硅基薄膜太阳电池教学课件PPT.ppt

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1、目前太阳电池的核心技术是以结晶硅当基材为主的，而商业化的结晶硅厚度约在200um以上。但由于多晶硅原料的严重短缺，除了限制硅基太阳电池的成长幅度之外，却也促进了薄膜型太阳电池的发展。薄膜型太阳电池具有低生产成本之特性，且具有适于大面积制造之优势。,生产过程,发展情况,晶硅最早开发的电池技术，技术非常成熟，效率增加和成本降低的潜力非常有限在效率方面已经接近最高水平，再有大的提升不太可能在设备方面，晶硅电池的生产设备技术也已非常成熟，接近最高水平，在设备方面的降价也基本没有了可能。,效率增加和成本降低的潜力巨大薄膜刚刚起步，各方面都还不太成熟。在技术方面，转换效率有较大的提升空间，理论转换效率可以

2、与晶硅接近，只是现在薄膜的技术还不是很成熟，所以效率比较低。在设备方面，设备成本较高，因为是新兴起来的，设备里面包括一大部分设备的技术费用，随着技术的提高以及规模化生产后，设备成本会有一个较大的降低，届时薄膜电池的成本将会有一次大的降低。,薄膜,应用方面的对比,晶硅电池品种颜色单一，应用范围相对小。所占市场范围逐步降低 薄膜电池应用形式多样，应用范围广，所占市场范围逐年增加,硅基薄膜电池是未来太阳能主流的原因1.能够满足特定市场的需求，并垄断这部分市场 计算器和玩具等弱光市场应用，BIPV建筑一体化的市场应用。2.技术本身的特点和优势 低成本，可做成半透明，低污染，低能耗。3.技术发展的可持续

3、性 主要的成膜设备与LCD兼容，大大降低了设备研发成本。CIGS等其他新型薄膜太阳能技术不具备这样的特点。4.技术的开放性 成熟的设备供应商就有4家以上，生产厂家更多，技术研发投入非常多。而同样低成本的CdTe技术由于First Solar一家独大，以及其技术受到原材料的限制等原因，无法得到下游系统应用商的大力支持，研发投入受到限制。,几个概念,纳米晶硅有时也被称为微晶硅(c-Si)。差别只在于晶粒的颗粒大小。多孔硅：体内有大量空洞的硅材料，空隙度约为60%90%，内表面积很大，每立方厘米硅材料中达数百平方米的面积。多孔硅，一种具有纳米多孔结构的材料，可以通过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧

4、化来获得。多孔硅表面积与体积比很大。,多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。,多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势效率低是目前多晶硅薄膜太阳能电池所面临的1个主要问题。因此提高廉价衬底上多晶硅薄膜太阳能电池的效率将是今后一个主要研发方向。实际上，目前几乎所有的制备高效体硅太阳能电池的工艺都用在了薄膜太阳能电池的制备上。由此看来，多晶硅薄膜太

5、阳能电池的效率的提高主要取决于多晶硅薄膜的质量改进。因此，通过采取各种工艺措施在廉价衬底上制备大晶粒、高质量的多晶硅薄膜将依然是今后多晶硅薄膜太阳能电池研发的核心课题。,非晶硅薄膜太阳能电池的优点,低成本能量返回期短大面积自动化生产高温性好弱光响应好(充电效率高)其他,低成本单结非晶硅太阳电池的厚度0.5um。主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%）且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍，大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的65-

6、70%，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料成本已上升到RMB22以上。,大面积自动化生产目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 设备生产的1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池，起初是效率高于9%。其稳定输出功率接近80W/片。商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和125mm*125mm为主。,短波响应优于晶体硅太阳电池,非晶硅太阳能电池存在的问题,效率较低单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。相同的输出电量所需太阳能

7、电池面积增加，对于对太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如农村和西部地区。,稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。成本问题非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。,非晶硅太阳电池的市场,大规模地成本发电站1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶

