光電子非晶硅電池論文

1、光電子學(xué)論文題 目非晶硅太陽能電池研究班 級姓 名。學(xué) 號指導(dǎo)教師0000目錄 TOC o 1-5 h z 摘要1 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 引言1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2非晶硅薄膜太陽能電池2非晶硅太陽電池的發(fā)展歷程23.1非晶硅太陽電池的誕生33.1.2理論上的突破33.2非晶硅太陽電池的初期發(fā)展43.2.1初期的技術(shù)進(jìn)步和繁榮4 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 3.2.2a-SI太陽電池的優(yōu)勢5 HYPERLINK

2、l bookmark31 o Current Document 3.3非晶硅太陽電池技術(shù)完善與提高53.4非晶硅太陽電池的未來發(fā)展63.4.1現(xiàn)有a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)的市場開發(fā)6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.4.2技求進(jìn)一步發(fā)展的方向6國內(nèi)外非晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)及市場分析64.1非晶硅系列太陽能電池發(fā)展迅猛7 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4.3國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題75結(jié)論76參考文獻(xiàn)8摘要：隨著煤炭、石油等現(xiàn)有能源的頻頻告急和生態(tài)環(huán)境的惡化.使得人類 不得不盡快尋

3、找新的清潔能源和可再生資源。其中包括水能、風(fēng)能和太陽能，而 太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等優(yōu)勢使其必將成為21世紀(jì)的最主要能源之 一。太陽是一個巨大的能源，其輻射出來的功率約為其中有被地球截取，這部 分能量約有的能量闖過大氣層到達(dá)地面，在正對太陽的每一平方米地球表面上 能接受到1kw左右的能量。目前太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種形式。太陽能熱發(fā)電是利用聚 光集熱器把太陽能聚集起來，將一定的工質(zhì)加熱到較高的溫度（通常為幾百攝氏 度到上千攝氏度），然后通過常規(guī)的熱機動發(fā)電機發(fā)電或通過其他發(fā)電技術(shù)將其 轉(zhuǎn)換成電能。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡?能的一種技術(shù)。目前

4、光一電轉(zhuǎn)換器有兩種：一種是光一伽伐尼電池，另一種是光 伏效應(yīng)。由一個或多個太陽能電池片組成的太陽能電池板稱為光伏組件，將光伏 組件串聯(lián)起來再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。因為光伏發(fā)電 規(guī)模大小隨意、能獨立發(fā)電、建設(shè)時間短、維護(hù)起來也簡單.所以灰0年代開始 光伏發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，日本、德國、美國都大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，他們走在 了世界的前列，我國在光伏研究和產(chǎn)業(yè)方面也奮起直追，現(xiàn)在以每年20%的速度 迅速發(fā)展。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電 太陽能電池 硅基太陽能電池 非晶硅太陽能電池1.引言1976年卡爾松和路昂斯基報告了無定形硅（簡稱a 一 Si）薄膜太陽電他的誕 生。當(dāng)時、面積樣品的光電轉(zhuǎn)

5、換效率為2. 4%。時隔20多年，a 一 Si太陽電池 現(xiàn)在已發(fā)展成為最實用廉價的太陽電池品種之一。非晶硅科技已轉(zhuǎn)化為一個大規(guī) 模的產(chǎn)業(yè)，世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷售額在 10億美元以上。應(yīng)用范圍小到手表、計算器電源大到10Mw級的獨立電站。涉及 諸多品種的電子消費品、照明和家用電源、農(nóng)牧業(yè)抽水、廣播通訊臺站電源及中 小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a 一 Si太陽電池成了光伏能源中的一支生力軍，對整個潔凈 可再生能源發(fā)展起了巨大的推動作用。非晶硅太陽電他的誕生、發(fā)展過程是生動、 復(fù)雜和曲折的，全面總結(jié)其中的經(jīng)驗教訓(xùn)對于進(jìn)一步推動薄膜非晶硅太陽電池領(lǐng) 域的科技進(jìn)步和相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)

