張仁霖

（安徽電子信息職業(yè)技術學院，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

太陽能電池的薄膜化有利于縮短光生載流子在器件中的擴散距離，降低復合及湮滅的概率，在吸光程度大致相同的前提下，太陽能電池效率能進一步提高。因此研究和開發(fā)低成本高光電轉換效率的硅基薄膜太陽能電池,已經成為太陽能電池領域的研究熱點之一。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

目前國際上研究較多的薄膜太陽能電池主要分為：硅基薄膜太陽能電池、砷化鎵薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池等。

在這些薄膜電池中，硅基薄膜太陽能電池以其特有的優(yōu)勢快速發(fā)展，硅基薄膜太陽能電池又分為：非晶硅、微晶硅、納米硅薄膜太陽能電池以及他們相互合成的疊層電池等。

（一）非晶硅薄膜電池基本特點

與晶硅材料相比，非晶硅薄膜材料具有以下特性。

1.生產耗能少。非晶硅薄膜太陽能電池的制作需要200℃左右的溫度條件，耗能少，而制作晶體硅太陽能電池一般需要1000℃以上的高溫。

2.價格低。非晶硅薄膜具有較高的光吸收系數，特別是在0.3～0.75um的可見光波段，它的吸收系數要比晶體硅高出一個數量級。

3.使用靈活。非晶硅薄膜太陽能電池可以設計成各種形式，利用集成型結構，可獲得更高的輸出電壓和光電轉換效率。

4.適合工業(yè)化生產。非晶硅薄膜太陽能電池制作工藝簡單，可連續(xù)化、大面積、自動化大批量生產。

5.方便建筑一體化。由于薄膜技術固有的靈活性，非晶硅薄膜太陽能電池能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，集成到建筑材料中。

（二）非晶硅薄膜材料光學特性

一種材料的光學性質，從本質上說是光子與電子相互作用的宏觀反映，在此過程中總伴隨著電子在不同能量狀態(tài)之間的躍遷。晶態(tài)半導體電子的躍遷遵守準動量守恒的選擇定則，并且電子通過間接躍遷和直接躍遷的方式在禁帶之間進行跨越。但是在非晶態(tài)半導體中，由于晶格排列的長程無序性，電子態(tài)沒有確定的波矢，電子的躍遷不再受動量守恒定律的限制。所以非晶態(tài)半導體和晶態(tài)半導體的吸收光譜也有所不同。圖1為a-Si:H薄膜的吸收光譜。

圖1 a-Si:H薄膜的吸收光譜

根據a-Si:H薄膜對不同光子的吸收差別，其吸收光譜可分為本征吸收區(qū)、帶尾吸收區(qū)和次帶吸收區(qū)三個區(qū)域。

1.本征吸收區(qū)(A區(qū))

本征吸收區(qū)是由電子吸收能量大于光學帶隙的光子后從價帶內部向導帶內部躍遷而產生的吸收。在此區(qū)域，a-Si:H的吸收系數α較大，通常在104cm-1以上，隨光子能量的變化具有冪指數特征。在可見光譜范圍內，a-Si:H的吸收系數要比晶體硅大得多(高1～2個數量級)，而太陽能電池主要是將可見光部分的光能(1.6～3.6eV)轉化成電能，這也是非晶硅薄膜太陽能電池可取代晶體硅太陽能電池的重要原因之一。

a-Si:H的吸收系數α隨光子能量hv的變化關系，在吸收邊附近遵循Tauc規(guī)律:

（ahv）1/2=B（Eg-hv）

式中，B是與光子的能量無關而只與材料性質有關的常數，一般在105～106。實驗上，常利用光透射譜來導出a-Si:H的復折射率，再由上式計算出Tauc光學帶隙Eg。光學帶隙的大小隨制備方法和工藝條件的不同而不同，主要受化學組分、工藝條件和摻雜等因素的影響。

2.帶尾吸收區(qū)(B區(qū))

帶尾吸收區(qū)對應電子從價帶邊擴展態(tài)到導帶尾態(tài)的躍遷，或者電子從價帶尾態(tài)到導帶邊擴展態(tài)的躍遷。在此區(qū)域，1cm-1<α<103cm-1，α與hv呈指數關系，所以也稱指數吸收區(qū)。

