a-Si:H太阳电池的结构设计与制备分析
eeskill 2022-11-17

1引言


众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本应该是我们追求的最大目标,从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为;[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少;[2] 对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产。

a-Si:H太阳电池的出现,犹如一道曙光,照亮了太阳电池大规模地面向应用的道路,经过十几年的发展,其制备工艺日趋稳定和成熟,它巧妙的结构设计和廉价的制备工艺向人们说明:太阳能要从补充能源走向替代能源,这种结构设计技术和制备方法是必须采纳的,否则太阳电池昂贵的价格将会成为其发展的瓶颈。本文阐述了a-Si:H太阳电池的结构设计与制备分析,同时对影响其性能的工艺参数进行了讨论。


2大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的结构设计


2.1 a-Si:H太阳电池的结构

a-Si:H太阳电池是在玻璃基板上利用辉光放电沉积形成非晶硅PIN结构的平板式光电换能器件,单电池的结构如图1所示,当太阳光照射到电池上时,电池吸收光能产生电子-空穴对,在光电池的内建电场作用下,光生电子和空穴被分离,光电池的两端出现异性电荷积累,即产生光生电压,若在两侧引出电极并接上负载,则负载中就有光生电流流过,从而获得功率输出。图2示出了a-Si:H太阳电池的等效电路。IL为光生电流,Id为二极管的暗电流,Rsh为并联电阻,Rs为串联电阻,RL为负载电阻。

目前,a-Si:H单电池的开路电压Uoc约为0.8V,工作电压Um约为0.55V,短路电流密度Jsc约为13.4mA/cm2,工作电流密度Jm约为11mA/cm2.这么小的电能输出基本上没有用处,若要输出较高的电压和较大的电流,就必须在结构上采取有效的串并联措施。

图1a-Si:H单电池结构 图2a-Si:H太阳电池的等效电路


2.2 集成型a-Si:H太阳电池的结构设计

为了获得一定的功率输出,就必须把众多的a-Si:H太阳电池有效地串并联起来,然而,a-Si:H太阳电池是一种薄膜器件,靠外引线串联既不可靠也不方便,因而在制备时就必须考虑在内部集成。图3示出了它的内部集成结构图。图中1、2、3、4为四个单电池,组合形式为串联,电流流动方向如图中所示。

图3集成型a-Si:H太阳电池的内部结构图

若要设计一个给6V、4AhVRLA蓄电池充电的a-Si:H太阳电池组件,那么所需的太阳电池组件的工作电压为:

Um≥3&TImes;UT+Ud=8V

式中:UT为VRLA蓄电池的过充阈值电压,Ud为防反充二极管的正向压降。

由于单节a-Si:H太阳电池的工作电压约为0.55V,则至少需15节电池串联,若按C/10的电流充电,则所需的a-Si:H太阳电池组件的输出电流至少应大于400mA,那么单节太阳电池的面积至少应大于37cm2,考虑到内部串联布线所占的面积,最后单节太阳电池的面积取为1&TImes;51cm2.

因此所要求的a-Si:H太阳电池组件为15节单电池面积为1&TImes;51cm2的太阳电池串联。


3大面积单结集成型a-Si:H太阳电池的制备分析


a-Si:H太阳电池由多层薄膜有机结合而成,制备时按图4的工艺顺序制作。

图4a-Si:H太阳电池工艺顺序


3.1TCO的制备

TCO玻璃是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜(Transparent CONducTIve Oxide)而形成的组件。对于薄膜太阳能电池来说,由于中间半导体层几乎没有横向导电性能,因此必须使用TCO玻璃有效收集电池的电流,同时TCO薄膜具有高透和减反射的功能让大部分光进入吸收层。TCO玻璃的生产工艺TCO玻璃工艺主要分为超白浮法玻璃生产、TCO镀膜。超白浮法玻璃生产工艺难度较高,目前世界上主要供应商有日本旭硝子、美国PPG、法国圣戈班等,国内供应厂家有限,目前仅金晶科技、南玻、信义能够供货。

TCO为绒面SnO2:F薄膜,它可由化学气相沉积(CVD)工艺来制备,制备选用平直度好、透射率高、新鲜、无污染、无水腐蚀的浮法玻璃做衬底,将其切割成上述计算的面积大小,洗涤烘干后送入CVD炉开始沉积,发生的化学反应如下:

SnCl4+O2=SnO2+2Cl2

SnCl4+2H2O=SnO2+4HCl

沉积完后将其放在钇钕石榴石激光器的平台上进行激光刻划,刻划的多少由所要求的串联电池数决定。


3.2P层的制备

P层成份为a-Si:H:B:C,制备工艺为等离子增强型化学气相沉积(PECVD),它是一种高频(13.56MHz)辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术,此法的优点是沉积速率快,成膜质量好,针孔少,不易龟裂,沉积的气源为SiH4,CH4,B2H6和He的混合气体。B2H6用来实现材料搀杂,He用作稀释气体,CH4的搀入是为了改善P层的光学性质。通过改变沉积过程中的气体分压比,就可以获得含C量不同的P层(a-Si:H:B:C)薄膜,而不同的含C量,就有不同的光电性质。


3.3I层的制备

I层成份为a-Si:H,制备工艺仍为PECVD,沉积的气源为SiH4和H2.本征层是光生电流的产生区,因而其成膜质量直接影响到a-Si:H太阳电池的性能,其性能主要由制备时的放电功率、基体温度、反应压力和气体流量来决定。成膜过程中,在保持一定的成膜速率下,尽量采用低的放电功率以提高薄膜的光电子学性能。


3.4N层的制备

N层为a-Si:H:P,沉积的气源为SiH4、PH3、H2和He的混合气体,其中PH3用来实现材料搀杂。a-Si:H:P薄膜的结构和光电性能同基体温度、气源配比、反应压力、放电功率和气体流量等因素紧密相关。

在制备上述各层薄膜的过程中,反应压力、放电时间、气体流量和反应室温度均由计算机自动监测和控制,所需的控制参数由软件来实现。

各层薄膜制备完毕后,将组件放到机械梳刻台上械梳,刻线线宽应小于0.2mm,硅刻线应紧贴在激光刻线的近旁,两者的公差为0.2~0.7mm,刻透率应大于80%,目的是形成各单电池的非晶硅层,并使Al与TCO良好接触。


3.5蒸铝

采用真空蒸发的方法制做Al电极,在集成型a-Si:H太阳电池中,铝不但用作各子电池的负极,而且它将各单电池在结构上串联起来。除此之外,铝薄膜还可反射没有被非晶硅合金层吸收的长波限光子,增加太阳电池对光的利用率。

按上述要求设计制备出的集成型a-Si:H太阳电池组件,在美国CHRONAR公司的太阳电池测试台上测出的电池输出特性如图5所示。测试条件为:标准光强,AM1.5,100mW/cm2,25℃。从结果来看,达到了设计要求。

图5实验集成型a-Si:H太阳电池的输出特性


4结论


集成型a-Si:H太阳电池结构简单,制备工艺成本较低,容易设计成不同的形式以满足不同的用户需求。它的出现,极大的促进了整个太阳电池行业的发展。

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