8、硅太阳能电池。日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。,与建筑相配合,建造太阳能房非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。,太阳能照明光源由于非晶硅太阳能电池的技术优势，同样功率的非晶硅太阳能灯具，其照明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明时间长20%，而其成本每瓦要低约10元

9、人民币。上海尤利卡公司于2003年-2005年已为松江区的太阳能路灯提供了400多个非晶硅太阳能路灯电源，其冬天的发电效果明显优于晶体硅。弱光下使用由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟，太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。,中国应当抓住的机遇,自主大规模生产技术自主核心设备技术*PECVD/溅射设备/专用激光/APCVD高效率、大面积、低成本、生产，实现每瓦USD1的目标,非晶硅太阳能电池发展趋势,开发新结构提高效率和稳定性控制成本大面积、大晶粒薄膜的生长技术薄膜的缺陷控制技术优质、价廉衬底材料的研发电池优良设计、表面结构技术及背反射技术的研究,突出特点：

10、材料和制造工艺成本低。制作工艺为低温工艺（100-300），耗能较低。易于形成大规模生产能力，生产可全流程自动化。品种多，用途广。存在问题：光学带隙为1.7eV对长波区域不敏感转换效率低 光致衰退效应:光电效率随着光照时间的延续而衰减解决途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的p-i-n单结太阳能 电池上再沉一个或多个p-i-n子电池制得。,硅薄膜太阳电池的结构及工作原理,非晶硅是指硅原子的排列非常松散，它不像结晶硅一样具有一定的规则性，可以含有大量的结构或键结上的缺陷，它是种类似玻璃的非平衡态结构。,非晶硅的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强（比结晶硅强500倍），所以只需要薄薄的一层就可以把

11、光子的能量有效地吸收，而且这种非晶硅薄膜的生产技术非常成熟，不仅可以节省大量的材料成本，也使得制造大面积太阳电池成为可能。,一般非晶硅是借由溅射或化学气相淀积方式，在玻璃、陶瓷，塑料或不锈钢基板上所生成的一种薄膜,光劣化现象,非晶硅太阳电池的一个重大缺点是，它会发生光劣化现象，这种现象就是所谓的Staebler-Wronski效应（简称SWE）。它是在1977年被观察出来的一种现象，在被太阳光照射数百小时之后，非晶硅太阳电池的转换效率会出现明显下降的现象。根据研究，一个单一接面的太阳电池在被太阳光照射1000小时之后，它的效率比起始值低30%左右，而一个三层接面的太阳电池则会下降15%左右。,

12、太阳光能会打断一些键结较弱的硅原子共价键，因而会得悬浮键的数目随着光照时间而增多。根据研究，悬浮键缺陷的生成速度，会随着光照度的平方成比例增加然而这种光劣化现象是属于一种可逆式反应，当将已发生光劣化的a-Si在160左右的温度，进行数分钟的退火处理，即可回到原先状态。事实上，这种光劣化现象并不会出现永久性的崩溃，通常在经过1000个小时之后，它的劣化程度已经达到饱和值，而不会进一步劣化了,沉积技术,薄膜硅可以使用气相或液相的方式来淀积生产，其中最主要的技术为化学气相淀积法及液态外延法（Liquid Phase Epitaxy，简称LPE）。,单结硅基薄膜电池的结构及工作原理,在常规的单晶和多晶

13、太阳电池中，通常是用pn结结构，由于载流子的扩散长度很高，所以电池的厚度取决于所用硅片的厚度。对于硅基薄膜太阳能电池，所用的材料通常是非晶或微晶材料，材料中载流子的迁移率和寿命，都比在相应的硅体材料中低很多，载流子的扩散长度也比较短，选用通常的pn结的电池结构，光生载流子在没有扩散到结区之前就会被复合。如果用很薄的材料，光的吸收率会很低，相应的光生电流也很小。,为了解决这一问题，硅基薄膜电池采用p-i-n结构。p层和n层分别是硼掺杂和磷掺杂的材料；i层是本征材料。,鉴于掺杂层内缺陷态浓度很高，当太阳光照射到电池上时，光生载流子主要产生在本征层中。,非晶硅薄膜电池通常分为两种结构，即p-i-n和