3.次帶吸收區(qū)(C區(qū))

次帶吸收區(qū)通常是指位于近紅外區(qū)的低能吸收，對應于電子從價帶到帶隙態(tài)或從帶隙態(tài)到導帶的躍遷。此區(qū)域的吸收系數α很小，又稱為非本征吸收，其特點是α隨光子能量的減小趨于平緩。在C區(qū)，若材料的α在1cm-1以下，則表征該材料具有很高的質量。

三、非晶硅薄膜材料的制備方法

為了改善薄膜質量和提高薄膜沉積速率，多年來人們研究了許多種類a-Si:H薄膜的沉積方法，這些方法主要可分為兩大類:化學沉積氣相（Chemical VaporDeposition,CVD）法和物理氣相沉積（Physical-Vapor Deposition，PVD）法。

所謂化學氣相沉積法，就是在真空條件下，將含有Si的前驅物氣體分解，然后把分解出來的Si原子或者含Si的基團沉積到襯底上。而物理氣相沉積法，則是在真空條件下，通過濺射含有Si的靶材得到Si原子，然后在基片上生長a-Si:H薄膜。

當前，成功地應用于非晶硅基薄膜太陽能電池制備過程中的沉積方法主要是各種各樣的化學氣相沉積法，主要包括等離子體增強化學氣相沉積法、熱絲化學氣相沉積法、光誘導化學沉積法下面我們將分析其原理、結構、優(yōu)缺點等。

（一）等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法

PECVD方法是迄今為止實驗室和大規(guī)模產業(yè)沉積a-Si:H薄膜使用最普遍的沉積方法，此方法是利用低溫等離子體作為能量源，樣品置于低氣壓輝光放電的陰極上。利用輝光放電使樣品升溫到預定的溫度，然后通過適量的反應氣體，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。

利用PECVD法制備本征非晶硅薄膜，主要采用H2或氦氣、氬氣、等惰性氣體稀釋的硅烷氣體或高純SiH4氣體的熱分解。

非晶硅薄膜的形成主要經歷三個過程：

1.電子與反應氣體發(fā)生初級反應，形成離子和活性基團的混合物。

2.各種產物向薄膜生長表面和管壁擴散運輸，同時發(fā)生各反應物之間的次反應。

3.到達生長表面的各種初級反應和次級反應物被吸附并與表面發(fā)生反應，同時伴隨有氣相分子物的再放出。

根據激發(fā)源的不同，PECVD方法分為直流等離子體增強化學氣相沉積（DC-PECVD）法、射頻等離子體增強化學氣相沉積（RF-PECVD）法、超高頻等離子體增強化學氣相沉積（VHF-PECVD）法等。

（二）熱絲化學氣相沉積（HWCVD）法

熱化學氣相沉積法是一種低溫沉積薄膜的制備技術,可分為三個主要過程：

1.反應氣體在熱絲處的分解過程；2.反應基元向襯底的輸運過程；3.基元在襯底表面吸附生長過程。

在沉積過程中，熱絲被加熱到1400°C以上的高溫，純SiH4或SiH與H2的混合氣體被引入腔體，SiH4在熱絲表面被熱分解，主要生成Si原子和H原子，這些原子在到達襯底表面之前，還要通過一系列的氣相反應過程。

HWCVD方法的優(yōu)勢：1.沉積速率高；氣體分子為熱分解，不存在電場加速的高能粒子轟擊薄膜對其產生的傷害。2.可以通過擴大接觸反應面積(多燈絲或者燈絲網)和提供適當大小的通氣氣源面積實現(xiàn)大面積生長。3.熱絲分解過程所產生的大量的高能量原子H不僅可以奪走SH3中的H,使Si-Si相結合的機會增加，促進薄膜的晶化，而且同時也降低了薄膜中的H含量，使薄膜在光致衰減效應方面比較穩(wěn)定。

同時，HWCVD方法也存在一些缺點，如加熱絲容易老化，壽命較短;加熱絲可能對所沉積的薄膜產生污染:大面積沉積時薄膜材料均勻性不容易控制等，技術還有待提高。

（三）光誘導化學氣相沉積（PICVD）法

光誘導化學氣相（PICVD)法是利用紫外光子能量對反應氣體分子進行分解，得到電子、正離子和各種中性粒子。這些粒子和離子擴散到襯底表面而沉積形成固態(tài)的薄膜材料的方法。

