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1、 非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向3李 毅 胡盛明(深圳市创益科技发展有限公司 深圳 518029)Development Trends in Amorphous Silicon Tandem Solar CellsLi Yi ,Hu Shengming( Shenzhen Trony Science 提高可靠性; 开发批量生产技术。在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和可靠性方面,叠层太阳能电池是一个重要的开发方向。3 叠层型非晶硅太阳能电池 311 叠层型非晶硅太阳能电池的提出由于太阳光光谱中的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光
2、子将透过电池,被背电极金属吸收,转变成热能;而高能光子超出能隙宽度的多余能量,则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子,使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载,变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池,即使是晶体材料制成的,其转换效率的理论极限一般也只有25 %左右(AM115)。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样的电池结构就是叠层电池。312 大面积
3、叠层非晶硅太阳能电池产品基于薄膜技术的光伏应用型非晶硅自从1974年在RCA实验室诞生以来已走过了漫长的道路,而今它已扩展到民用领域并在地面应用中日益增长。美国Solarex公司在非晶硅叠层太阳能电池方面无论是技术水平还是大规模应用方面都处于世界领先水平,在过去的10年中,Solarex公司(Amoco/ EwronSolar的商业性机构)已在技术开发方面取得了不小的进展,导致了非晶硅基合金薄膜的改进,这种改进的本征和掺杂非晶硅在4平方英尺和1平方英尺的多结太阳能电池模块的应用中展示出8 %9 %的稳定转换效率2,Solarex公司开发的非晶硅基多结太阳能电池已达到了成熟水平,使商业化大面积太
4、 阳能电池模块在技术和经济上都是切实可行的。Solarex公司已建造一座容量10兆瓦/年的a2Si太阳 能电池模块工厂,该工厂已在816平方英尺的玻璃 衬底上生产激光互连型单板a2Si :H/ a2SiGeH叠层太阳能电池模块。产品的基本器件结构是:玻璃/TCO/p2i2n p2i2n/ ZnO/ Al/ EVA/玻璃,如图1所 示。其中前pn结采用了能隙宽度约1178 eV的本 征a2Si :H吸收层,后pn结则使用能隙宽度从1145 1155 eV的本征a2SiGeH合金层。前接触电极是用常压CVD(APCVD)法沉积的绒面氧化锡透明导电 膜,非晶硅膜则采用等离子增强化学汽相沉积 (PEC
5、VD)法沉积,其中约10 nm p型a2SiCH合金膜层直接沉积在镀有TCO膜的玻璃上,前pn结的本 征a2SiH膜层利用硅烷和氢气混合气体进行沉积之后再沉积约10 nm的掺磷微晶硅膜层。接下来的 第二个p型a2SiCH膜层形成了隧道结并作为第二 个结的组成部分,然后是用硅烷、 锗烷和氢气沉积的 能隙宽度小的a2SiGeH合金膜层。背接触电极由 利用低压CVD(LPCVD)法沉积的100 nm ZnO和利用磁控溅射沉积的约300 nm Al层组成。在一块单 板模块中的各部分利用三个激光刻划步骤进行互 连,如图2所示。最后再利用另一块玻璃和两块玻 璃间的EVA (乙基乙烯树脂)材料进行模块封装。
6、 该模块稳定的额定功率有望达到56 W。图1 串结电池结构示意图Fig11 Schematic diagram of the a2Si tandem solar cell313 大面积叠层a2Si太阳能电池模块的研究和开 发问题:薄膜工艺 大面积多结模块开发包括从148平方英尺 的按比例递增的四种膜层沉积工艺:APCVD(TCO) ,PECVD(Si) ,LPCVD(ZnO)和溅射(Al)。每一种工艺都有必须满足的特殊要求,以确保大面积模块的空 间、 组分和形貌外观的均匀性。Solarex公司有一条4平方英尺试验生产线运行322第3期李 毅等:非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向图2 串结组件
7、激光内联示意图 Fig12 Schematic diagram showing laser path in an a2Si tandem solar cell已超过两年,制作了1000多块模块,最初为4平方 英尺试验生产线开发的 “baseline 1” 的硅工艺有带隙 宽度相对低(约1145 eV)的a2SiGeH本征层(在后pn结中) ,可产生约10 mA/ cm2的电流,该工艺 (70 %生产率)的平均初始效率为916 %。在连续600 h一个太阳光照后,多数模块的平均光致衰减稳 定在17 % ,该结果是在NREL的独立测量所证实的。 因此,该工艺可达到超过8 %的稳定转换效率。尽管该生
8、产线运行稳定并提供了许多有价值的生产经 验,但对于提高其产量和降低材料成本的工作一直 都在进行。叠层器件的沉积时间和硅烷、 锗烷的利 用率是影响模块成本效率的重要因素。通过采用更 薄的本征层和减少锗的含量以增加后pn结的带宽,优化了这种叠层器件。 “baseline 2” 生产线工艺已经 使叠层电池产生的电流减少,而填充因子和开路电 压则增加。此外,这种薄叠层电池的效率也得到了 改进,光致衰减已从17 %降低到14 %15 %。平均 稳定转换效率(70 %生产率)达到7180 % ,接近于“baseline 1”,但成本效率则得到了明显改进。图3 表示了两条基础生产线工艺的稳定转换效率的比较
