到調(diào)試、投產(chǎn)，歷時僅7個月。這在世界范圍內(nèi)也屬罕見。同時，除此以外的其他客戶，也紛紛與思博露進行洽談，要求提供非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線。目前已有多家公司訂貨。除了提供生產(chǎn)線及其核心設(shè)備和先進生產(chǎn)工藝以外，已經(jīng)實現(xiàn)并優(yōu)化了生產(chǎn)線所有配套設(shè)備設(shè)施整機國產(chǎn)化。思博露也可以向客戶提供包括土建，凈化車間等基礎(chǔ)建設(shè)的總體設(shè)計技術(shù)服務(wù)。承擔(dān)完整非晶硅生產(chǎn)線的交鑰

11、匙工程。 4年以來，思博露公司努力將生產(chǎn)線的價格大幅度的降低的同時，對核心PECVD與PVD設(shè)備的設(shè)計與制造水平不斷提高，以及器件設(shè)計與制備工藝的不斷精細(xì)化，兩者的結(jié)合正在使大面積組件的性能與小面積電池的性能的差距向理論極限9-10%靠近，同時良品率也在往理論極限95%靠近。 再加長度超過2.5米的半透明玻璃組件和質(zhì)輕可彎曲的柔性組件的示范制造都在按計劃順利進行。再加上非晶硅光伏組件最優(yōu)秀的高溫性能與低光照性能，制造過程最優(yōu)秀的低耗能，低耗材，低排放，使得非晶硅光伏組件顯示出在在各種光伏技術(shù)中的核心競爭力。 思博露可以根據(jù)在業(yè)界多年的經(jīng)驗積累，給客戶在建廠或立項初期，給予科學(xué)的指導(dǎo)，避免客戶在該領(lǐng)域走不必要的彎路。并且可以根據(jù)用戶的需求提供個性化生產(chǎn)線的設(shè)計。目前思博露提供的規(guī)模最小非晶硅太陽電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能為2.5MW，便于剛起步的企業(yè)。 而大規(guī)模生產(chǎn)線則可根據(jù)用戶需要設(shè)計建造，單線產(chǎn)能最大可達(dá)36MW。這類國產(chǎn)生產(chǎn)線在保持世界最低價格同時，生產(chǎn)的非晶硅組件不但性能優(yōu)秀，而且