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多晶硅薄膜太陽電池
１.前言
??? 如果問人類在２１世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)是什么，答案肯定是環(huán)境污染和能源私有制。這兩個(gè)問題已經(jīng)變成高懸在人類頭頂上的達(dá)摩克利斯利劍。人類在努力尋找解決這兩個(gè)問題方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽能的利用應(yīng)是解決這兩個(gè)問題的最好方案。
??? 太陽能是地球上取之不盡的能源。人類利用太陽能的想法由來已久，最早是將它轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，后來光伏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使太陽能轉(zhuǎn)化為電能成為可能，以致使太陽能利用領(lǐng)域更加廣闊。早在本世紀(jì)５０年代，第一個(gè)實(shí)用性的硅太陽電池就在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)誕生了。不久，它即被用于人造衛(wèi)星的發(fā)電系統(tǒng)上。迄今為止，太空中成千的飛行器都裝備了太陽電池發(fā)電系統(tǒng)。盡管如此，太陽電池在地面的應(yīng)用卻一直未得到廣泛重視，直到７０年代世界出現(xiàn)“石油危機(jī)”，地面大規(guī)模應(yīng)用太陽電池發(fā)電才被列上許多國家的議事日程。當(dāng)時(shí)太陽能發(fā)電主要使用的是單晶硅太陽電池。進(jìn)入８０年代中期，環(huán)境繼能源之后，又成為國際社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一，全人類又都把目光集中到解決這兩個(gè)問題的交叉點(diǎn)---太陽能光伏發(fā)電上，從而大大加速了開發(fā)利用的步伐。此后，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、技術(shù)的日益提高，單晶硅太陽電池的成本也逐漸下降，１９９７年每峰瓦單晶硅太陽電池的成本已經(jīng)降到５美元以下。單晶硅太陽電池雖然在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，但是也暴露了許多缺點(diǎn)，其主要問題是成本過高。受單晶硅材料價(jià)格和單晶硅電池制備過程的影響，若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽電池，其中包括非晶硅薄膜太陽電池，硒銦銅和碲化鎘薄膜電池，多晶硅薄膜太陽電池。在這幾種薄膜電池中，最成熟的產(chǎn)品當(dāng)數(shù)非晶硅薄膜太陽電池，在世界上已經(jīng)有多家公司在生產(chǎn)該種電池的產(chǎn)品，其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，制備方便，但也存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即非晶硅電池的不穩(wěn)定性，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，另外非晶硅薄膜太陽電池的效率也較低。一般在８％到１０％，硒銦銅和碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池高，成本較單晶硅電池低，并且易于大規(guī)模生產(chǎn)，還沒有效率衷減問題，似乎是非晶硅薄膜電池的一種較好的替代品，在美國已有一些公司開始建設(shè)這種電池的生產(chǎn)線。但是這種電池的原材料之一鎘對環(huán)境有較強(qiáng)的污染，與發(fā)展太陽電池的初衷相背離，而且硒、銦、碲等都是較稀有的金屬，對這種電池的大規(guī)模生產(chǎn)會產(chǎn)生很大的制約。