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1、多晶硅薄膜太阳能电池的研制及开展趋势LPE法生长技术已广泛用于生长高质量和化合物半导体异质构造,如GaAs、AlGaAs、Si、Ge和SiGe等。LPE也可以在平面和非平面衬底上生长,能获得构造完美的材料。近年来用LPE技术生长晶体硅薄膜来制备高效薄膜太阳电池引起了广泛的兴趣。LPE生长可以进展掺杂,形成n-型和p-型层,LPE生长设备为通用外延生长设备,生长温度为300900,生长速率为0.2m/min2m/min,厚度为0.5m100m。外延层的形貌决定于结晶条件,并可直接获得具有绒面构造的外延层。7.2区熔再结晶法(ZMR法)在硅(或者其它廉价衬底材料)上形成SiO2层,用LPCVD法(
2、low-pressurechemicalvaporde-position)在其上沉积硅层(3m5m,晶粒尺寸为0.01m0.1m),将该层进展区熔再结晶(ZMR)形成多晶硅层。控制ZMR条件,可使再结晶膜中的腐蚀坑密度由1107cm-2下降到1.2106cm-2,同时(100)晶相面积迅速增加到90%以上。为了知足光伏电池对层厚的要求,在ZMR层上用CVD法生长厚度为50m60m的硅层作为激活层,用扫描加热使其晶粒增大至几毫米,进而形成绝缘层硅(sol),激活层为p型,电阻率为1cm2cm。为获得高质量的激活层,在进展LPCVD前,对ZMR层外表进展HCl处理。为制备多晶硅薄膜太阳电池,在激活
3、层外表进展腐蚀形成绒面构造,并进展n型杂质扩散形成p-n结,然后进展外表钝化处理和沉积减反射层,并制备电极,进展反面腐蚀和氢化处理,制作背电极,即制成多晶硅薄膜太阳能电池。7.3等离子喷涂法(PSM)采用DC-RF混合等离子系统,以纯度为9919999%、粒度为50m150m的p型晶体硅作为原材料,用Ar气作为携带气体,由DC-RF等离子体进展喷涂。原料贮存盒和携带气体管道涂覆Si2C2N2O化合物,防止杂质污染。硅粉在高温等离子体中加热熔化,熔化的粒子沉积在衬底上,衬底由加热器加热、沉积前,用红外热偶测试衬底温度,使之保持在1200。沉积室由不锈钢制成,用无油泵抽真空,其真空度为1.3310
4、-2Pa。等离子体由Ar和少量H构成,沉积时压强810-8Pa。沉积的多晶硅膜厚度为200m1000m。多晶硅晶粒尺寸为20m50m,沉积速度大于10m/s。用等离子体喷涂沉积多晶硅薄膜太阳电池,全部采用低温度等离子CVD工艺。用碱或者酸溶液腐蚀沉积的多晶硅层,在其上于200用等离子CVD形成厚度为20010-8cm的微晶硅作为发射层,并制备ITO减反射层和银浆电极构成太阳电池。面积为1cm2,在AM1.5、100mW/cm2条件下,电池转换效率为=4.3%。7.4叠层法在较低的温度300下,用叠层技术,在经预先氟化的玻璃衬底上沉积多晶薄膜,该方法类似于-Si:H薄膜。在低温度下用等离子增强化
5、学气相沉积法沉积大面积多晶硅薄膜。一般p-型掺杂多晶硅薄膜用叠层技术沉积,其厚度为0.28mm5.78mm。典型的沉积条件为:SiF4流量60sccm,氢流量为15sccm,沉积温度为300,微波功率为200W,压强为53.3Pa。进展卜型掺杂沉积时,在氢气中混合10ppmPH3,流量为18sccm。每次沉积持续和原子氢处理时间为10s。由于沉积时,掺杂用的PH3和原SiF4参加氢等离子体区域,这样可以较好地控制膜中的P和Si的比例。在100K400K温度范围内,用霍尔效应和电导测量确定其载流子输运特性。实验说明,材料构造是膜厚的函数,霍尔迁移率随膜厚度增加而增加,样品的最高迁移率区是在薄膜外
6、表附近。载流子电导由晶粒间界势垒决定。7.5化学气相沉积法(CVD)用化学气相沉积法(CVD),在铝陶瓷衬底上沉积3m5m的硅薄膜。为了获得高质量的硅薄膜,铝陶瓷衬底上预先沉积Si3N4/TiO2(65010-8cm)双层减反射膜。在硅薄膜沉积时,引入硼掺杂。用CW-Ar激光束熔化沉积的硅膜,在氮气氛中,400500下再结晶。制备薄膜太阳电池时,用常规方法进展p扩散和沉积ITO膜,用氢等离子来钝化晶体缺陷。电池也可以采用MgF2(1.010-8cm)/TiO2(65010-8cm)双层减反射膜,MgF2层用电子束蒸发方法沉积,TiO2层用常压CVD沉积。该方法制备的太阳电池厚度为4.2m,短路