14、n-i-p结构。p-i-n结构的电池一般沉积在玻璃衬底上，以p、i、n的顺序连续淀积各层而得。由于光是透过玻璃入射到太阳电池的，所以人们也将玻璃叫做衬顶，在玻璃衬底上要先淀积一层透明导电膜（TCO）。透明导电膜有两个作用，其一是让光通过衬底进入太阳电池，其二是提供收集电流的电极（称顶电极）。,在透明导电膜上依次淀积的是p层、i层和n层，其中p层通常采用非晶碳化硅合金（a-SiC：H）。由于非晶碳化硅合金的禁带宽度比非晶硅宽，其透过率比通常的p型非晶硅高，所以p型非晶硅碳化硅合金也叫窗口材料。,为了降低界面缺陷密度，一般采用一个缓变的碳过渡层（buffer layer），这样可以有效地降低界面态

15、密度，提高填充因子。在过渡层上面可以直接沉积本征非晶硅层，然后沉积n层,使用p型非晶碳化硅合金优点：可以有效地提高电池的开路电压和短路电流；缺点：p型非晶碳化硅合金和本征非晶硅在p/i界面存在带隙的不连续性，在界面处容易产生界面缺陷，从而产生界面复合，降低电池的填充因子（FF）。,开路电压Voc是太阳电池的重要参数之一它取决于本征层的禁带宽度，宽带隙的本征材料可以产生较大的开路电压，而窄带隙的材料产生较小的开路电压。开路电压的大小还取决于掺杂层的特性，特别是掺杂浓度，尤其是p层掺杂浓度。为了增加开路电压，人们通常采用非晶碳化硅合金（a-SiC：H）或微晶硅（uc-Si：H）作为p层材料。开路电

16、压的幅度还取决于本征层的质量。,背电极,在沉积完非晶硅层后，背电极可以直接沉积在n层上。常用的背电极是蒸发铝和银。一方面由于银的反射率比铝高，使用银电极可以提高电池的短路电流，实验室中常采用银做背电极。另一方面由于银的成本比铝高，而且在电流的长期可靠性方面存在一些问题，在大批量非晶硅太阳电池的生产中铝电极仍然是常用的。,氧化锌（ZnO）,为了提高光在背电极的有效散射，在沉积背电极之前可以在n层上沉积一层氧化锌（ZnO）。氧化锌有两个作用，首先它有一定的粗糙度，可以增加光散射，其次它可以起到阻挡金属离子扩散到半导体中的作用，从而降低由于金属离子扩散所引起的电池短路。,n-i-p单结非晶硅薄膜太阳

17、电池,与p-i-n结构相对应的是n-i-p结构。这种结构通常是沉积在不透明的衬底上，如不锈钢和塑料。由于硅基薄膜中空穴的迁移率比电子的要小近两个数量级，所以硅基薄膜电池的p区应该生长在靠近受光面的一侧,先在衬底上沉积背反射膜。常用的背反射膜包括银/氧化锌（Ag/ZnO）和铝/氧化锌（Al/ZnO）。同样考虑到成本因素，银/氧化锌常用在实验室中，而铝/氧化锌多用在大批量太阳电池的生产中。在背反射膜上依次沉积n型、i型和p型非晶硅或微晶硅材料，然后在p层上沉积透明导电膜。常用的透明导电膜是氧化铟锡（ITO）。其厚度一般仅为70nm，厚度很薄，要在ITO上面添加金属栅线，以增加光电流的收集率。,与p

