非晶硅太阳能电池工作原理及进展.txt生活是过出来的，不是想出来的。
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维普资讯 、非晶硅太阳能电池工作原理及进展、／徐温元（开大学电子科学系）南自１９６年以来，晶硅基台金作为一种新型的电子材料，７非由于它的优异的光电特性，它在太阳能使电池及其他方面具有广泛的应用前景，而推动着人们对这羹材料特性进行深人研究。
近几年国际上从有关这方面的研究工作发展迅速，已形成一个新技术产业部门．非晶硅太阳能电池的转换效率和电弛面积也都有明显的提高和增太．本文综述了非晶硅材料特性，电池工作原理及最近发展．一、非晶硅材料特性移率虺非晶硅基合金材料包括氢化非晶硅ａｓ：—ｉ了Ｈ、非晶碳化硅ａＳｘＨ、非晶氮化硅－ｉＣ：ｓ１ｉ…Ｎ：Ｈ、非晶锗硅ａＳｌ—ｉ…Ｇｅ：等一系列Ｈ犍材料．类台金均可在较低的温度下（３Ｏ）这＜０℃以等离子化学气相沉积方法（ＣＶＰＤ）在较广泛的衬底材料（玻璃、属、高温塑料）生如金及上成大面积薄膜．１非晶硅舍金的带隐及悬挂键．远程无序的．对理想晶态半导体来说，我们已卷市崖（ｍ ?ｅＰｃ）图ｌ非晶态半导体态密宦分布示意图带隙宽度．非晶硅的带隙宽度约等于１７Ｖ，．ｅ同．这种不同与非晶硅中含有１％以上的氢０非晶硅与晶体硅不同之处是其原子排列是晶体硅的带隙宽度为１ＩＶ，二者有明显的不．ｃ能用能带理论阐明其导电机理，即电子或空穴有关．再者，在非晶硅中掺人适量的锗（ｅ、若Ｇ）可“由”运动于扩展的导带或价带之中，并碳（或氮Ｏ，可以形成不同的硅基合金即自地ｃ）Ｎ）则具有较高的迁移率，而处于导带和价带之间的非晶锗硅合金禁带态密度为零．对非晶态半导体来说，由于ａＳｌ—ｉ…Ｃ：Ｈａｓ—ｉ一Ｇｃ：非晶碳硅台金Ｈ，或非晶氮硅台金ａｓｌ—ｉ…Ｎ：Ｈ．原子排列非长程有序，即材料中存在着各种不各种合金的带隙宽度随掺人量（的变化而变．）完整性（键长、角不相等和材料中存在空洞表１列出几种常见合金的带隙宽度．从迁移率如键或Ｅ，内分布的带尾的态密度近似以指向等）导致在描述非晶态导电机理时虽也有类似边Ｅ，于晶态的导带和价带，但它分成扩展态和局域数规律降到～１“ｃ? Ｖ的悬挂键态密度．／ｍｅ０态．在扩展态中，子和空穴的迁移率明显低所谓悬挂键是指非晶硅中的而电ｓ原子未成共价ｉ１１０／９于晶态材料，只相当于晶态材料载流子迁移率键的电子态．由射频溅射或电子束蒸发方法制的Ｉ％或更低．谓局域态即载流子不能在其中备的非晶硅膜，其悬挂键态密度可高达所输运的一种态，而且载流子是连续分布于导带ｃｅ由等离子体化学沉积法制备的非晶ｍＶ．或价带附近，故局域态又称为带尾，如图Ｉ所硅膜中含有大量的氢，可有效地与非晶硅中的示．带尾的宽窄与原子排列无序程度有关，即悬挂键结合形成ｓ—键，使悬挂键态密度降ｉＨ无序程度愈高带尾分布愈宽．低．悬挂键分布在带隙的中部，并起复合中心图中Ｅ，Ｅ，迁移率边，占到占．间称的作用．悬挂键态密度越低，则材料的载流子称之物理６５５ ?