大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備分析

西安交通大學(xué)楊宏王鶴（西安710049）

哈爾濱—克羅拉太陽(yáng)能電力公司辛士宇于化叢劉明義（哈爾濱150046）

摘要：大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，并分析了制備工藝對(duì)其性能的影響。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)分析

Structural Device and Preparation Analysis of Large Area

Single Junction Integrated a－ Si:H Solar Cells

Abstract: This psper reports structural device of large area single junction integrated amorphous silicon solar cells,and analyses influence on performance by preparation.

Keywords:Solar Cell Device Analysis

1引言

a－Si:H太陽(yáng)電池的出現(xiàn)，猶如一道曙光，照亮了太陽(yáng)電池大規(guī)模地面向應(yīng)用的道路，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，其制備工藝日趨穩(wěn)定和成熟，它巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和廉價(jià)的制備工藝向人們說(shuō)明：太陽(yáng)能要從補(bǔ)充能源走向替代能源，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和制備方法是必須采納的，否則太陽(yáng)電池昂貴的價(jià)格將會(huì)成為其發(fā)展的瓶頸。本文闡述了a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備分析，同時(shí)對(duì)影響其性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了討論。

2大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)

　　a－Si:H太陽(yáng)電池是在玻璃基板上利用輝光放電沉積形成非晶硅PIN結(jié)構(gòu)的平板式光電換能器件，單電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在光電池的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，光電池的兩端出現(xiàn)異性電荷積累，即產(chǎn)生光生電壓，若在兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有光生電流流過(guò)，從而獲得功率輸出。圖2示出了a－Si:H太陽(yáng)電池的等效電路。IL為光生電流，Id為二極管的暗電流，Rsh為并聯(lián)電阻，Rs為串聯(lián)電阻，RL為負(fù)載電阻。

　　目前，a－Si:H單電池的開(kāi)路電壓Uoc約為0.8V，工作電壓Um約為0.55V,短路電流密度Jsc約為13.4mA/cm2,工作電流密度Jm約為11mA/cm2。這么小的電能輸出基本上沒(méi)有用處，若要輸出較高的電壓和較大的電流，就必須在結(jié)構(gòu)上采取有效的串并聯(lián)措施。

圖1a－Si:H單電池結(jié)構(gòu) ????? 圖2a－Si:H太陽(yáng)電池的等效電路

2．2集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了獲得一定的功率輸出，就必須把眾多的a－Si:H太陽(yáng)電池有效地串并聯(lián)起來(lái)，然而，a－Si:H太陽(yáng)電池是一種薄膜器件，靠外引線串聯(lián)既不可靠也不方便，因而在制備時(shí)就必須考慮在內(nèi)部集成。圖3示出了它的內(nèi)部集成結(jié)構(gòu)圖。圖中1、2、3、4為四個(gè)單電池，組合形式為串聯(lián)，電流流動(dòng)方向如圖中所示。

圖3集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

若要設(shè)計(jì)一個(gè)給6V、4AhVRLA蓄電池充電的a－Si:H太陽(yáng)電池組件，那么所需的太陽(yáng)電池組件的工作電壓為：

Um≥3×UT＋Ud=8V

式中:UT為VRLA蓄電池的過(guò)充閾值電壓，Ud為防反充二極管的正向壓降。

由于單節(jié)a－Si:H太陽(yáng)電池的工作電壓約為0.55V，則至少需15節(jié)電池串聯(lián)，若按C/10的電流充電，則所需的a－Si:H太陽(yáng)電池組件的輸出電流至少應(yīng)大于400mA，那么單節(jié)太陽(yáng)電池的面積至少應(yīng)大于37cm2,考慮到內(nèi)部串聯(lián)布線所占的面積，最后單節(jié)太陽(yáng)電池的面積取為1×51cm2。