18、-i-n结构相比，n-i-p结构有以下几个特点。首先是先在背反射膜上沉积n层，由于通常的背反射膜是金属/氧化锌，氧化锌相对稳定，不易被等离子体中的氢离子刻蚀，所以n层可以使用非晶硅或微晶硅。另外，电子的迁移率比空穴的迁移率高的多，所以n层的沉积参数范围比较宽。其次，p层是沉积在本征层上，所以p可以用微晶硅。使用微晶硅p层有许多优点。微晶硅对短波吸收系数比非晶硅小，所以电池的短波响应好。使用微晶硅p层可以有效地提高电池的开路电压。,n-i-p结构缺点,首先，由于要在顶电极ITO上加金属栅电极来增加其电流的收集率，所以电池的有效受光面积会减小。其次，由于ITO的厚度很薄，ITO本身很难具有粗糙的绒

19、面结构，所以这种电池的光散射效应主要取决于背反射膜的绒面结构，因此对背反射膜的要求比较高。,多结硅基薄膜太阳电池的结构及工作原理,由于太阳光具有很宽的光谱，对于太阳电池有用的光谱区覆盖紫外光，可见光和红外光。显然用一种禁带宽度的半导体材料不能有效地利用所有太阳光子的能量。一方面对于光子能量小于半导体禁带宽度的光在半导体中的吸收系数很小，对于太阳电池的转换效率没有贡献。另一方面对于光子能量远大于禁带宽度的光，有效的能量只是禁带宽度的部分，大于禁带宽度的部分能量通过热电子的形式损失掉。基于这种原理，利用多结电池可以有效地利用不同能量的光子。在以非晶硅，非晶锗硅合金和微晶硅为吸收材料的太阳电池中，多

20、采用双结或三结的电池结构。,单结、双结和三结电池结构,图3.9美国联合太阳能公司开发研究的单结、双结和三结电池结构示意图(a)单结（b）同带隙双结（c）双带隙双结（d）三结,通常顶电池的本征层选择禁带宽度较宽的非晶硅。在早期的研究中人们也曾采用过非晶碳化硅合金作为顶电池的本征层，但是由于其缺陷态密度太高，电池的转换效率太低，所以目前已经很少有人采用非晶碳化硅合金了。理论上讲底层电池的本征层应选禁带宽度小的材料。早期使用的窄带隙材料为非晶锗硅合金。目前非晶锗硅合金仍然是美国联合太阳能公司和日本富士电力公司太阳电池生产中使用的窄带隙材料。自从微晶硅被用来作为太阳电池的本征层以来，微晶硅作为多结电池

21、中底电池的本征层得到了深入的研究。然而由于许多技术上的困难，目前微晶硅还处于实验室阶段。一些公司（如日本三菱重工业公司）开始中试或小规模的生产。,多结电池的工作原理,以双结电池为例，其结构是有两个n-i-p结串联而成。在理想情况下整体器件的光电压等于两个电池光电压之和，而光电流等于两个子电池光电流中较小的一个。不同的多结电池在器件的设计中会遇到不同的问题。,a-Si:H/a-Si:H双结太阳电池,非晶硅/非晶硅（a-Si:H/a-Si:H）双结电池不仅是最简单的多结电池，而且是目前在大规模生产中被广泛采用的一种器件结构。虽然其顶电池和底电池都是非晶硅，但是通过调整顶电池和底电池中本征层的沉积参

22、数可以使其禁带宽度有所不同。一般顶电池的本征层在较低的衬底温度下沉积。在低温下材料中氢的含量较高，所以禁带较宽。而底电池的本征层可以在相对高的衬底温度下沉积。高温材料中氢的含量相对较低，材料的禁带宽度较小。但是无论如何非晶硅的禁带宽度的可调整的范围都很小。为了使其底电池有足够的电流，底电池的本征层要比顶电池的本征层厚得多。例如，在以镀有银/氧化锌的不锈钢（SS/Ag/ZnO）为衬底的a-Si:H n-i-p/a-Si:H n-i-p双结电池，其顶电池和底电池本征层的厚度分别为100nm和300nm左右。,限制a-Si:H/a-Si:H双结太阳电池转换效率的主要参数是短路电流。主要问题是底电池的