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衷減問題，并用有可能在廉價(jià)底材上制備，其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于體單晶硅電池，實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)１８％，遠(yuǎn)高于非晶硅薄膜電池的效率。因此，多晶硅薄膜電池被認(rèn)為是最有可能替代單晶硅電池和非晶硅薄膜電池的下一代太陽電池，現(xiàn)在已經(jīng)成為國際太陽能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
２、多晶硅薄膜太陽電池的研究概況
??? 多晶硅薄膜太陽電池的研究重點(diǎn)有兩個(gè)方面，其一是電池襯底的選擇，其二是制備電池的工藝和方法，但無論是哪一方面的研究都應(yīng)滿足制備多晶硅薄膜電池的一些基本要求：
（１）低成本 （材料和工藝）
（２）高效率
（３）易于產(chǎn)業(yè)化
對于襯底的選擇必須滿足以下一些條件：
（１）低成本
（２）導(dǎo)電（或絕緣，依結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定）
（３）熱膨脹系數(shù)與硅匹配
（４）非毒性
（５）有一定機(jī)械強(qiáng)度
??? 比較合適的襯底材料為一些硅或鋁的的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3，SiAlON，Al等，從目前的文獻(xiàn)看有以下一些襯底:
（１）單晶硅
（２）多晶硅
（３）石墨包SiC
（４）SiSiC
（５）玻璃碳
（６）SiO2膜
??? 目前，制備多晶硅薄膜的工藝方法主要有以下幾種：
（１）化學(xué)氣相乘積法（ＣＶＤ法）
（２）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（ＰＥＣＶＤ法）
（３）液相外延法（ＬＰＥ）
（４）等離子體濺射沉積法
??? 化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）法就是將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋缓笸ㄒ苑磻?yīng)氣體（如ＳＩＨ２ＣＬ２、ＤＩＨＣＬ３、ＳＩＣＬ４、ＳＩＨ４等），在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在襯底表面。這些反應(yīng)的溫度通常較高，在８００～１２００℃之間。人們發(fā)現(xiàn)，如果直接在非硅底材上用ＣＶＤ法沉積多晶硅，較難形成較大的晶粒，并且容蝗在晶粒之間形成孔隙，對制備較高效率的電池不利。因此發(fā)展了再結(jié)晶技術(shù)，以提高晶粒尺寸，其具體方法是：先用低壓化學(xué)氣相沉積（ＬＰＣＶＤ）法在襯底表面形成一層較薄的、重?fù)诫s的非晶硅層，再用高溫將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，用這層較薄的大盡寸多晶硅層作為籽晶層，在其上面用ＣＶＤ法生長厚的多晶硅膜?？梢钥闯觯@種ＣＶＤ法制備多晶硅薄膜太陽電池的關(guān)鍵是尋找一種較好的再結(jié)晶技術(shù)。到目前為止，再結(jié)晶技術(shù)主要有以下幾種：
（１）固相晶化（ＬＡＲ）法
（２）區(qū)熔再結(jié)晶（ＺＭＲ）法
（３）激光再結(jié)晶（ＬＭＣ）法
??? 固相晶化法需對非晶硅薄膜進(jìn)行整體加熱，溫度要求達(dá)到１４１４℃的硅的熔化點(diǎn)。該法的缺點(diǎn)是整體溫度較高，晶粒取向散亂，不易形成柱狀結(jié)晶。區(qū)熔再結(jié)晶法需將非晶硅整體加熱至一定溫度，通常是１１００℃，再用一個(gè)加熱條加熱局部使其達(dá)到熔化狀態(tài)。加熱條在加熱過程中需在非晶硅表面移動。區(qū)熔再結(jié)晶法可以得到厘米量級的晶粒，并且在一定的技術(shù)處理和工藝條件的配合下可以得到比較一致的晶粒聚向。激光退火法采用激光束的高溫將非晶硅薄膜熔化結(jié)晶，以得到多晶硅薄膜。在這三種方法中以ＺＭＲ法最成功，日本三菱公司用該法制備的電池，效率已達(dá)16.42％，德國的ＦＲＯＮＨＡＵＦＥＲ研究所在這方面的研究處于領(lǐng)先水平。