PICVD方法的優(yōu)點在于，由于反應過程中不存在電場，正離子不會被加速獲得高能量，所以不會對基片及薄膜造成轟擊損傷，因此利用此方法沉積的薄膜中缺陷態(tài)密度較低。同時，PICVD方法也存在不足，主要有兩個方面，一是常利用的紫外線激勵光源為水銀燈，存在水銀的污染問題；二是反應速度太慢，不適合大規(guī)?；a。

四、非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

（一）玻璃襯底非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

以玻璃為襯底的非晶硅薄膜太陽能電池組件的主要制備工藝包括制備TCO玻璃、沉積吸收層、沉積背電極、特性測試、熱老化、封裝及四次激光切割等。

這其中TCO玻璃的制備工藝要求薄膜和襯底結合牢固、致密、無針孔缺陷，需要良好的導電性，較高的透光率和優(yōu)良的表面絨面結構，工藝中最常采用的氧化錫（SnO2）薄膜材料。

（二）柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池的制備采用卷對卷工藝，制備流程如下：

1.襯底的清洗:將具有定光潔度要求的柔性不銹鋼襯底裝入專用清洗機中，采用卷對卷方式進行傳送，對襯底的兩個表面同時進行清洗、干燥。

2.背反射膜（背電極）的沉積:由于非晶硅薄膜中載流子（尤其是空穴）的遷移率和壽命均比較低，所以電池本征吸收層不能太厚，否則會降低電池的FF。為了在有限的本征層中有效地吸收太陽光，背反射膜的散射效果顯得非常重要。而-般在非晶硅薄膜中的背反射膜ITO膜很薄，只有約70nm,這么薄的ITO膜不可能具有絨面結構，所以需要在襯底上沉積一層高反射的金屬膜層，常用的金屬材料為鋁或銀，ITO膜材料為ZnO,采用磁控濺射技術進行沉積。

3.非晶硅吸收層的沉積:這是整個制備過程中最關鍵的工藝步驟，采用PECVD方法依次沉積P-I-N吸收層。以三結非晶硅薄膜太陽能電池為例，需要在已經沉積好的背反射層的表面連續(xù)沉積，層硅基薄膜，包括3個P-I-N結子電池，為了防止相鄰反應室間的氣體交叉污染，各反應室之間需要設計獨特的氣氛隔離室。

4.前反射膜(前電極)的沉積:非晶硅薄膜吸收層沉積完成之后，需在電池頂部沉積前反射膜ITO層。

5.切割:根據對電池電流的要求，將成卷的電池片切割成一定大小的電池片。

6.短路鈍化:在非晶硅薄膜的沉積過程中，等離子體中的一些顆粒物不可避免地會沉積在襯底上而引起漏電流，因此需要對電池進行短路鈍化處理，去除這些微缺陷。

7.前電極柵線的布置:由于前電極ITO膜太薄，只有約70nm,無法為電池提供足夠的電導去收集光生電流，所以要在ITO上制作柵線以保證對光生電流的有效收集。

8.切邊:完成柵線制作后，還要將電池的邊緣切除，實現(xiàn)電池與周邊的絕緣。至此，非晶硅薄膜太陽能電池的模塊已經完成。

9.封裝。

采用卷對卷技術制備大面積柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池，目前還有很多關鍵技術問題需要解決，如非晶硅薄膜的高速沉積、大面積薄膜的均勻性、各反應室間氣體隔離裝置的開發(fā)、制備過程的實時監(jiān)控與診斷等。

五、結語

總之，近年來光伏市場發(fā)展十分迅速，晶體硅電池依舊占據主導位置，要實現(xiàn)非晶硅太陽能電池大規(guī)模應用還需要解決不少的問題。非晶硅太陽能電池面臨的新任務，就是要在現(xiàn)有的基礎上進一步提高電池的轉換效率和穩(wěn)定性.提高工藝水平和裝備水平，大幅度降低成本，拓寬應用領域。