6、業(yè)的發(fā)展有著重要意義。況且，由于從非晶硅材 料及其太陽電池研究到有關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的典型事 例，其中的規(guī)律性對其它新興科技領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會有有益的啟示。本 文將追述非晶硅太陽電他的誕生、發(fā)展過程，簡要評述其中的關(guān)鍵之點，指出進(jìn) 一步發(fā)展的方向。非晶硅薄膜太陽能電池開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶 硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速 發(fā)展，其實早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作， 近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上已有許多家公司在生產(chǎn)該種電 池產(chǎn)品。非晶硅

7、半導(dǎo)體材料的最基本特征是組成原子的排列為長程無序、短程有序， 原子的鍵合類似晶體硅，形成一種共價無規(guī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這結(jié)構(gòu)，不是無規(guī)理想的 網(wǎng)絡(luò)模型，其中含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵和空洞等。非晶硅電池的 工作原理與單晶硅電池類似，都是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。與 單晶硅電池不同的是，非晶硅電池光生載流子只有漂移運動而無擴散運動，原因 是由于非晶硅結(jié)構(gòu)中的長程無序和無規(guī)網(wǎng)絡(luò)引起的極強散射作用，使載流子的擴 散長度很短。如果在光生載流子的產(chǎn)生處或附近沒有電場存在，則光生載流子受 擴散長度的限制，將會很快復(fù)合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電.3. 池設(shè)計成為pin型，其中p層

8、是入射光層，i層是本征吸收層，處在p和n產(chǎn)生的內(nèi) 建電場中。當(dāng)入射光通過p+層進(jìn)入1層后，產(chǎn)生電子-空穴對，光生載流子一旦產(chǎn) 生后就由內(nèi)建電場分開，空穴漂移到p+邊，電子飄移到n邊，形成光生電流和光 生電壓。非晶硅光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏 感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著 光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解 決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、 n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提 高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電

9、池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：它把不同禁帶寬度的材 科組臺在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場 強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；底電池產(chǎn)生的載流子約為單電 池的一半，光致衰退效應(yīng)減?。化B層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，襯底可以為玻璃、不銹鋼、特種 塑料、陶瓷等（圖3.2為非晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)的示意圖）。玻璃襯底的非晶硅電 池，光從玻璃面入射，電池的電流從透明導(dǎo)電膜（TCO）和鋁電極引出。不銹鋼 襯底的非晶硅電池與單晶硅電池類似，在透明導(dǎo)電膜上制備梳狀銀電極，電池的 電流從銀電極和不銹鋼引出。雙疊層的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是兩層結(jié)

10、構(gòu)使用相同的 非晶硅材料；一種是上層使用非晶硅合金，下層使用非晶硅錯合金，以增加對長 波光的吸收；上層使用寬能隙的非晶硅合金做本征層，以吸收藍(lán)光光子；中間層 用含錯約15%的中等帶隙的非晶硅錯合金，以吸收紅光。三疊層的結(jié)構(gòu)與雙疊層 的結(jié)構(gòu)類似。非晶硅材料由氣相沉積法形成的。根據(jù)離解和沉積方法的不同，可分為輝光 放電分解法（GD）、濺射法（SP）、真空蒸發(fā)法、光化學(xué)氣相沉積法（CVD）和熱 絲法（HW）等多種。其中等離子增強化學(xué)氣相沉積法（PECVD）是已被普遍采用 的方法，ECVD沉積非晶硅的方法中，PECVD的原料氣一般采用SiH4，和H2，制 備疊層電池時用SiH4，和GeH4，加入B2H

11、6，和PH5可同時實現(xiàn)摻雜。SiH4和GeH4 在低溫等離子體的作用下分解產(chǎn)生aSi或aSiCe薄膜。此法具有低溫工藝和 大面積薄膜的生產(chǎn)等特點，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。非晶硅電池具有如下優(yōu)點：制造成本低。這是因為：半導(dǎo)體層光吸收系數(shù)比晶體硅大一個數(shù)量級， 電池厚度只需1m左右，約為晶體硅電池的1/300,可節(jié)省大量硅材料?？芍?接沉積出薄膜，沒有切片損失?？刹捎眉杉夹g(shù)在電池制備過程中一次完成組 件，工藝過程簡單。電池的pin結(jié)是在20.0C左右的溫度下制造的，比晶體硅 電池的8001000C的高溫低得多，能源消耗小。電池的單片面積可大到 0.71.0m2,組裝方便，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。能源消耗的