??? 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ＰＥＣＶＤ）法是利用ＰＥＣＶＤ技術(shù)在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法。該薄膜是一種Ｐ－Ｉ－Ｎ結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是在Ｐ層和Ｎ層之間有一層較厚的多晶硅的本征層（Ｉ層）。其制備溫度很底（１００－２００℃），晶粒很?。ā保埃罚土考墸?，但已屬于多晶硅薄膜，幾乎沒有效率衷減問題。日本科尼卡公司在１９９４年提出這一方法，目前用這一方法制備的電池，最高效率已達(dá)10.7％。但是，該方法也存在生長速度太慢以及薄膜極易受損等問題，有待今后研究改進(jìn)。
??? 液相外延（ＬＰＥ）法就是通過將硅熔融在母液里，降低溫度使硅析出成膜的一種方法，美國ASTRO POWER公司和德國ＭＡＸ－ＰＬＡＮＫ研究所對這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。前者用ＬＰＥ法制備的電池，效率已達(dá)12.2%，但技術(shù)細(xì)節(jié)十分保密。
??? 等離子體濺射法是一種物理制備法，還很不成熟。其主要問題也是晶粒的致密度問題。
??? 除了上述制備薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制備太陽電池器件方面人們也采取了一系列工藝步聚，以提高效率。這些工藝步聚包括：
（１）襯底的制備和選擇
（２）隔離層的制備
（３）籽晶層或匹配層的制備
（４）晶粒的增大
（５）沉積多晶硅薄膜
（６）制備Ｐ－Ｎ結(jié)
（７）光學(xué)限制：上下表面結(jié)構(gòu)化，上下表面減反射
（８）電學(xué)限制：制備背場（ＢＳＦ）和前后電極的歐姆接觸
（９）制備電極
（１０）鈍化：晶粒間界的鈍化和表面鈍化
??? 目前，幾乎所有制備體單晶硅高效電池的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)均已用在制備多晶硅薄膜太陽電池的工藝上，甚至還包括一些制備集成電路的方法和工藝。表１總結(jié)了多晶硅薄膜太陽電池的進(jìn)展情況。
３、北京市太陽能研究所的工作
??? 北京市太陽能研究所從１９９５年開始研究多晶硅薄膜太陽電池，其目標(biāo)是跟蹤該領(lǐng)域世界發(fā)展情況，為今后產(chǎn)業(yè)化和降低成本打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而趕超世界先進(jìn)水平。我們在薄膜太陽電池研究方面主要進(jìn)行ＣＶＤ法和ＰＥＣＶＤ法研究。在ＣＶＤ方法的研究方面，我們自行設(shè)計(jì)加工了一臺ＣＶＤ設(shè)備，并開展了生長單晶硅和多晶硅薄膜的研究。在重?fù)絾尉Ч枰r底上用ＣＶＤ法外延生長得到２０ＵＭ的硅薄膜，在生長的同時(shí)摻入硼，使得硅薄膜成Ｐ型。再通過磷擴(kuò)散在薄膜上形成Ｐ－Ｎ。在電池的正表面生長一層１１０ＮＭ的ＳＩＯ２膜，該膜具有減反射和表面鈍化的雙重作用。前電極采用光刻柵線的方法在ＳＩＯ２膜上開出電極柵線條，再用熱蒸發(fā)法制備ＴＩ／ＰＤ／ＡＧ電極。在襯底的背面蒸鍍ＡＬ或ＴＩ／ＰＤ／ＡＧ，得到背電極。用這種方法得到的硅薄膜電池的效率已達(dá)到12.11%。
