氢化纳米非晶硅_na_Si_H_p_i_n太阳电池[1]
非晶硅太阳电池
非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池，也被称为非晶硅薄膜太阳电池，是一种利用非晶硅材料制成的光伏电池。
非晶硅太阳电池具有柔性、轻薄和低造价等优点，适用于一些特殊场合和应用领域。
本文将从非晶硅材料的特性、非晶硅太阳电池的结构和工作原理、非晶硅太阳电池的优缺点以及应用领域等方面进行详细介绍。
非晶硅是一种非晶态的硅材料，其原子结构杂乱无序，与晶体硅相比，非晶硅具有更高的能量转换效率和更低的制造成本。
非晶硅太阳电池通常由玻璃或塑料基底、透明导电薄膜、非晶硅光伏层、背电极和接线等部分组成。
非晶硅太阳电池使用非晶硅材料作为光伏层，其中掺杂了少量的杂质元素，使得材料具有较高的光电转换效率。
非晶硅太阳电池的工作原理主要基于光伏效应，即光子入射到非晶硅光伏层上后被吸收，释放出电子和空穴，并在电场的作用下分别流向背电极和透明导电薄膜，从而形成电流。
非晶硅太阳电池的光伏转换效率与光伏层的材料性能、光伏层的厚度、非晶硅材料的电学性质等因素密切相关。
非晶硅太阳电池具有以下优点：首先，非晶硅太阳电池可以制备成柔性和轻薄的结构，适应各种复杂的曲面和形状，具有更广阔的应用空间；其次，非晶硅太阳电池的制造成本较低，生产工艺简单，可以实现大规模生产和应用；此外，非晶硅太阳电池在低光强和低温环境下具有较高的光电转换效率，适用于一些特殊应用领域。
然而，非晶硅太阳电池也存在一些缺点：首先，非晶硅太阳电池的光电转换效率相比于其他材料的太阳电池要低一些；其次，非晶硅太阳电池对光强和温度的变化较为敏感，在高温和强光环境下效果较差；另外，非晶硅太阳电池的使用寿命较短，一般在10年左右。
非晶硅太阳电池在一些特殊领域有广泛应用。
例如，在电子设备领域，非晶硅太阳电池可以用于制备柔性和可折叠的光伏电池组件，为电子设备提供可持续的电力；在建筑领域，非晶硅太阳电池可以嵌入到建筑材料中，如玻璃幕墙、屋顶瓦片等，实现建筑一体化太阳能利用；此外，非晶硅太阳电池还可以应用于一些便携式充电设备、户外太阳能供电系统等领域。
非晶硅太阳能电池工作原理及进展
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维普资讯 、非晶硅太阳能电池工作原理及进展、／徐温元（开大学电子科学系）南自１９６年以来，晶硅基台金作为一种新型的电子材料，７非由于它的优异的光电特性，它在太阳能使电池及其他方面具有广泛的应用前景，而推动着人们对这羹材料特性进行深人研究。
近几年国际上从有关这方面的研究工作发展迅速，已形成一个新技术产业部门．非晶硅太阳能电池的转换效率和电弛面积也都有明显的提高和增太．本文综述了非晶硅材料特性，电池工作原理及最近发展．一、非晶硅材料特性移率虺非晶硅基合金材料包括氢化非晶硅ａｓ：—ｉ了Ｈ、非晶碳化硅ａＳｘＨ、非晶氮化硅－ｉＣ：ｓ１ｉ…Ｎ：Ｈ、非晶锗硅ａＳｌ—ｉ…Ｇｅ：等一系列Ｈ犍材料．类台金均可在较低的温度下（３Ｏ）这＜０℃以等离子化学气相沉积方法（ＣＶＰＤ）在较广泛的衬底材料（玻璃、属、高温塑料）生如金及上成大面积薄膜．１非晶硅舍金的带隐及悬挂键．远程无序的．对理想晶态半导体来说，我们已卷市崖（ｍ ?ｅＰｃ）图ｌ非晶态半导体态密宦分布示意图带隙宽度．非晶硅的带隙宽度约等于１７Ｖ，．ｅ同．这种不同与非晶硅中含有１％以上的氢０非晶硅与晶体硅不同之处是其原子排列是晶体硅的带隙宽度为１ＩＶ，二者有明显的不．ｃ能用能带理论阐明其导电机理，即电子或空穴有关．再者，在非晶硅中掺人适量的锗（ｅ、若Ｇ）可“由”运动于扩展的导带或价带之中，并碳（或氮Ｏ，可以形成不同的硅基合金即自地ｃ）Ｎ）则具有较高的迁移率，而处于导带和价带之间的非晶锗硅合金禁带态密度为零．对非晶态半导体来说，由于ａＳｌ—ｉ…Ｃ：Ｈａｓ—ｉ一Ｇｃ：非晶碳硅台金Ｈ，或非晶氮硅台金ａｓｌ—ｉ…Ｎ：Ｈ．原子排列非长程有序，即材料中存在着各种不各种合金的带隙宽度随掺人量（的变化而变．）完整性（键长、角不相等和材料中存在空洞表１列出几种常见合金的带隙宽度．从迁移率如键或Ｅ，内分布的带尾的态密度近似以指向等）导致在描述非晶态导电机理时虽也有类似边Ｅ，于晶态的导带和价带，但它分成扩展态和局域数规律降到～１“ｃ? Ｖ的悬挂键态密度．／ｍｅ０态．在扩展态中，子和空穴的迁移率明显低所谓悬挂键是指非晶硅中的而电ｓ原子未成共价ｉ１１０／９于晶态材料，只相当于晶态材料载流子迁移率键的电子态．由射频溅射或电子束蒸发方法制的Ｉ％或更低．