23、波长响应不好。为了提高底电池的波长响应，非晶锗硅合金（a-SiGe:H）是理想的底电池本征材料。通过调节等离子体中硅烷（或乙硅烷）和锗烷的比率可以调节材料中的锗硅比来调节材料的禁带宽度。对于a-Si:H/a-SiGe:H双结太阳电池的底电池，其最佳锗硅比在15%20%。相应的禁带宽度在1.6eV左右。利用这种材料得到的单结a-SiGe:H电池的开路电压在0.750.8V，短路电流可达2122mA/cm2。利用这种a-SiGe:H底电池和a-Si:H顶电池组成双结电池可以得到总电流约为2223 mA/cm2。美国联合太阳能公司所报道的最佳a-Si:H/a-SiGe:H的初始和稳定转换效率分别为1

24、4.4%和12.4%。,a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结太阳电池,为了进一步提高太阳电池的效率，三结电池成为研究的对象。早在20世纪80年代。美国能源转换器件公司（ECD）就开始了a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结太阳电池的研究。其电池结构是以不锈钢为衬底，在衬底上沉积背反射膜，然后三结n-i-p电池依次沉积在衬底上。早在1987年就取得了13%的初始转换效率。在1977年他们又取得了14.6%的初始转换效率和13%的稳定转换效率。从对三结电池的测试曲线可以看出，三结电池可以有效地利用太阳光谱。其光谱响应覆盖整个300950nm光谱区。三结电池中三个单结电

25、池的填充因子不同。由于顶电池是很薄的非晶硅电池，其本征层中的缺陷态密度比非晶锗硅中缺陷态密度低，而底电池的本征层中锗的含量比中间电池本征层的锗含量高，相应的缺陷态密度高，所以底电池的填充因子最低。因为a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结太阳电池不仅效率高，而且稳定性好，所以这种电池结构被美国联合太阳能公司用在大规模太阳电池的生产中。,混合型（Hybrid）叠层薄膜太阳电池,一般在低温生产的单一结构的微晶硅薄膜太阳电池的转换效率仅能达到10%左右，要想进一步提供转换效率，必须在设计上或材料上有很大的突破才行。近来有一种较新的结构，是将两个或三个不同的太阳电池串叠在一起，而形成所谓

26、的混合型结构，也称为串叠结构。在这种结构中，将多晶薄膜硅电池与非晶薄膜硅电池串叠在一起，由于两者对太阳光的吸收特性不同（亦即两者所吸引的太阳光谱范围不同）因此两者的结合便可以有效的吸收更广的太阳光谱能量，而改善太阳电池的效率。,将多晶硅薄膜太阳电池与非晶硅太阳电池串叠在一起的混合型结构,混合型太阳电池的组件结构,硅基薄膜太阳电池制备技术,目前在硅基薄膜太阳电池生产中主要有两种技术，其中一种是以玻璃为衬底的p-i-n结构，另一种是以不锈钢或塑料薄膜为柔性衬底的n-i-p结构。以玻璃为衬底的电池模板的生产分为以下几个步骤：制备透明导电膜，透明导电膜的激光切割，非晶硅电池的沉积，非晶硅层的激光切割，

27、金属背电极的沉积，金属背电极的激光切割，漏电流的钝化，边缘绝缘处理，EVA封装。首先将镀有TCO的玻璃基板，先传送到第一个炉室内长p-型非晶硅薄膜，而第一个炉室内所使用的气体为SiH4及B2H6。接着传输到第二个炉室内长i-型非晶硅薄膜（亦即不含掺杂物），所以其所使用的气体只有SiH4,第三个炉室内使用的是SiH4及PH3。大部分的商业化非晶硅太阳电池组件都是采用这种连续性PECVD的生产方式。,超声波玻璃清洗机（重要设备）（镀膜前清洗）,工艺：洗的是膜表面上的污垢和灰尘及一种高分子材料要求：导电玻璃,不在生产线上用，速度越快越好；离线使用，单面清洗；导电玻璃最初清洗的材料是一种高分子材料（类