12、回收期短。每平方米非晶硅電池的生產(chǎn)能耗僅為l00kWh左 右，能源回收期僅為l1.5a，比晶體硅低得多。發(fā)電量多。據(jù)測試，在相同條件下，非晶硅電池的發(fā)電量較單晶硅電池 高8%左右，較多晶硅電池高13%左右。售價低。目前約比晶體硅電池的售價約低1/41/3。.4.非晶硅太陽電池的發(fā)展歷程3.1非晶硅太陽電池的誕生3.1.2理論上的突破1957年斯皮爾成功地測量了 a 一 Se材料的漂移遷移率；1958年美國的安德松第 一次在論文中提出，無定形體系中存在電子局域化效應(yīng)：1960年，前蘇聯(lián)人約 飛與熱格爾提出了對非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的論點，即決定固體的基本電子 特性是屬于金屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的

13、主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，.6.即最近鄰的原子配位情況，同年美國人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無定形半導(dǎo)體材料具 有電子開關(guān)存儲作用。從1966年到1969年有關(guān)科學(xué)家深入開展了基礎(chǔ)理論研究， 解決了非晶半導(dǎo)體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott 一 CFO模型和遷移 邊的思想3.2非晶硅太陽電池的初期發(fā)展3.2.1初期的技術(shù)進(jìn)步和繁榮半導(dǎo)體巨型電子器件一一太陽電池可用廉價的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā) 了科研人員、研究單位紛紛投入到這個領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和 許多國家政府的關(guān)注，從而推動了非晶硅太陽電他的大發(fā)展。世界上出現(xiàn)了許多 以a-Si太陽電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分

14、支。例如，美國的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等CHRONAR公司是a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的 急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國家輸出了 6條MW級生產(chǎn)線。美、日各 公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗電站，最大的有100kW容量。在 80年代中期，世界上太陽電他的總銷售量中非晶硅占有40%，出現(xiàn)非晶硅、多 晶硅和單晶硅三足鼎立之勢。3.2.2a-SI太陽電池的優(yōu)勢技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢 主要表現(xiàn)在以下方面：（1）材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等， 價格低廉。硅薄膜厚度不到

15、1 m，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為 低溫工藝（100 300 C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短）（2）易于形成 大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a 一 Si合 金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn).n結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)； 生產(chǎn)可全流程自動化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽電池易于實現(xiàn)集成 化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便地制作出適 合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，晴電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的 微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié) 實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太

16、陽電池。靈活多樣的制造方法，可以制造.7.建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。3.3非晶硅太陽電池技術(shù)完善與提高由于發(fā)展勢頭遭到挫折，80年代末90年代初，非晶硅太陽電他的發(fā)展經(jīng)歷了一 個調(diào)整、完善和提高的時期。人們一方面加強了探索和研究，一方面準(zhǔn)備在更高 技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中心任務(wù)是提高電它的穩(wěn)定化效率。為此 探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊 層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮， 先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量 級，生產(chǎn)流程實現(xiàn)全自動。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件

17、壽命在10年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達(dá)到6%-8% ；中試組件(面積900cm2左右)效率達(dá)9%11% ；小面積電池最高效率達(dá)14.6%。3.4非晶硅太陽電池的未來發(fā)展3.4.1現(xiàn)有a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)的市場開發(fā)非晶硅太陽電池?zé)o論在學(xué)術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功。金世界的生產(chǎn) 能力超過50兆瓦。處于高校術(shù)檔次的約占一半。最大的生產(chǎn)線規(guī)模為年產(chǎn)10MW 組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負(fù)荷正常運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達(dá)1.1美元/峰.9. 瓦左右。據(jù)預(yù)測，若太陽電池成本低于每峰瓦1美元，壽命20年以上，發(fā)電系 統(tǒng)成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力