谓局域态即载流子不能在其中备的非晶硅膜，其悬挂键态密度可高达所输运的一种态，而且载流子是连续分布于导带ｃｅ由等离子体化学沉积法制备的非晶ｍＶ．或价带附近，故局域态又称为带尾，如图Ｉ所硅膜中含有大量的氢，可有效地与非晶硅中的示．带尾的宽窄与原子排列无序程度有关，即悬挂键结合形成ｓ—键，使悬挂键态密度降ｉＨ无序程度愈高带尾分布愈宽．低．悬挂键分布在带隙的中部，并起复合中心图中Ｅ，Ｅ，迁移率边，占到占．间称的作用．悬挂键态密度越低，则材料的载流子称之物理６５５ ?维普资讯 表Ｉ几种非晶志半导体的帝隙宽度可使此材料成为ｐ型或ｎ型的导电材料，其电导率可增至约ｌ－（ ? ｍ）０２Ｑｃ～．对于台有微晶成分的非晶硅材料，电导率可更高．其Ｃｕｒｅ（Ｓ（晶）！ｓ≈ＣＪ）多ｉ寿命越长．对于高质量的非晶硅材斟，其悬挂键态密度可低于ｌ“ｃ／ｍｅ０Ｖ．嚣表ｌ中各种非晶硅基合金（）量从０１分．逐渐增加时，带隙宽度也逐渐增大．其ｚ戢流子的输运过程．非晶硅材粒受光照或外电场注人时将产生菲平衡载流子，这些载流子在被复合之前在扩展态输运过程中，有一部分载流子将被带尾局域态所陷获，而被陷的载流子由于声子协助可重新激发回到扩展态．这种过程在载流子通过材料时可多次重复发生，直至载流子穿通材料崔波长＾ｒ）ｎ图２非晶硅基合金与晶体硅光吸收系敲的比较达到另一电极．由于这种多次陷阱效应，导致３光吸收特性．了载流子迁移率的下降．对未掺杂的本征非晶导率为ｌ－一１（ ? ｍ）Ｏｔ０Ｑｃ～．通过掺硼或磷非晶硅基合金材料的光吸收特性与晶体硅由图２可以看出，非晶硅在可见光部分比晶硅材料来说，是电子导电，般用ｉ示，电材料差别很大，２给出几种材料的光吸收谱．这一表图侣／钛－’２００Ａ～＿ＧＩ０２０Ａ１Ｂ．ＯＤＩＡｐ．１０Ａ０ａｅＨＳ：ＴＣ０图３（）Ｉ玻璃为衬康的单结电｝（为玻璃，ＴＣ为ｓｏ镀面透明导电膜，ａ三【电ＧＯｎＢ为缓冲层，ｎ为掺磷ｎ型电于导电材料，ｐ为掺礤Ｐ型空穴导电材料，，（，＋’钼钍＾ＩＴｉ为背电敏，燕上１—２置的钍再蒸铝，）先００可得到较好的欧姆接触）；【）ｂ以不锈钢为衬雇的单结电｝（为不镑钢衬雇，ＩＯ为氧化镏锡遗明导电膜）电ｓＴ；ｆ）叠层电她（电他为。
氢化非晶硅_a_Si_H_薄膜稳定性的研究进展
廖乃镘:男,1979年生,博士研究生,从事氢化非晶硅红外敏感薄膜材料研究 Tel :028********* E 2mail :liaonaiman @ 李伟:通讯联系人,教授,博士生导师 Tel :028********* E 2mail :wli @氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜稳定性的研究进展廖乃镘,李 伟,蒋亚东,匡跃军,李世彬,吴志明(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054) 摘要 氢化非晶硅(a 2Si ∶H )是一种重要的光敏感薄膜材料,其稳定性的好坏是决定能否应用于器件的重要因素之一。
介绍了a 2Si ∶H 薄膜稳定性的研究进展,论述了a 2Si ∶H 薄膜的稳定性与Si 2Si 弱键的关系,分析了光致衰退效应(S 2W 效应)产生的几种机理,提出了在薄膜制备和后处理过程中消除或减少Si 2Si 弱键以提高a 2Si ∶H 薄膜稳定性的方法。
关键词 氢化非晶硅 稳定性 光致衰退效应 物理模型 稳定化处理R ecent Progresses on the Stability of H ydrogenated Amorphous Silicon Thin FilmsL IAO Naiman ,L I Wei ,J IAN G Yadong ,KUAN G Yuejun ,L I Shibin ,WU Zhiming(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices ,U ESTC ,Chengdu 610054)Abstract The a 2Si ∶H thin film is an important light 2sensitive material that has received significant attentionnowadays because of its unique properties.The stability of this thin film is a key factor which is fatal in the application of commercial devices.This