28、似塑料），清洗液可能是水，也可能是四氢呋喃THF。,玻璃衬底的制备,以玻璃为衬底的硅基薄膜电池的首道工序是制备透明导电膜。常用的透明导电膜是氧化锡（SnO2）。用于太阳电池需要大量的透明导电膜。因此有专门的公司生产透明导电膜。所用的玻璃是含钠离子较低的玻璃。为了阻挡金属离子扩散到半导体材料中，在沉积透明导电膜之前首先要沉积一层二氧化硅。二氧化硅的厚度在50nm左右。然后再用热分解或溅射等方法沉积氧化锡。,激光划线机1（重要设备）,工艺：这一步主要是划刻 氧化锡，使用的1064纳米波长的红外激光器要求：刻蚀速度、激光源寿命、操作系统是否简单且方便操作、Dead area无用区域大小（三条刻膜线总

29、线宽）、划刻线宽、系统产能（MW/年）,衡量透明导电膜的质量有三个指标。首先电导率，由于透明导电膜本身是电池的正电极，因此透明导电膜的电导率直接影响电池的串联电阻，进而影响电池的填充因子。其次光透过率。透过率的大小直接影响电池的电流。最后是透明电导膜表面的绒面织构（texture），绒面质量决定光的散射效果。由于非晶硅电池本身比较薄，光的散射效应对于增加电池的短路电流是极为重要的。常规的氧化锡透明导电膜有一个重要的缺点，高浓度的原子氢会损伤氧化锡透明导电膜。未来解决这一问题，人们开始研究新的透明导电膜。较为理想的材料是氧化锌（ZnO）。首先氧化锌在氢气等离子体条件下较为稳定，其次氧化锌的透光率

30、较高。本征氧化锌的主要问题是电导率不够高。为了解决这样问题，人们采用掺杂的方法来增加其电导率。常用的掺杂元素是铝（Al）或镓（Ga）。为了提高光的散射效应。人们利用化学刻蚀的方法增加氧化锌的粗糙度。,硅基薄膜层的沉积,与所有的非晶硅生产线相同，非晶硅薄膜的沉积设备是整个生产线中最重要的设备，其中最简单的是单室设备，也就是非晶硅电池的p-i-n层都在同一反应室内沉积。目前应用较广泛的是由美国EPV公司设计的单室设备，这种设备可以同时装入48片玻璃衬底，太阳电池中所有不同层都在同一反应室内沉积。设备的优点是成本低，运行稳定；缺点是气体的交叉污染。由于设备的成本低，所以相应的太阳电池的成本低，投资方

31、可以在较多的时间内将投资收回。,单室设备的最大问题是反应气体的交叉污染。电池的简单结构是p-i-n，其中p层的生长过程中需要含硼的气体，常用的气体是硼烷（B2H6），三甲基硼（B（CH3）3），或三氟化硼（BF3）。在沉积完p层后，反应室中总是会有一定的含硼的残留气体，这些含硼的残留气体影响本征层的质量。同样n层的沉积过程中需要含磷的气体，如磷烷（PH3）。在沉积完n层后，残留的含磷气体也会对下结电池的p层产生一定的影响。为了将交叉污染的影响降低，在每层沉积后要用氢气对反应室进行冲洗。,虽然单室设备存在反应气体交叉污染的问题，但是由于设备造价低、运行稳定等特点，单室设备还是吸引了许多公司的重视

32、。日本Kanaka公司最近利用单室设备制备出初始效率为13.4%的a-Si：H/uc-Si：H双结电池。从这一结果可以看出，如果在技术上能有效地控制减少掺杂气体的交叉污染，利用单室反应系统是降低生产成本最为有效的方法。,多室反应系统是生产高效硅基薄膜电池的重要手段。多室系统可以有效地避免反应气体的交叉污染，降低本征层中的杂质含量，提高太阳电池的效率。同时电池的不同层可以同时沉积。多室系统的缺点是设备成本高，需要维护的部件多。对于生产规模较大的企业，多室分离沉积系统仍然是以玻璃为衬底的硅基薄膜太阳电池的重要沉积设备。目前包括美国应用材料公司（Applied Materials）在内的一些主要半导