因此所要求的a－Si:H太陽(yáng)電池組件為15節(jié)單電池面積為1×51cm2的太陽(yáng)電池串聯(lián)。

3大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的制備分析

a－Si:H太陽(yáng)電池由多層薄膜有機(jī)結(jié)合而成，制備時(shí)按圖4的工藝順序制作。

圖4a－Si:H太陽(yáng)電池工藝順序

3．1TCO的制備

TCO為絨面SnO2:F薄膜，它可由化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝來(lái)制備，制備選用平直度好、透射率高、新鮮、無(wú)污染、無(wú)水腐蝕的浮法玻璃做襯底，將其切割成上述計(jì)算的面積大小，洗滌烘干后送入CVD爐開(kāi)始沉積，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

SnCl4＋O2=SnO2＋2Cl2

SnCl4＋2H2O=SnO2＋4HCl

沉積完后將其放在釔釹石榴石激光器的平臺(tái)上進(jìn)行激光刻劃，刻劃的多少由所要求的串聯(lián)電池?cái)?shù)決定。

3.2P層的制備

P層成份為a－Si:H:B:C,制備工藝為等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（PECVD），它是一種高頻（13.56MHz）輝光放電物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，此法的優(yōu)點(diǎn)是沉積速率快，成膜質(zhì)量好，針孔少，不易龜裂，沉積的氣源為SiH4，CH4，B2H6和He的混合氣體。B2H6用來(lái)實(shí)現(xiàn)材料攙雜，He用作稀釋氣體，CH4的攙入是為了改善P層的光學(xué)性質(zhì)。通過(guò)改變沉積過(guò)程中的氣體分壓比，就可以獲得含C量不同的P層（a－Si:H:B:C）薄膜，而不同的含C量，就有不同的光電性質(zhì)。

3．3I層的制備

I層成份為a－Si:H，制備工藝仍為PECVD，沉積的氣源為SiH4和H2。本征層是光生電流的產(chǎn)生區(qū)，因而其成膜質(zhì)量直接影響到a－Si:H太陽(yáng)電池的性能，其性能主要由制備時(shí)的放電功率、基體溫度、反應(yīng)壓力和氣體流量來(lái)決定。成膜過(guò)程中，在保持一定的成膜速率下，盡量采用低的放電功率以提高薄膜的光電子學(xué)性能。

3．4N層的制備

N層為a－Si:H:P，沉積的氣源為SiH4、PH3、H2和He的混合氣體，其中PH3用來(lái)實(shí)現(xiàn)材料攙雜。a－Si:H:P薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性能同基體溫度、氣源配比、反應(yīng)壓力、放電功率和氣體流量等因素緊密相關(guān)。

　　在制備上述各層薄膜的過(guò)程中，反應(yīng)壓力、放電時(shí)間、氣體流量和反應(yīng)室溫度均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，所需的控制參數(shù)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　各層薄膜制備完畢后，將組件放到機(jī)械梳刻臺(tái)上械梳，刻線線寬應(yīng)小于0.2mm，硅刻線應(yīng)緊貼在激光刻線的近旁，兩者的公差為0.2～0.7mm,刻透率應(yīng)大于80％,目的是形成各單電池的非晶硅層,并使Al與TCO良好接觸。

3．5蒸鋁

采用真空蒸發(fā)的方法制做Al電極，在集成型a－Si:H太陽(yáng)電池中，鋁不但用作各子電池的負(fù)極，而且它將各單電池在結(jié)構(gòu)上串聯(lián)起來(lái)。除此之外，鋁薄膜還可反射沒(méi)有被非晶硅合金層吸收的長(zhǎng)波限光子，增加太陽(yáng)電池對(duì)光的利用率。

　　按上述要求設(shè)計(jì)制備出的集成型a－Si:H太陽(yáng)電池組件，在美國(guó)CHRONAR公司的太陽(yáng)電池測(cè)試臺(tái)上測(cè)出的電池輸出特性如圖5所示。測(cè)試條件為：標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，AM1.5，100mW/cm2,25℃。從結(jié)果來(lái)看，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5實(shí)驗(yàn)集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的輸出特性

4結(jié)論

集成型a－Si:H太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備工藝成本較低，容易設(shè)計(jì)成不同的形式以滿(mǎn)足不同的用戶(hù)需求。它的出現(xiàn)，極大的促進(jìn)了整個(gè)太陽(yáng)電池行業(yè)的發(fā)展。