1引言
a－Si:H太陽電池" title="太陽電池">太陽電池的出現(xiàn)，猶如一道曙光,，照亮了太陽電池大規(guī)模地面向應(yīng)用的道路,，經(jīng)過十幾年的發(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)計和廉價的制備工藝向人們說明：太陽能要從補充能源走向替代能源,，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和制備方法是必須采納的,，否則太陽電池昂貴的價格將會成為其發(fā)展的瓶頸。本文闡述了a－Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備分析,，同時對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太陽電池的結(jié)
構(gòu)設(shè)計
2．1a－Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)
a－Si:H太陽電池是在玻璃基板上利用輝光放電沉積形成非晶硅" title="非晶硅">非晶硅PIN結(jié)構(gòu)的平板式光電換能器件，單電池" title="單電池">單電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示,，當(dāng)太陽光照射到電池上時,，電池吸收光能產(chǎn)生電子－空穴對，在光電池的內(nèi)建電場作用下,，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，從而獲得功率輸出,。圖2示出了a－Si:H太陽電池的等效電路,。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太陽電池的等效電路
2．2集成型a－Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為了獲得一定的功率輸出,，就必須把眾多的a－Si:H太陽電池有效地串并聯(lián)起來,，然而，a－Si:H太陽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為四個單電池，組合形式為串聯(lián),，電流流動方向如圖中所示,。
圖3集成型a－Si:H太陽電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
若要設(shè)計一個給6V、4AhVRLA蓄電池充電的a－Si:H太陽電池組件,，那么所需的太陽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太陽電池組件的輸出電流至少應(yīng)大于400mA,，那么單節(jié)太陽電池的面積至少應(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)太陽電池的面積取為1×51cm2。
因此所要求的a－Si:H太陽電池組件為15節(jié)單電池面積為1×51cm2的太陽電池串聯(lián),。
3大面積單結(jié)集成型a－Si:H太陽電池的制備分析
a－Si:H太陽電池由多層薄膜有機(jī)結(jié)合而成,，制備時按圖4的工藝順序制作。
圖4a－Si:H太陽電池工藝順序
3．1TCO的制備
TCO為絨面SnO2:F薄膜,，它可由化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝來制備,，制備選用平直度好、透射率高,、新鮮,、無污染、無水腐蝕的浮法玻璃做襯底,，將其切割成上述計算的面積大小,，洗滌烘干后送入CVD爐開始沉積，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上進(jìn)行激光刻劃,，刻劃的多少由所要求的串聯(lián)電池數(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）輝光放電物理過程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，此法的優(yōu)點是沉積速率快,，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用來實現(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),。通過改變沉積過程中的氣體分壓比,，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太陽電池的性能,，其性能主要由制備時的放電功率,、基體溫度、反應(yīng)壓力和氣體流量來決定,。成膜過程中,，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用來實現(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程中,，反應(yīng)壓力、放電時間,、氣體流量和反應(yīng)室溫度均由計算機(jī)自動監(jiān)測和控制,，所需的控制參數(shù)由軟件來實現(xiàn),。
各層薄膜制備完畢后，將組件放到機(jī)械梳刻臺上械梳,，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,。除此之外，鋁薄膜還可反射沒有被非晶硅合金層吸收的長波限光子,，增加太陽電池對光的利用率,。
按上述要求設(shè)計制備出的集成型a－Si:H太陽電池組件,，在美國CHRONAR公司的太陽電池測試臺上測出的電池輸出特性如圖5所示,。測試條件為：標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，AM1.5,，100mW/cm2,25℃,。從結(jié)果來看，達(dá)到了設(shè)計要求,。
圖5實驗集成型a－Si:H太陽電池的輸出特性
4結(jié)論
集成型a－Si:H太陽電池結(jié)構(gòu)簡單,，制備工藝成本較低，容易設(shè)計成不同的形式以滿足不同的用戶需求,。它的出現(xiàn),，極大的促進(jìn)了整個太陽電池行業(yè)的發(fā)展。