硅基薄膜太陽能電池研究進展

王 喆

（鄭州大學物理工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

近年來太陽能電池領域的研究突飛猛進，目前晶硅太陽能電池已經商品化，但是其轉換效率受制于材料、工藝、成本等原因難以繼續提高。而硅薄膜太陽能電池有著低成本，便于使用等特點，已經越來越受到研究者的關注。目前對硅薄膜太陽能電池的研究如火如荼，只是未見到有更新的相關綜述。本文對當前世界上硅薄膜太陽能電池的研究進行了綜述，并展望了未來硅薄膜太陽能電池的前景和發展。

1 硅基薄膜太陽能電池

硅基薄膜太陽能電池分為非晶硅（α－Si）、微晶硅（μ－Si）、納米晶硅（nc－Si）薄膜電池。 硅薄膜電池相比于單晶硅太陽能電池，有著價格低廉、制作工藝相對簡單的優點。

1.1 非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）、反應濺射法和低壓化學氣相沉積法（LPCVD）。國內外在此項技術上的研究也日趨成熟。

我國河北工業大學采用射頻等離子體增強化學氣相沉積(RF—PECVD)技術，在 P型晶化硅層沉積時間12.5分鐘。N層沉積12分鐘，此種結構電池特性最好,效率達 6.40%.[3]。文獻[4]中，共創光伏科技有限公司采用低壓化學氣相沉積(LPCVD)法在沉積ITO薄膜的玻璃襯底上制備了硼摻雜氧化鋅(BZO)薄膜，應用在非晶硅薄膜太陽能電池時轉化效率提高0.20%。文獻[5]中，浙江正泰太陽能科技有限公司,在低透光率的聚酰亞胺(PI)襯底上制備了n-i-p結構的單結非晶硅(a-Si)薄膜太陽能電池組件,封裝后電池組件的有效發電面積的轉化效率達到5.13%。近年來，國外不少研究人員采用不同方法來提高效率。

Fernando Villar[6]等人，由熱絲化學氣相沉積(HWCVD)在低工藝溫度＜150℃以雙層（μc-Si:H/a-Si:H)的情況下合成了效率為4.62%的薄膜電池。Lee,CL等[7]利用貴金屬封裝的納米球(Ag和Au)，包裹非晶硅太陽能電池，使相對效率提高了166%。Rajanna,PM等[8],在不同的SWCNT薄膜和非晶硅薄膜厚度的環境條件下制備了一系列的混合太陽能電池，在模擬的直接照明為1.5G單太陽光下，其效率為3.4%。

非晶硅由于其光學帶隙不夠寬，在太陽能的紅外區域效率很低，成為限制其發展的較大因素。如果能解決這些問題，非晶硅的廉價生產和簡單的步驟可以為其建立很大的優勢。

1.2 微晶硅薄膜太陽能電池

微晶硅可以采用與非晶硅相兼容的制備技術,既能節省材料、便于低溫大面積沉積，以可以在許多廉價襯底材料上沉積，又提高了穩定性有很大的提高效率的潛力[9]。

2018年，韓國的Kwon,JD[10]等人，研究了大氣壓等離子沉積下氦氣濃度對微晶硅薄膜沉積的影響，在最好的情況下，得到了效率為4.6%的微晶硅薄膜。日本的Sai,H[11]等人，在suns-VOC測量的基礎上，研究了進一步提高效率的潛力，達到了12.5%。

2017年，日本的 De Zoysa,M[12]等人，通過利用二維光子晶體能帶邊結構來創造大量的共振模態來增強微晶硅太陽能電池在600-1000nm波長的吸收，實現了22.6mAcm-2的高活性區電流密度，并獲得了接近于9.1%的活性區效率。2015年 Ishizaki,K[13]等人，研究了光子晶體在超薄微晶硅表面對轉換效率的影響，獲得了8.7%的效率。 德國的 O.Vetterl[14]等人，通過改變硅烷與氫氣體混合，在過渡到無定形生長的過程中找到了最佳性能，他們的兩微米厚的微晶硅太陽能電池效率達到了12%。南開大學電光院先是用含Ge的微晶硅在低壓力高水平離子轟擊下提高了Ge晶粒的均勻分布，使光譜響應擴展到1300nm[15]，后 Cao[16]等，設計了一種新型的帶隙分級剖面的氫化微晶硅鍺薄膜太陽能電池，通過高鍺含量層疊加、Ge分級層和μc-Si:H層的疊加，比較不同的剖面，最后初始效率達到6.53%。文獻[17]在固有層和n型摻雜層界面上，用梯度帶隙氫化無定形硅鍺活性層和氫化微晶硅緩沖層的太陽能電池，設備效率顯著提高了10.4%。

1.3 納米晶硅薄膜太陽能電池

納米晶硅具有小的無定形硅晶粒，可以很好的吸收紅外波段，具有寬帶隙、高電導率等特點，是薄膜材料的研究熱點。

Alexei Richter[18]等通過亞納米尺度的原子探針層析技術研究了摻雜的nc-SiOx:H薄膜的微觀結構，他們改進的nc-SiOx:H層的不同功能，結合短路電流密度15.1mAcm-2的兩個a-Si:H子電池，在a-Si:H/a-Si:H/μc-Si:H的三結薄膜太陽能電池的一個活躍區達到21.4%的效率。

Mazzarella,L[19]研究了氫化納米晶硅的特性，n型nc-SiOx:H作為前表面場 (FSF)在后發射極硅異質結(SHJ)太陽能電池中表現出優異的電細胞參數。731mV的VOC,80.6%的FF,J(SC)38.3mA/cm2，功率轉換效率為22.6%。Guozhen Yue[20]等研究了雜質對氫化納米晶太陽能電池性能的影響，發現對于O含量高達2*1019at./cm3的氫化納米晶硅(nc-Si:H)太陽能電池，它的效率能達到10.6%，但是會觀察到長波長區量子效率損失，這種損失可以通過微量摻雜 B（大約 1-3*1016at./cm3）來消除，超過這個含量，又會觀察到量子效率損失。

2 結語

硅薄膜太陽能電池以其較高的轉化效率、相對低廉的價格，靈活的應用范圍，有替代傳統太陽能電池板的發展潛力。相對與已經成熟的晶硅太陽能電池，還處于發展的上升階段。低成本的非晶硅、技術兼容好的微晶硅和相對效率較高的納米晶硅，如何發揮它們的優勢、提升轉換效率，將仍然是未來研究的熱點。