维普资讯 表Ｉ几种非晶志半导体的帝隙宽度可使此材料成为ｐ型或ｎ型的导电材料，其电导率可增至约ｌ－（ ? ｍ）０２Ｑｃ～．对于台有微晶成分的非晶硅材料，电导率可更高．其Ｃｕｒｅ（Ｓ（晶）！ｓ≈ＣＪ）多ｉ寿命越长．对于高质量的非晶硅材斟，其悬挂键态密度可低于ｌ“ｃ／ｍｅ０Ｖ．嚣表ｌ中各种非晶硅基合金（）量从０１分．逐渐增加时，带隙宽度也逐渐增大．其ｚ戢流子的输运过程．非晶硅材粒受光照或外电场注人时将产生菲平衡载流子，这些载流子在被复合之前在扩展态输运过程中，有一部分载流子将被带尾局域态所陷获，而被陷的载流子由于声子协助可重新激发回到扩展态．这种过程在载流子通过材料时可多次重复发生，直至载流子穿通材料崔波长＾ｒ）ｎ图２非晶硅基合金与晶体硅光吸收系敲的比较达到另一电极．由于这种多次陷阱效应，导致３光吸收特性．了载流子迁移率的下降．对未掺杂的本征非晶导率为ｌ－一１（ ? ｍ）Ｏｔ０Ｑｃ～．通过掺硼或磷非晶硅基合金材料的光吸收特性与晶体硅由图２可以看出，非晶硅在可见光部分比晶硅材料来说，是电子导电，般用ｉ示，电材料差别很大，２给出几种材料的光吸收谱．这一表图侣／钛－’２００Ａ～＿ＧＩ０２０Ａ１Ｂ．ＯＤＩＡｐ．１０Ａ０ａｅＨＳ：ＴＣ０图３（）Ｉ玻璃为衬康的单结电｝（为玻璃，ＴＣ为ｓｏ镀面透明导电膜，ａ三【电ＧＯｎＢ为缓冲层，ｎ为掺磷ｎ型电于导电材料，ｐ为掺礤Ｐ型空穴导电材料，，（，＋’钼钍＾ＩＴｉ为背电敏，燕上１—２置的钍再蒸铝，）先００可得到较好的欧姆接触）；【）ｂ以不锈钢为衬雇的单结电｝（为不镑钢衬雇，ＩＯ为氧化镏锡遗明导电膜）电ｓＴ；ｆ）叠层电她（电他为。
ｓ：材料，电池为ＩＳＧ￣Ｈ材料）ｃ上一ｉＨ下＿ｉ：ｌ卷ｌ鳙８ｌ维普资讯 茛ｐｊ善层，最后以硅有较高的光吸收系数，不同材料的较高光啵它是毒捩在不锈钢上沉积＋＿收系数，对应的波长不同．所电子束蒸发一层ｆｏ透明导电嗅．光从ＩＯｒＴ膜射人ｎ层，Ｐｉ电池相似，和ｎ在ｎ／界ｉ面处产生的光生载流子通过ｉ达到背电极构层成电流回路．’二、非晶硅电池的结构和工作原理非晶硅电池一般可分为单结电池和叠层电池，单结电池又可分为以玻璃为衬底的ｐｉ而ｎ电池和以不锈钢为衬底的ｎｉ电池，如图３ｐ所示．～关于非晶硅电池工作原理模型有不少文章讨论过，是从泊松方程出发列出电子和塑都穴的连续方程，依据不同的边界条件推算在光照或暗态下电池的伏安特性．本文以圈３ａ（）ｐｉ电池结构为例扼要阐明电池的工作原理．ｎ１单结电油．图３ａ（）是以玻璃为衬底的ｐｎ电池结构．ｉ在玻璃上先敷着一层绒面ＳＯ：透明导电膜，ｎ这种膜有减少反射光的作用，可使膜的透明度图４ａ给出Ｐｉ电池短路杀件下的能带（）ｎ图．对于高转换效率的非晶硅电池，由于被陷电荷和空间自由载流子电荷可以忽略，其ｉ层提高．时这种膜又是上电极，以要求膜的方的电场可认为是近似均匀的．在Ｐ／同所ｉ界面产块电阻要小，般应＜０口．在敷有透明导生的光生电子和空穴在电场作用下迁移到背电一ｏ／电嗅的玻璃上依次在反应室内沉积ｐｉ｜各非极构成光生电流，光生电流密度可写成ｎ该晶硅层，面电极先蒸上一薄层（ｏ２五），背１一０钛ｉ—ｑｃ１一ｅｐｄＬ），（）ＧＬ【ｘ（，ｔ】１再蒸上铝，是为了改善金属铝与层接触特式中Ｇ是光生载流子产生率；这ｇ是电子电荷；性．光从玻璃方向射人Ｐ层．层是ａ是ｉ层厚度；Ｌ一。