??? 在非硅底材上生長多晶硅薄膜的太陽電池的研究方面，我們主要研究在ＳＩＯ２和ＳＩ３Ｎ４膜底材上生長多晶硅薄膜電池。ＳＩＯ２膜與硅的晶格匹配較好，熱膨脹系數(shù)也較相近，用ＳＩＯ２作襯底較佳。首先在ＳＩＯ２膜上直接用ＣＶＤ法沉積薄膜，得到晶粒盡寸為幾十微米的多晶硅薄膜，但發(fā)現(xiàn)薄膜中晶粒之間有較大的孔隙，這些孔隙導(dǎo)致晶粒之間的電傳導(dǎo)減弱，使得下下電極之間極易短路，以致電池效率很低。我們進(jìn)一步采用ＬＰＣＶＤ法先在ＳＩＯ２膜生長一層晶粒很小、很薄的多晶硅薄膜，由于采用ＳＩＨ４熱分解方法，使得在ＳＩＯ２膜上的選擇性生長較弱，晶粒很致密。以這樣一層微晶硅膜作為襯底，用ＣＶＤ法生長多晶硅厚膜，便得到了晶粒較致密的多晶硅薄膜。但由于作為籽晶層的微晶層中晶粒較小，其上生長的多晶硅薄膜中的晶粒也不大，影響了電池的效率，目前我們正在研制ＺＭＰ設(shè)備，以增大晶粒盡寸。
??? 采用ＣＶＤ法必須有再結(jié)晶步聚，而再結(jié)晶一般均需很高溫度，這樣便大大提高了電池生產(chǎn)成本。我們正在研究能避免再結(jié)晶過程的薄膜電池制備方法。我們發(fā)現(xiàn)，在ＳＩ３Ｎ４膜上有ＣＶＤ法直接沉積可以得到很致密的多晶硅膜。熔融硅對ＳＩＯ２和ＳＩ３Ｎ４的浸潤角不同，在ＳＩＯ２上的浸潤角為８７度角，而在ＳＩ３Ｎ４膜上為２５度角，這樣在生長時(shí)就會表現(xiàn)出不同的動力學(xué)過程。在ＳＩＯ２上生長時(shí)晶粒趨于收縮，使得晶粒間孔隙較大；而在ＳＩ３Ｎ４膜上生長時(shí)，晶粒趨于鋪展，使得晶粒間孔隙較小。我們通過比較這兩種襯底上生長的多晶硅膜的掃描電鏡圖象和Ｘ射線分析，發(fā)現(xiàn)這兩種薄膜存在較大差異，我們正在研究在這種薄膜上制備電池。
??? 在ＰＥＣＶＤ法制備多晶硅薄膜電池方面，我們自行研制了一臺加熱溫度可達(dá)700℃的ＰＥＣＶＤ系統(tǒng)。通過改變襯底溫度和ＳＩＨ４與Ｈ２的比例，得以在ＰＥＣＶＤ設(shè)備上得到多晶硅薄膜。用這種方法制備的Ｐ－Ｉ－Ｎ結(jié)構(gòu)多晶硅電池，其開路電壓達(dá)４３０ＭＶ，目前正在優(yōu)化工藝條件，以得到更好的電池。
??? 總之，多晶硅薄膜太陽電池已成為目前世界上光伏領(lǐng)域中最活躍的研究方向，人們期待研究工作獲得突破，以大大降低太陽電池的成本，為解決能源和環(huán)境問題作出貢獻(xiàn)。???
１.前言
??? 如果問人類在２１世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)是什么，答案肯定是環(huán)境污染和能源私有制。這兩個(gè)問題已經(jīng)變成高懸在人類頭頂上的達(dá)摩克利斯利劍。人類在努力尋找解決這兩個(gè)問題方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽能的利用應(yīng)是解決這兩個(gè)問題的最好方案。
??? 太陽能是地球上取之不盡的能源。人類利用太陽能的想法由來已久，最早是將它轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，后來光伏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使太陽能轉(zhuǎn)化為電能成為可能，以致使太陽能利用領(lǐng)域更加廣闊。早在本世紀(jì)５０年代，第一個(gè)實(shí)用性的硅太陽電池就在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)誕生了。不久，它即被用于人造衛(wèi)星的發(fā)電系統(tǒng)上。迄今為止，太空中成千的飛行器都裝備了太陽電池發(fā)電系統(tǒng)。盡管如此，太陽電池在地面的應(yīng)用卻一直未得到廣泛重視，直到７０年代世界出現(xiàn)“石油危機(jī)”，地面大規(guī)模應(yīng)用太陽電池發(fā)電才被列上許多國家的議事日程。當(dāng)時(shí)太陽能發(fā)電主要使用的是單晶硅太陽電池。進(jìn)入８０年代中期，環(huán)境繼能源之后，又成為國際社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一，全人類又都把目光集中到解決這兩個(gè)問題的交叉點(diǎn)---太陽能光伏發(fā)電上，從而大大加速了開發(fā)利用的步伐。