33、体设备企业开始研究和开发为薄膜硅太阳电池生产用的大型等离子体辉光放电沉积设备。,硅基薄膜太阳电池的互联和封装,以玻璃为衬底的p-i-n型硅基薄膜电池的生产工艺中，电池的互联和封装是非常重要的。为了提高电池的电压，通常采用激光刻蚀的方法将大面积的电池分割成较窄的电池条，然后将每一条电池串联起来，这样可以提高电池板的电压。在沉积非晶硅或微晶硅之前，先用激光将透明导电膜刻成相互绝缘的条形电极，电极的宽度通常设计在1cm左右；激光刻蚀的刻痕宽度为10-20um。,以玻璃为衬底的非晶硅薄膜电池串联结构示意图,工艺：这一步主要是划刻非晶硅a-Si，使用的532纳米波长的绿激光器,在非晶硅或微晶硅电池沉积完

34、成后，第二次激光切割将薄膜硅切成条。薄膜硅的激光切割线要接近透明导电膜的切割线，如离透明导电膜的切割线10um。,工艺：主要是透明氧化物TCO镀膜，金属（银或铝）背电极镀膜,在完成第二次激光切割后，进行金属背电极的沉积。背电极的沉积一般使用溅射法。在被激光刻蚀的硅薄膜处，金属背电极与前面透明导电膜相连接。,工艺：这一步主要是划刻 铝或者银以及氧化锌膜，使用的532纳米波长的绿激光器,在完成背电极的沉积后，在靠近第二道激光刻痕处进行最后一道激光切割，第三次激光切割将背电极和薄膜硅层一同切开，这样就实现了每条电池间的串联。,在电池的边缘还要进行最后一次激光切割将背电极，薄膜硅，和透明导电膜一同切掉

35、，从而实现电池与周边的绝缘。,Data from APPLIED MATERIALS,TCO Laser Scribe,Data from APPLIED MATERIALS,非晶矽薄膜沉積,Glass,TCO,a-Si/c-Si,Data from APPLIED MATERIALS,a-Si Laser Scribe,Data from APPLIED MATERIALS,反射層沉積,Data from APPLIED MATERIALS,Back Reflector/Contact Laser Scribe,TCO,TCO（Transparent conducting oxide）玻璃，

36、即透明导电氧化物镀膜玻璃，是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。,TCO镀膜玻璃的特性及种类,透明导电氧化物的镀膜原料和工艺很多，通过科学研究进行不断的筛选，目前主要有以下三种TCO玻璃与光伏电池的性能要求相匹配。,ITO（Indium tin oxide 氧化铟锡）,ITO镀膜玻璃是一种非常成熟的产品，具有透过率高，膜层牢固，导电性好等特点，初期曾应用于光伏电池的前电极。但随着光吸收性能要求的提高，TCO玻璃必须具备提高光散射的能力，而ITO镀膜很难做到这一点，并且激光刻蚀性能也较差。铟为

37、稀有元素，在自然界中贮存量少，价格较高。ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定，因此目前ITO镀膜已非光伏电池主流的电极玻璃。,FTO氧化锡（Stannic oxide）,SnO2镀膜也简称FTO，目前主要是用于生产建筑用Low-E玻璃（低辐射玻璃）。其导电性能比ITO略差，但具有成本相对较低，激光刻蚀容易，光学性能适宜等优点。通过对普通Low-E的生产技术进行升级改进，制造出了导电性比普通Low-E好，并且带有雾度的产品。利用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜光伏电池的主流产品。,氧化锌,氧化锌基薄膜的研究进展迅速，材料性能已可与ITO相比拟，结构为六方纤锌矿型。其中铝掺杂的氧化锌薄