9、(批量为40个模块) ,其中70 %生产率的平均稳定 转换效率分别为8107 %和7180 %;100 %生产率的平 均稳定转换效率分别为7192 %和7170 %。两条基础生产线的工艺比较如表1所示。表1 4平方英尺a2Si/a2SiGe串联组件中试生产工艺比较Tab.1 Production conditions for 4 ft2a2Si/ a2SiGetandem solar cells%工艺相对原料 利用率相对沉积 时间平均稳定 效率衰减率中试生产线1100100810717中试生产线26282718015图3 4平方英尺a2Si/ a2SiGe串联组件稳定转换效率Fig13 Var
10、iation in the efficiency of the solar cells用微晶硅作i层的非晶硅太阳能电池在光照下已证明是完全稳定的。据此,已制备了a2Si/c2Si叠层太阳能电池。其初始转换效率为1311 % ,在这种电池结构中,总功率的三分之二是由非晶硅顶电池产生的,但顶电池的稳定性却是这种叠层太阳能电池的关键问题,这种电池的稳定转换效率为10 %(145 h ,1个太阳光照,48)。在新阳光计划下,某些日本研究小组已在开发a2Si/p2Si薄膜叠层太阳能电池,Kaneka公司获得了初始转换效率为1014 %的薄膜太阳能电池,在这种器件中,6m厚的多晶硅薄膜太阳能电池是在低温下
11、(200550)用等离子体CVD法沉积在玻璃衬底上的。三洋公司研究了均匀成膜技术3,在30 cm40cm单结非晶硅太阳能电池模块上获得了转换效率偏差为 1 %的均匀性,通过进一步优化技术,可望使a2Si/ a2SiGe子模块获得10 %的稳定效率。Solarex公司基础生产线的816平方英尺模块按比例递增工艺正在进行生产。在可商业购买的绒面氧化锡镀膜碱石灰玻璃上已制作了816平方英尺叠层模块,在NREL所测的4个最新模块的性能总结于表2中。表2 NREL对816平方英尺a2Si/a2SiGe串联组件 的户外测试结果 Tab.2 Field test results for 816 ft2a2S
12、i/ a2SiGe tandem solar cells组件 号系统温度 /开路 电压/ V短路 电流/ A填充 因子峰值 功率/ W E1191户外,Daystar321891301469016605815 E0935户外,Daystar321851401464016565614 E0937户外,Daystar321931201461016335614 E0938户外,Daystar321901401459016295419422真 空 科 学 与 技 术第20卷4 叠层非晶硅太阳能电池的稳定性 日本质量保证组织(JQA)对多结非晶硅太阳能电池模块进行了户外和室内光吸收试验以表征它们 的稳定
13、性以及确定现有技术的水准。受控试验在一 个环境试验室内进行,其中模块的固定温度为48 ,光照强度为1125 kW/ m2,光照周期为310 h。在 加速光照试验中,典型的a2Si/ a2Si叠层模块有15 %的衰减。 图4给出在长期户外阳光辐射下a2Si/ a2Si叠层 模块的性能。输出功率归一化为1 kW/ m2,并且进 行了温度校正。在初始几个月的阳光辐照下,模块 经历了约10 %的初始光致衰减。从那时起,模块的 输出似乎已经稳定下来,其性能仅随季节有些变化。阳光辐照两年后,模块完全稳定下来。可见多结非 晶硅太阳能电池的稳定性比单结电池要好得多。图4 a2Si/ a2Si串联组件户外测试结
14、果(JQA)Fig14 Field results of the solar cells5 叠层非晶硅太阳能电池的未来发展方向 展望未来,在叠层非晶硅太阳能电池方面有两 个大的方向必须引起重视,其一就是采用新的优质 底电池i层材料,例如制备优质(a2Si/ a2SiGe)n多层膜4;微晶硅或多晶硅尽管吸收系数小,但微晶硅或 多晶硅薄膜作为低成本薄膜太阳能电池材料或作为 叠层结构底电池材料已经得到了极大的技术关注。 其二是在保证足够高的稳定转换效率的条件下,开 发低成本、 大规模、 大面积生产叠层型非晶硅太阳能电池模块技术。如前面提到的Solarex公司已开发 了816平方英尺的模块,三洋则通过
15、研究大面积均 匀成膜技术来制造大面积叠层模块。此外,激光刻 划成图方法现已广泛用于制造大面积非晶硅模块, 三洋公司已提出了一种称为等离子体CVM(化学蒸发或气化加工)的高产率成图方法5。在这种方法 中,去除材料的基本机制是腐蚀。在高压下产生的 等离子体位于电极线附近并且聚集了反应离子基。 这种方法利用SF6获得了大于1m/ s的腐蚀速率 和200m宽a2Si膜层的选择成图。对于大面积单结和多结模块,可望获得多线成图方式,从而提高生 产效率。参 考 文 献1 黄锡坚等.硅太阳能电池及其应用.北京:中国铁道出版社,19852 Arya R R ,Carlson D E. Commercializa
16、tion of Amorphous SiliconBased Multijunction Modules R &D Issues. Technical Digest ofthe International PVSEC29 ,Miyazaki ,Japan ,19963 K onagai M. Current Status and Perspectives of Amorphous SiThin Film Solar Cells. Technical Digest of the InternationalPVSEC29 ,Miyazaki ,Japan ,19964 Sadamoto M,Tanaka H.Deposition of (a2SiH/ a2GeH)nMul2ti2layer Films for Tandem Type Solar Cells. Technical Digest ofthe International