此后，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、技術(shù)的日益提高，單晶硅太陽電池的成本也逐漸下降，１９９７年每峰瓦單晶硅太陽電池的成本已經(jīng)降到５美元以下。單晶硅太陽電池雖然在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，但是也暴露了許多缺點(diǎn)，其主要問題是成本過高。受單晶硅材料價(jià)格和單晶硅電池制備過程的影響，若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽電池，其中包括非晶硅薄膜太陽電池，硒銦銅和碲化鎘薄膜電池，多晶硅薄膜太陽電池。在這幾種薄膜電池中，最成熟的產(chǎn)品當(dāng)數(shù)非晶硅薄膜太陽電池，在世界上已經(jīng)有多家公司在生產(chǎn)該種電池的產(chǎn)品，其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，制備方便，但也存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即非晶硅電池的不穩(wěn)定性，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，另外非晶硅薄膜太陽電池的效率也較低。一般在８％到１０％，硒銦銅和碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池高，成本較單晶硅電池低，并且易于大規(guī)模生產(chǎn)，還沒有效率衷減問題，似乎是非晶硅薄膜電池的一種較好的替代品，在美國已有一些公司開始建設(shè)這種電池的生產(chǎn)線。但是這種電池的原材料之一鎘對環(huán)境有較強(qiáng)的污染，與發(fā)展太陽電池的初衷相背離，而且硒、銦、碲等都是較稀有的金屬，對這種電池的大規(guī)模生產(chǎn)會產(chǎn)生很大的制約。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衷減問題，并用有可能在廉價(jià)底材上制備，其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于體單晶硅電池，實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)１８％，遠(yuǎn)高于非晶硅薄膜電池的效率。因此，多晶硅薄膜電池被認(rèn)為是最有可能替代單晶硅電池和非晶硅薄膜電池的下一代太陽電池，現(xiàn)在已經(jīng)成為國際太陽能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
２、多晶硅薄膜太陽電池的研究概況
??? 多晶硅薄膜太陽電池的研究重點(diǎn)有兩個(gè)方面，其一是電池襯底的選擇，其二是制備電池的工藝和方法，但無論是哪一方面的研究都應(yīng)滿足制備多晶硅薄膜電池的一些基本要求：
（１）低成本 （材料和工藝）
（２）高效率
（３）易于產(chǎn)業(yè)化
對于襯底的選擇必須滿足以下一些條件：
（１）低成本
（２）導(dǎo)電（或絕緣，依結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定）
（３）熱膨脹系數(shù)與硅匹配
（４）非毒性
（５）有一定機(jī)械強(qiáng)度
??? 比較合適的襯底材料為一些硅或鋁的的化合物，如SiC，Si3N4，SiO2，Si，Al2O3，SiAlON，Al等，從目前的文獻(xiàn)看有以下一些襯底:
（１）單晶硅
（２）多晶硅
（３）石墨包SiC
（４）SiSiC
（５）玻璃碳
（６）SiO2膜
??? 目前，制備多晶硅薄膜的工藝方法主要有以下幾種：
（１）化學(xué)氣相乘積法（ＣＶＤ法）
（２）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（ＰＥＣＶＤ法）
（３）液相外延法（ＬＰＥ）
（４）等離子體濺射沉積法