38、膜研究较为广泛，它的突出优势是原料易得，制造成本低廉，无毒，易于实现掺杂，且在等离子体中稳定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO产品。目前主要存在的问题是工业化大面积镀膜时的技术问题。,光伏电池对TCO镀膜玻璃的性能要求,1.光谱透过率 2.导电性能3.雾度 4.激光刻蚀性能 5.耐气候性与耐久性,光谱透过率,为了能够充分地利用太阳光，TCO镀膜玻璃一定要保持相对较高的透过率。目前，产量最多的薄膜电池是双结非晶硅电池，并且已经开始向非晶/微晶复合电池转化。因此，非晶/微晶复合叠层能够吸收利用更多的太阳光，提高转换效率，即将成为薄膜电池的主流产品。,导电性能,TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电

39、能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他元素，使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素被称为杂质，掺杂后的半导体称为杂质半导体。氧化铟锡（ITO）透明导电玻璃就是将锡元素掺入到氧化铟中，提高导电率，它的导电性能在目前是最好的，最低电阻率达10-5cm量级。,雾度,为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力，光伏 用TCO玻璃需要提高对透射光的散射能力，这一能力用（Haze）来表示。雾度即为透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊的外观。以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。一般情况下，普通镀膜玻璃 要求膜层表面越光滑越好，雾度越小越好，但光伏用TCO玻璃则要求有一定的光散

40、射能力。目前，雾度控制比较好的商业化TCO玻璃是AFG的PV-TCO玻璃，雾度值一般为1115。其中不包含散射时的直接透过率曲线。,激光刻蚀性能,薄膜电池在制作过程中，需要将表面划分成多个长条状的电池组，这些电池组被串联起来用以提高输出能效。因此，TCO玻璃在镀半导体膜之前，必须要对表面的导电膜进行刻划，被刻蚀掉的部分必须完全除去氧化物导电膜层，以保持绝缘。刻蚀方法目前有化学刻蚀和激光刻蚀两种，但由于刻蚀的线条要求很细，一般为几十微米的宽度，而激光刻蚀具有沟槽均匀，剔除干净，生产效率快的特点。,耐气候性与耐久性,TCO镀膜一般都使用“硬膜”镀制工艺，膜层具有良好的耐磨性、耐酸碱性。光伏电池在安

41、装上以后，尤其是光伏一体化建筑安装在房顶和幕墙上时，不适宜进行经常性的维修与更换，这就要求光伏电池具有良好的耐久性，目前，行业内通用的保质期是二十年以上。因此，TCO玻璃的保质期也必须达到二十年以上。,硅基薄膜太阳电池的互联和封装,在完成所有的激光切刻后要进行超声波清洗，将激光切刻的残留物清除。之后还要进行电池的钝化，利用反向偏压产生的电流将所有的短路区烧掉。在进行最后封装之前要进行特性的测试。一般是在大面积太阳模拟器下测量电池的短路电流，开路电压和填充因子，并将不合格的产品去除。生产电池板的最后一道工序是电池的封装，包括利用乙烯醋酸乙烯酯共聚物将另一块玻璃封装到电池板上，将电池接上引线，装上框架等。在出厂之前还要进行电池特性的测量。,太阳电池板的生产是一个非常复杂的多步骤过程。任何工艺过程中的失控都会影响产品的质量，因此生产过程中的在线监测和控制是非常重要的。特别是非晶硅和微晶硅各层的沉积过程必须严格稳定的控制。除了通常的监测等离子体的偏压外，人们还利用监测等离子体发光光谱（OES）来监测等离子体的稳定性。随着现代自动化控制水平的不断提高，硅基薄膜太阳电池的生产工艺得到改进，产品合格率逐渐提高。,各类太阳能性能比较,三种硅基太阳能电池性能分析,uc-si:H,pc-si:H,nc-si:H,