[发明专利]基于氢化硅的薄膜本征层、薄膜太阳能电池及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光电转换器件及方法，尤其涉及基于氢化硅的薄膜本 征层(i层)、包括该i层的薄膜太阳能电池及其制造方法。

背景技术

太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一。近年 来太阳能光伏产业在全球突增猛进，尤其是传统成熟的晶体硅的光伏组件的 生产加工行业迅速发展。但是，严峻的晶硅原料的短缺对这一阳光产业的进 一步成长形成巨大障碍。因此，寻找晶硅替代材料或减少对晶硅的依赖成为 太阳能电池企业面临的紧迫问题。从太阳能光电产业发展的总体角度看，摆 脱对晶硅的过于严重的依赖才是长久之策。薄膜晶体硅太阳能电池目前尚未 突破大规模生产的技术瓶颈。因此，包括氢化非晶硅(俗称非晶硅)和纳米 硅(纳米晶硅)的被统称为薄膜硅的薄膜太阳能电池获得了难得的发展机遇。 薄膜太阳能电池代表着光伏技术的发展趋势。氢化硅是薄膜太阳能技术的首 选光电转换材料。非晶硅太阳能电池的制备工艺相对简单方便，设备完善可 靠，便于大面积生长，成本低，不使用或排放对环境有害的物质，且无原料 瓶颈，在所有薄膜光伏技术中最成熟且最有竞争力。非晶硅薄膜已被广泛应 用于平板显示器、光伏技术、传感器、和探测器等领域。目前非晶硅薄膜太 阳能电池占全球太阳能电池总产量的10％左右。

非晶硅薄膜光伏模板(俗称太阳能电池或光伏组件)的最大市场优势是 其不可比拟的低成本大规模生产过程，节省能源，原材料消耗较低，且产品 的单位成本随生产量增高而便于降低。氢化非晶硅(简称非晶硅)通常由某种 化学气相沉积法(CVD)形成，例如辉光放电，即等离子体增强化学气相沉积 法(PECVD)。非晶硅光电转换器件的一个重要特征，是使用成熟可靠的良好 工业镀膜设备和程序，通过在大面积廉价基板(衬底)上均匀地沉积硅半导体 和电接触膜层，来同时达到降低生产成本和提高器件性能的目的。施加于在 同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺，使多个太阳能电池元件在 薄膜沉积和处理过程中直接形成整体内串联式(集成式)的大面积光伏模板， 减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。大于1平方米(m²)的非晶硅薄膜光 伏模板已经被批量化的生产并成功地应用于各类太阳能光电工程中。制造中 较低的温度在260℃以下，能量消耗远小于晶体硅太阳能电池的制造。多种 材料包括价格低廉的塑料薄片可被用作衬底(基板)，做出低成本的轻便的 柔性光伏产品。另外，这类光伏板生产的原材料相对充足易得。且整个生产 过程不采用也不释放出对人体或环境有害的物质。非晶硅具有一到两年之间 的比较短的能量回报周期，是所有太阳能产品中最节能的种类，有利于可持 续的产业发展。

电压高，充电性能好，弱光性能好。这些特点，使得非晶硅光伏产品在 某些领域相比于晶体硅电池具有很好的性价比。良好的弱光性能使得非晶硅 光伏模板相比晶体硅组件在相同标定功率，相同环境的条件下，可以发出更 多的电能。非晶硅的电压随光强的变化不大，同样情况下晶体硅电池在 20mw/cm²的光照条件下只有非晶硅电池开路电压的一半。非晶硅的弱光性 能和电压高的优点，从实际的测量结果来说，相同标定功率的非晶硅模板和 晶体硅组件相比，每年能够多产出10％-20％的电能.特别对于阴雨天较多的 地区，效果会更加明显。在达到稳定输出功率以后，非晶硅太阳能模板的负 温度特性就会表现出来，在夏季的时候，输出功率高于冬天的输出功率。

虽然非晶硅薄膜太阳能电池具有上述低成本及实际应用中的优点，但是 相比于传统晶体硅(硅片)光伏器件，其光电转换效率明显偏低。这是两个因 素决定的：首先本征(未掺杂)非晶硅具有很高的电子缺陷密度，载流子的 迁移率和寿命都很低，极大程度地限制了对光致载流子的收集。同样重要的 是，非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照 时间的延续而衰减。非晶硅太阳能电池的稳定性随着电池吸收层的厚度(初 始转换效率)的增大而降低。较高的初始转换效率往往随光照时间而大幅度 衰退，使其应用受到极大的限制。这些缺点严重影响了非晶硅光伏器件的发 展速度和市场接受力。