??? 化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）法就是將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋缓笸ㄒ苑磻?yīng)氣體（如ＳＩＨ２ＣＬ２、ＤＩＨＣＬ３、ＳＩＣＬ４、ＳＩＨ４等），在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在襯底表面。這些反應(yīng)的溫度通常較高，在８００～１２００℃之間。人們發(fā)現(xiàn)，如果直接在非硅底材上用ＣＶＤ法沉積多晶硅，較難形成較大的晶粒，并且容蝗在晶粒之間形成孔隙，對制備較高效率的電池不利。因此發(fā)展了再結(jié)晶技術(shù)，以提高晶粒尺寸，其具體方法是：先用低壓化學(xué)氣相沉積（ＬＰＣＶＤ）法在襯底表面形成一層較薄的、重?fù)诫s的非晶硅層，再用高溫將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，用這層較薄的大盡寸多晶硅層作為籽晶層，在其上面用ＣＶＤ法生長厚的多晶硅膜?？梢钥闯觯@種ＣＶＤ法制備多晶硅薄膜太陽電池的關(guān)鍵是尋找一種較好的再結(jié)晶技術(shù)。到目前為止，再結(jié)晶技術(shù)主要有以下幾種：
（１）固相晶化（ＬＡＲ）法
（２）區(qū)熔再結(jié)晶（ＺＭＲ）法
（３）激光再結(jié)晶（ＬＭＣ）法
??? 固相晶化法需對非晶硅薄膜進(jìn)行整體加熱，溫度要求達(dá)到１４１４℃的硅的熔化點(diǎn)。該法的缺點(diǎn)是整體溫度較高，晶粒取向散亂，不易形成柱狀結(jié)晶。區(qū)熔再結(jié)晶法需將非晶硅整體加熱至一定溫度，通常是１１００℃，再用一個(gè)加熱條加熱局部使其達(dá)到熔化狀態(tài)。加熱條在加熱過程中需在非晶硅表面移動。區(qū)熔再結(jié)晶法可以得到厘米量級的晶粒，并且在一定的技術(shù)處理和工藝條件的配合下可以得到比較一致的晶粒聚向。激光退火法采用激光束的高溫將非晶硅薄膜熔化結(jié)晶，以得到多晶硅薄膜。在這三種方法中以ＺＭＲ法最成功，日本三菱公司用該法制備的電池，效率已達(dá)16.42％，德國的ＦＲＯＮＨＡＵＦＥＲ研究所在這方面的研究處于領(lǐng)先水平。
??? 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ＰＥＣＶＤ）法是利用ＰＥＣＶＤ技術(shù)在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法。該薄膜是一種Ｐ－Ｉ－Ｎ結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是在Ｐ層和Ｎ層之間有一層較厚的多晶硅的本征層（Ｉ層）。其制備溫度很底（１００－２００℃），晶粒很?。ā保埃罚土考墸?，但已屬于多晶硅薄膜，幾乎沒有效率衷減問題。日本科尼卡公司在１９９４年提出這一方法，目前用這一方法制備的電池，最高效率已達(dá)10.7％。但是，該方法也存在生長速度太慢以及薄膜極易受損等問題，有待今后研究改進(jìn)。
??? 液相外延（ＬＰＥ）法就是通過將硅熔融在母液里，降低溫度使硅析出成膜的一種方法，美國ASTRO POWER公司和德國ＭＡＸ－ＰＬＡＮＫ研究所對這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。前者用ＬＰＥ法制備的電池，效率已達(dá)12.2%，但技術(shù)細(xì)節(jié)十分保密。
??? 等離子體濺射法是一種物理制備法，還很不成熟。其主要問題也是晶粒的致密度問題。
??? 除了上述制備薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制備太陽電池器件方面人們也采取了一系列工藝步聚，以提高效率。這些工藝步聚包括：
（１）襯底的制備和選擇
（２）隔離層的制備
（３）籽晶層或匹配層的制備
（４）晶粒的增大
（５）沉積多晶硅薄膜
（６）制備Ｐ－Ｎ結(jié)
（７）光學(xué)限制：上下表面結(jié)構(gòu)化，上下表面減反射