7、电流为25.2mA/cm2,开路电压为0.48V,FF为0.53,=6.52%。7.6固相结晶法(SPC)开场材料-Si用SiH或者Si-H辉光放电沉积在平面或者绒面衬底上,沉积时加PH3,形成p-掺杂层,其作用起增强晶核和形成大晶核的作用。p-掺杂层典型的厚度为170nm,在其上沉积不掺杂的-Si层。通过改变沉积条件,如压力、RF功率等来改变不掺杂的-Si层的构造。沉积后,在真空中600下进展退火,使-Si层进展固相结晶,形成多晶硅。用Raman光谱研究未掺杂-Si构造和多晶硅膜关系,经Secco腐蚀显露出晶界,用扫描电镜测量晶粒尺寸和密度。用上述SPC法制备的多晶硅薄膜电池,其构造为衬底采
8、用钨,SPC后n型多晶硅厚度为10m,在n型多晶硅上沉积卜型-Si和p型-Si,其厚度为10m,在p型-Si上沉积70nm的ITO膜,并沉积金属电极。制作的多晶硅太阳电池,面积为1cm2,转换效率为6.3%,当波长为900nm时,电池的采集系数为51%,电池少数载流子扩散长度为11m,最高短路电流为28.4mA/cm2。p型掺杂层的p掺杂大于1020cm-3。7.7生长方法及特点比照8晶体硅薄膜电池的开展现状与趋势4近年来晶体硅薄膜太阳电池,在国外开展比拟迅速。为了使晶体硅薄膜太阳电池到达贸易化,努力将实验室结果推向市场,1998年制造出100cm2的薄膜太阳电池,其转换效率为8%。18个月后
9、,其效率在同样面积下到达10.9%,3年后12kW薄膜太阳电池系统投入市场。1994年底美国加利福尼亚成功建立了17.11kW硅薄膜太阳电池方阵系统,这个系统电池是利用高温热分解喷涂法制备的。在薄膜电池上覆盖了一层抗反射层,硅薄膜晶粒为毫米级,具有宏观构造性,减少了蓝色和远红外光的响应。1997年召开的第26届IEEEPVSC、第14届欧洲PVSEC和世界太阳能大会报道了UnitedSo-larSystem薄膜硅太阳电池,转换效率为16.6%,日本的Hanebo为9.8%,美国NREL提供的测试结果,USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜电池,面积为903cm2,其转换效率为10.2%,功率为
10、9.2W。我国晶体硅薄膜电池的研究仍处于实验室阶段。1982年长春应用化学研究所韩桂林等人用CVD法制备出晶体硅薄膜电池,并研究了多晶硅薄膜的生长规律和其根本的物理特性。详细制备工艺如下:在系统中采用高频加热石墨,系统抽真空后通氖气以驱除残留气体,加热石墨至所需温度,随即通入混合气体,在11001250下,SiCl4被H2复原,使硅沉积在衬底上。1998年北京市太阳能研究所赵玉文等报道了SiH2Cl2为原料气体,采用快速热化学气相沉积(RTCVD)工艺在石英反响器中沉积生成多晶硅薄膜,同时研究了薄膜的生长特性、微构造,并研制出多晶硅薄膜太阳能电池,电池构造为金属栅线/p+多晶膜/n多晶硅膜/n
11、+C-硅/金属接触。采用扩硼形成p+层,结深约为1m,电池面积为1cm2,AM115、100mV/cm2条件下,无减反射涂层,电池转换效率为4.54%,Jsc=14.3mA/cm2,V=0.460V,FF=0.67。其详细制备工艺条件如下:气源为H2和SiH2Cl2的混合物,石英管内配有石墨样品托架,采用程控光源将石墨样品托架加热到1200。试验所用衬底为重掺杂磷非活性单晶硅片或者非硅质底材,在1030下薄膜生长速率为10nm/s。我国晶体硅薄膜太阳电池研究程度与国际程度相差较大,应加速开展。在廉价衬底上形成高质量的多晶硅薄膜,研究衬底与硅膜之间夹层,用以阻挡杂质向硅膜扩散,并研制出具有较高转换效率的多晶硅薄膜电池,在近期内使其转换效率能到达10%左右,为工业化消费做预备,以期本钱能降低到1美元/W左右。9完毕语综上所述,多晶硅薄膜太阳电池在进步太阳电池效率、节约能源和大幅度降低本钱方面都具有极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究不深,膜生长技术的不完善,以及薄膜多晶方式在原理上的限制,致使我国的多晶硅薄膜电池还处于实验室阶段。理论证实,科学难题的解决需要长期坚持不懈的努力,而不是急功近利的短期行为。只要从战略高度出发,锲而不舍,就一定会到达成功的此岸。