十，．电子和—ｒＥｆＥ是ＳＣ：合金材料，带隙宽度较宽，为ｌ９ｉＨ其约—空穴漂移长度和；是电场强度；，ｆ，，２０Ｖ，ｅ目的是让较多的短波波长的光透过Ｐ层分别表示电子和空穴的迁移率和寿帚‘宙生式｛而到达Ｐ／界面．Ｐｉ层厚度一般小于１０．０五在Ｐ层与ｉ之间生长一层厚度小于１０层盖０的缓冲层，到改善Ｐ／起ｉ界面特性和加强光生可以看出，在电池ｉ厚度及光强确定后，Ｌ层愈大，光生电流愈高．换句话说，流子迁移则载率寿命积愈大，或电场强度蠹犬光生电流愈则载梳子向内输运的作用．光生载流子通过ｉ层高．由图４ａ（）能带图可以看出，带隙ａ宽—到达背电极构成电流回．另一种电池结构是ＳＣ：的ＰｉＨ层可使入射短波长的光损失减小，以不锈钢为村底的ｎｉ十电池，图３ｂ所示．ｐ如（）同时Ｐ／界面的高势垒可使反扩散到Ｐｉ屡的｛囊电匿（Ｖ（ｂ１圈●Ｃ）￣ｉ＋电弛短路条件下售带匿；（）电曲的电施电压特性曲龌－９ｕ￣ｂ袖理７?维普资讯 犀２０，电子减少，这样反向复合电流减小则有利于正电池的ｉ厚度较蔼（一Ｉ０五）而后电拖的ｉ层厚度较厚（～５０五）对于电流如何穿００．向光生电流的增加．从图一ａ还可以看出，４）（Ｐ层和ｎ层掺杂效率愈高，则使费米能级Ｅ愈过两个电池中间的印结，目前虽提出不少模但尚来定论．我们可以认为，从前面ｉ层产靠近Ｐ层的价带和ｎ层的导带，这样ｉ层的型，能带倾斜愈大，就是电场强度愈大，也对光生电生的电子输运到ｎ层，遇到Ｐ层的高势垒后，可—ｉ：流的增加愈有利．所以目前围绕非晶硅电池材能会通过隧道效应与后面的ａＳＧｅＨｉ层输运到界面的空穴复合，成隧道电流构成回路．形料基础的研究课题是如何提高ｉ载流子迁移层率寿命积以及提高Ｐ层和ｎ层掺杂效率．（Ｍ相当于１０Ａ１ｍＷ／ｍ强照射下的转换０ｃ）光效率，换效率是通过测量电池的电流、转电压特性确定的．如图４ｂ所示，图中选出最大功（）从ａＳｉ：ＨＩ￥１：ｌＧｅＨｌ－再者由于有两层电池是串接的，故整个电池的表征电池性能，要是测量电池在ＡＭ１开路电压将会增大．主．５率点。
一Ｖ，并同时测量光照强度Ｐ，则Ｉ转换效率表示为＂一匿Ⅲ‘一—（ＦＦ），ｏｉＶ．ｏ—，只ｐｉ（）２是短路电流密室，充因子．由：１ｍＡ，７是开路电压，ＦＦ是填一一１ｍＡ，Ｖ５一Ｏ６Ｖ；．８一０８Ｖ，从（）可算出电池的转．４２式换效率一１．，充因子ＦＦ—Ｏ７．０２填．１ｚ叠晨电油从图２可以看出，非晶硅对较高能量的短波长的光具有较高的吸收系数，但对长披长的光吸收系数很低，光穿过ｉ对光电流没有贡层献．为了把这部分的光能转换成电流，就要求对长波长的光具有强吸收特性的窄带隙材料做成电池的ｉ层．如图２所示，其中非晶锗硅ａＳＧｅＨ或多晶铜铟硒ＣＩＳ材料对长波－ｉ：ｕｎｅ。
卜ＧａＳ—ＨＰＯ—ｔ．．．长区域的光均具有较强的吸收系数．将这类材：。