18、競爭。與其它品種太 陽電池相比，非晶硅太陽電池更接近這一理想的目標(biāo)。非晶硅大陽電池目前雖不 能與常規(guī)電力競爭，但在許多特別的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而 且具有比較明顯的優(yōu)勢，比如說，依托于建筑物的屋頂電站，由于它不占地亂免 除占地的開支，發(fā)電成本較低。作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲能裝備，太陽電池在發(fā) 電成本中有最大比重，太陽電池低成本就會帶來電力低成本。3.4.2技求進(jìn)一步發(fā)展的方向非晶硅太陽電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又 面臨廉價的其它薄膜太陽電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā) 展，以便在未來的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應(yīng)努力開拓市場，將

19、現(xiàn)有技 術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應(yīng)用外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揚它對晶體硅電池在成 本價格上的優(yōu)勢和對其它薄膜太陽電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢，在克服自身弱點上下 功夫。進(jìn)一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方 向如下：加強a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達(dá)到基本上消除薄膜硅 太陽電池性能的光致衰退。加強晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來的薄膜硅太陽電池產(chǎn)品 既具備a 一 Si薄膜太陽電池低成本的優(yōu)勢，又具備晶體硅太陽電池長壽、高效 和高穩(wěn)定的優(yōu)勢。加強帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價特色的混合疊層電他的研 究，把aSi太陽電池的優(yōu)點與其它太陽電池的優(yōu)

20、點嫁接起來。（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時機地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù) 水平上實現(xiàn)更大規(guī)模的太陽電池產(chǎn)業(yè)化和市場商品化。國內(nèi)外非晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)及市場分析4.1非晶硅系列太陽能電池發(fā)展迅猛目前，晶體硅太陽能電池因較高的轉(zhuǎn)化效率和成熟的生產(chǎn)工藝是太陽能電 池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的主要方向，而化合物薄膜等新技術(shù)太陽能電池雖然具有相對較 低的成本，但生產(chǎn)工藝還不成熟，且目前商業(yè)化的薄膜型太陽光電模塊效率相比 主流的結(jié)晶硅型效率（1517%）仍然較低，一般多在10%以下。以2004年數(shù)據(jù)分 析，各種太陽能電池中晶體硅平板太陽能電池占總產(chǎn)量的84.6%，非晶硅電池 產(chǎn)量占3.9%，其他為薄膜或帶硅

21、太陽能電池。現(xiàn)在，一個世界性的問題是制造太陽能的電池的硅原材料緊缺，盡管2008 年全世界硅原材料供應(yīng)增長了 12%，但仍然供不應(yīng)求，國際上長期供貨合同抬 價25%。持續(xù)的硅材料緊缺將對2008年太陽能電池生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響，預(yù)計. 2008年世界太陽能電池產(chǎn)量的增幅將被限制在10%左右。要解決硅材料的緊缺 問題預(yù)計將需要5年以上的時間。由于硅材的供不應(yīng)求，預(yù)期將限制2009年硅 基太陽電池產(chǎn)業(yè)的成長速度，然而這恰好也為第二代太陽電池技術(shù)，薄膜太陽電 池等非晶硅系產(chǎn)品提供了良好的發(fā)揮舞臺。4.2國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題太陽能電池用硅原材料缺乏已成為國際性的一大問題，對我國的影響尤為嚴(yán) 重。國內(nèi)太陽能電池廠商向國外生產(chǎn)廠家直接訂貨合同價格為40-60美元/kg； 同通過中間商的硅材料價格2005年一路飆升，一年之間已從25美元/kg上升 到超過200美元/kg，最近已達(dá)220美元/kg。以目前國際市場太陽能電池銷售 價4.0-4.2美元/W （離岸價）計算，如此昂貴的硅材料價格已使太陽能電池生 產(chǎn)廠無利潤可言，更為嚴(yán)重的是現(xiàn)在已有一些新上電池生產(chǎn)線、即使高價