（８）電學(xué)限制：制備背場（ＢＳＦ）和前后電極的歐姆接觸
（９）制備電極
（１０）鈍化：晶粒間界的鈍化和表面鈍化
??? 目前，幾乎所有制備體單晶硅高效電池的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)均已用在制備多晶硅薄膜太陽電池的工藝上，甚至還包括一些制備集成電路的方法和工藝。表１總結(jié)了多晶硅薄膜太陽電池的進(jìn)展情況。
３、北京市太陽能研究所的工作
??? 北京市太陽能研究所從１９９５年開始研究多晶硅薄膜太陽電池，其目標(biāo)是跟蹤該領(lǐng)域世界發(fā)展情況，為今后產(chǎn)業(yè)化和降低成本打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而趕超世界先進(jìn)水平。我們在薄膜太陽電池研究方面主要進(jìn)行ＣＶＤ法和ＰＥＣＶＤ法研究。在ＣＶＤ方法的研究方面，我們自行設(shè)計(jì)加工了一臺ＣＶＤ設(shè)備，并開展了生長單晶硅和多晶硅薄膜的研究。在重?fù)絾尉Ч枰r底上用ＣＶＤ法外延生長得到２０ＵＭ的硅薄膜，在生長的同時(shí)摻入硼，使得硅薄膜成Ｐ型。再通過磷擴(kuò)散在薄膜上形成Ｐ－Ｎ。在電池的正表面生長一層１１０ＮＭ的ＳＩＯ２膜，該膜具有減反射和表面鈍化的雙重作用。前電極采用光刻柵線的方法在ＳＩＯ２膜上開出電極柵線條，再用熱蒸發(fā)法制備ＴＩ／ＰＤ／ＡＧ電極。在襯底的背面蒸鍍ＡＬ或ＴＩ／ＰＤ／ＡＧ，得到背電極。用這種方法得到的硅薄膜電池的效率已達(dá)到12.11%。
??? 在非硅底材上生長多晶硅薄膜的太陽電池的研究方面，我們主要研究在ＳＩＯ２和ＳＩ３Ｎ４膜底材上生長多晶硅薄膜電池。ＳＩＯ２膜與硅的晶格匹配較好，熱膨脹系數(shù)也較相近，用ＳＩＯ２作襯底較佳。首先在ＳＩＯ２膜上直接用ＣＶＤ法沉積薄膜，得到晶粒盡寸為幾十微米的多晶硅薄膜，但發(fā)現(xiàn)薄膜中晶粒之間有較大的孔隙，這些孔隙導(dǎo)致晶粒之間的電傳導(dǎo)減弱，使得下下電極之間極易短路，以致電池效率很低。我們進(jìn)一步采用ＬＰＣＶＤ法先在ＳＩＯ２膜生長一層晶粒很小、很薄的多晶硅薄膜，由于采用ＳＩＨ４熱分解方法，使得在ＳＩＯ２膜上的選擇性生長較弱，晶粒很致密。以這樣一層微晶硅膜作為襯底，用ＣＶＤ法生長多晶硅厚膜，便得到了晶粒較致密的多晶硅薄膜。但由于作為籽晶層的微晶層中晶粒較小，其上生長的多晶硅薄膜中的晶粒也不大，影響了電池的效率，目前我們正在研制ＺＭＰ設(shè)備，以增大晶粒盡寸。
??? 采用ＣＶＤ法必須有再結(jié)晶步聚，而再結(jié)晶一般均需很高溫度，這樣便大大提高了電池生產(chǎn)成本。我們正在研究能避免再結(jié)晶過程的薄膜電池制備方法。我們發(fā)現(xiàn)，在ＳＩ３Ｎ４膜上有ＣＶＤ法直接沉積可以得到很致密的多晶硅膜。熔融硅對ＳＩＯ２和ＳＩ３Ｎ４的浸潤角不同，在ＳＩＯ２上的浸潤角為８７度角，而在ＳＩ３Ｎ４膜上為２５度角，這樣在生長時(shí)就會表現(xiàn)出不同的動力學(xué)過程。在ＳＩＯ２上生長時(shí)晶粒趨于收縮，使得晶粒間孔隙較大；而在ＳＩ３Ｎ４膜上生長時(shí)，晶粒趨于鋪展，使得晶粒間孔隙較小。我們通過比較這兩種襯底上生長的多晶硅膜的掃描電鏡圖象和Ｘ射線分析，發(fā)現(xiàn)這兩種薄膜存在較大差異，我們正在研究在這種薄膜上制備電池。
??? 在ＰＥＣＶＤ法制備多晶硅薄膜電池方面，我們自行研制了一臺加熱溫度可達(dá)700℃的ＰＥＣＶＤ系統(tǒng)。通過改變襯底溫度和ＳＩＨ４與Ｈ２的比例，得以在ＰＥＣＶＤ設(shè)備上得到多晶硅薄膜。用這種方法制備的Ｐ－Ｉ－Ｎ結(jié)構(gòu)多晶硅電池，其開路電壓達(dá)４３０ＭＶ，目前正在優(yōu)化工藝條件，以得到更好的電池。
??? 總之，多晶硅薄膜太陽電池已成為目前世界上光伏領(lǐng)域中最活躍的研究方向，人們期待研究工作獲得突破，以大大降低太陽電池的成本，為解決能源和環(huán)境問題作出貢獻(xiàn)。???
工商網(wǎng)監(jiān)
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