料和ａＳ：制成ｐｎｉ叠层电池，即前面—ｉＨｉｐｎ的ｐｎ电池的ｉ是ａＳ：层，后面的ｐｎｉ层—ｉＨｉ电池的ｉ是ａＳＧｅＨ层，如图５所示．光层—ｉ：ＣｕｎＳ２ｌｅ／／／／／／，，／／／／／Ｇ从ａｓ：电池射人，波长的光被ａＳ：吸—ｉＨ短－ｉＨ收，而长波长的光透过中间ｎ界面后被以ａｐ一￥ＧｅＨ为ｉ层的电池所吸收．这样就扩大了ｉ：吸收光的范围，高了电池的转换效率．提由于电ｃ吣躅，（）两端叠层电池；（）四端叠层电淹ａｂ（ｏ为高分子牯音剂）Ｐ叠层电池的另一种结构为四端叠层电池，流的连续性即前面电池产生的光电流应等于这种电池是以ａＳ：作前面电池，用多晶－ｉＨ后面电池产生的光电流，又因大部分的光被前ＣｌＳｔ（ｕｎｃｐ型）膜和ＣＳｎ型）ＺＳ薄膜薄ｄ（或ｎ面电池所吸收，后面电池要产生相等的光电流作后面电池，如图５ｂ（）所示．电池的电极是用就需要加厚后面电池的ｉ厚度，故一般前面透明导电层ＺＯ，前后两个电池间用透明层ｎ１卷勰８维普资讯 有机高分子材料牿接，但两个电池的极性是相们组装成单人非蕞硅太阳能电趟车，充电３小．３反的，剁引出四个端点．据最新报道，种分这时可行驶２ｋ．还有一些大的非晶硅太阳能０ｉｎ●＇池转换效率已达到１．弼．５６。
３非晶硅集成电池．。
电站是将这种集成电池经过串井连接，不用蓄电池，可直接将直流转换成芟流；就经过开压后非晶硅ｐｎ层可在连续反应系统ｌ一次制ｉ中成大面积电池（２１０×４ｃ２．这样大的单块０ｍ）电池面积过大，当电流游经上电极时，故由于透明导电膜有一１Ｏ口方块电阻，／０将产生较大的压降．外，了适应各种场合的应用，电池另为对的电压要求不同．所以，在实际盅用中是将大面积电池根据需耍分割成若干个小的电池加以电池的输出电压）集成电池电流取决于其中电．积的电池，电池分割的数目愈多，输出的电＊小剐毋集瘸出凰虎｝结掏流最小的一个电池的电流．很显然，对同一面可与犬电网并网烘电．、压也愈高，相应的电流将变小．在设计时根据各部分的接触电阻值，可优选一个最佳切割尺三、非晶硅电池发展现状和前景１８年９月在美国召开的国际第二十属９８寸，文不作详细讨论．本太阳能电池可供各种场台下应用，如作为光伏专家会议及１８年２月在澳大利亚召开９９计算器、手表、电动玩具、庭院灯以及电讯中继的国际第四屡光伏科学及工程会议的资料表站等的电源．日本三洋公司将菲晶硅电池做在明，过这十多年的努力，论在电池的转换效经不玻璃瓦上，在屋顶，装可提供家庭用龟．最近他表率和电池面积上都取得很大的进展．表２列出２电池面积￣８０ｍ的数据－０￣公司名称ＡＲＣ０（国）美ＡＲＣＯ（国）美富士（本）日ＥＣＤ（国）美Ｃｈｏｎｉ美国）ｒａ－（（Ｖ）２４２．３５４．４８１６．８２９３．（ｍＡ，ｍｃ）２２．１２５．４Ｉ１．６１．Ｓ９５Ｉ１．５＿ＦＦ０６．８０５．９Ｂ０，７．７０６７．３０６．｝转换效率（）％７ａ．９Ｉ．６３．５ｉ．６．２功率（）ｗ，．６７，８．３．０Ｉ２ｌ１．７６面朝（ｍｃ）４９７０●，●，? 蚰Ｄ０４１１０’２５８９娄型单结ｓｉＣＩ￣【８ｔ．单结ａＳ－ｉ叠层单结ｓ】ｍ０ａ（目）姜２５８０４．５８．８１０９９单结电池面积小的数据ＥｃＤ：国）羹富七（日本）１６．４１７．８１ ? ０９Ｂ０．５０７ ?００７ ? ”、１，０５０： ?｝１。