新能源材料第10讲.ppt

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1、10.1概述10.2非晶硅太阳电池的发展进程10.3对非晶硅太阳电池的进一步研究与发展10.4非晶硅太阳电池的应用现状与发展前景10非晶硅太阳电池材料10.1概述非晶硅太阳电池是70年代中期才发展起来的一种新型薄膜太阳电池。该电池最大的特点是在降低成本方面有很大优势。随着电池性能的不断提高、制造技术的逐渐成熟和成本的大幅下降，非晶硅太阳电池作为新型清洁能源具有更加广阔的应用前景。本章介绍非晶硅新型材料及其在非晶硅太阳电池上的应用。10.1.1非晶硅半导体材料1）非晶硅非晶硅是近代发展起来的一种新型非晶态

2、半导体材料。同晶体硅相比，它的最基本的特征是组成原子没有长程有序性，只是在几个晶格常数范围内具有短程有序。原子之间的键合十分类似晶体硅，形成一种共价无规则网络结构。另一个特点，在非晶硅半导体可以实现连续的物性控制。非晶硅性能重复性差，结构也比较复杂。为了描述非晶硅基材料的结构，人们提出了一些理论模型，如连续无规则网络模型、微晶模型等。2）非晶硅材料的光电特性由于非晶硅材料在结构上是一种共价无规则网络，没有周期性排列的约束，所以其特性，特别是光学合电学性质不同于晶体硅材料。非晶硅材料结构上的长程无序产生了

3、能带尾，带尾的宽度依赖于结构无序的程度。典型的能带模型如下图所示：10.1.2非晶硅太阳电池的特性1）工作原理非晶硅太阳电池的工作原理与单晶硅太阳电池类似，都是利用半导体的光伏效应。与单晶硅太阳电池不同的是，在非晶硅太阳电池中光生载流子只有漂移运动而无扩散运动。α－Si电池的工作原理如下：入射光通过p＋层后进入i层产生e－h对，光生载流子一旦产生便被pn结内建电场分开，空穴漂移到p边，电子漂移到n边，形成光生电流IL和光生电动势VL。VL与内建电势Vb反向。当

4、VL

5、=

6、Vb

7、达到平衡时，IL＝，VL达

8、到最大值，称为开路电压VOC，此时VL=0当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流IL。2）非晶硅太阳电池的结构非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图10-210.1.3非晶硅太阳电池的制备一般说来，pin集成型a－Si太阳电池的制造工序是（以玻璃衬底为例）：清洗并烘干玻璃衬底生长TCO膜激光切割TCO膜蒸发或溅射Al电极激光切割a－Si膜依次生长pin非晶硅膜激光切割Al电极或掩模蒸发Al电极TCO膜的种类有铟锡氧化物（ITO）、二氧化锡（SnO2）和氧化锌（Z

9、nO）。非晶硅材料是用气相沉积法形成的。根据离解和沉淀的方法不同，气相沉淀法分为辉光放电分解法（GD）、溅射法（SP）、真空蒸发法、光化学气相沉积法和热丝法等。10.2非晶硅太阳电池的发展进程自1976年，Carlson和Wronski首次报道第一个a-Si太阳电池以来，围绕提高a-Si电池的转换效率、改善稳定性等问题，人们在材料和电池结构等方面进行了广泛深入的研究，并取得了巨大的进展。下面简略回顾非晶硅太阳电池的研究进程。10.2.1提高非晶硅太阳电池转换效率的技术措施1）改进p型窗口材料及其前后界面

10、特性2）采用陷光结构以增加太阳电池的短路电流3）获得高质量i层4）提高n型的质量5）采用叠层电池结构以扩展光谱响应范围10.2.2提高非晶硅太阳电池稳定性的研究1）S-W效应非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减小，经170℃～200℃退火2h，又可以恢复原状。这种现象首先由Stabler和Wronski发现，因而称之为S-W效应。S-W效应实际上是a-Si：H材料结构的一种光致亚变化效应，即光照使a-Si：H材料产生中性悬挂键等缺陷。为解释这个问题，提出了多种微观模型：如Si-Si弱键模型、电荷

11、转移模型、再杂化双位模型、Si-H弱键模型以及桥键模型等。2）提高非晶硅太阳电池稳定效率的研究首先要获得高稳定性的ia-Si：H材料。在结构上采取措施，其中主要是采用了多带隙叠层电池结构。成熟技术：采用叠层电池结构以扩展光谱响应范围并提高稳定性；采用绒面上电极和多层背反射电极以增加光在i层的吸收率；利用H2稀释法生长高光敏感性和高稳定性的i层材料a-Si:H和a-SiGe:H；采用pμc-Si层和nμc-Si层，以增加内建电势并减小串联电阻；采用p/i界面H+处理，pμc-Si/pa-SiC隧道结，以改

12、善异质结界面输运特性等。目前大面积非晶硅太阳电池的最高稳定效率如下表：10.3对非晶硅太阳电池的进一步研究与开发经过多年的研究开发，非晶硅太阳电池虽已取得明显进展，但仍然存在稳定效率偏低的问题，这是它至今不能占领市场的原因。10.3.1改善非晶硅材料稳定性的新途径氘（D2）稀释技术掺入惰性气体法促进H2分解技术10.3.2新型硅基薄膜叠层电池的研究1）a-Si/μc-Si和a-Si/poly-Si薄膜叠层电池非晶硅电池效率的光致不稳定性是由