paper summarizes and commends some researches on the stability of a 2Si ∶H thin films based on recent literature ,and discusses the relationship between the weak bonding of Si 2Si and the stability of the films.It introduces the mechanisms of light 2induced degeneration of a 2Si ∶H thin films and also recommends some methods of film fabrication and post 2treatment techniques in order to reduce the weak bonding of Si 2Si in a 2Si ∶H thin films.K ey w ords a 2Si ∶H ,stability ,light 2induced degeneration ,physical model ,stabilization treatment 0 前言氢化非晶硅(a 2Si ∶H )薄膜具有光吸收率高、电阻温度系数(TCR )相对较大(1.8～8%/K )[1]、禁带宽度可控、可大面积低温(<400℃)成膜、基片种类不限、生产工艺较简单、与硅半导体工艺兼容等突出优点,在红外成像、太阳能电池、液晶显示、复印机感光鼓等领域得到快速发展。
氢化非晶硅(amorphousSiH)物理知识大全
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氢化非晶硅（amorphousSi:H）
氢化非晶硅(amorphousSi:H)
含有大量硅氢键的非晶硅称为氢化非晶硅即a-Si:H或非晶硅氢合金，a-Si:H中含氢量达3～50。
a-Si:H通常采用辉光放电法或溅射法制备，其电导及光电性质密切依赖于制备条件。
a-Si:H中的氢能够补偿非晶硅中大量存在的悬挂键，使其缺陷态密度大大降低，从而导致a-Si:H具有显著的掺杂效应，电导率可改变约10个量级。
a-Si:H具有比晶体硅更高的光电导响应，光电导与暗电导比值可达104～105。
a-Si:H的光学带隙约1.7eV，对整个太阳光谱的吸收系数大于104cm-1，1m厚的a-Si:H薄膜可以实现对太阳光谱的完全吸收，因此它成为廉价太阳电池的基础材料。
a-Si:H的另一重要用途是用a-Si:H制作的薄膜场效应管作为液晶显示屏的开关矩阵。
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p型纳米硅与a_Si_H不锈钢底衬nip太阳电池
p 型纳米硅与a 2Si ∶H 不锈钢底衬nip 太阳电池3胡志华1)2) 廖显伯1) 刁宏伟1) 夏朝凤2) 曾湘波1) 郝会颖1) 孔光临1)1)(中国科学院半导体研究所,北京 100083)2)(云南师范大学能源与环境科学学院,云南师范大学太阳能研究所,昆明 650092)(2004年8月11日收到;2004年11月18日收到修改稿) 报道了选用厚度为0.05mm 的不锈钢箔作衬底,B 掺杂P 型氢化纳米硅作窗口层,制备成功开路电压和填充因子分别达到0190V 和0170的nip 非晶硅基薄膜单结太阳电池.UV 2VIS 透射谱和微区Raman 谱证实所用p 层具有典型氢化纳米硅的宽能隙和含有硅结晶颗粒的微结构特征.明确指出导致这种氢化纳米硅能隙展宽的物理机制是量子尺寸效应.关键词:氢化纳米硅,量子尺寸效应,a 2Si ∶H 太阳电池PACC :7865H ,7125W ,8630J3国家重大基础研究计划(973)项目(批准号:G 2000028201)资助的课题.E -mail :huzhihua @ cc zhuahu1963@11引言非晶硅太阳电池按沉积顺序,分为顶衬结构(superstrate )和底衬结构(substrate )两种,有时也将这两种结构分别称为pin 和nip 结构.无论是pin 还是nip 结构,多数都是以p 层作为迎光的窗口层.顶衬结构一般是在透明顶衬(T C O 玻璃)上首先沉积p 层,然后沉积i 层,n 层和背面电极;而底衬结构则可以是在不锈钢(stanless steel ,SS )等不透明的导电衬底上先沉积n 层,然后顺序沉积i 层,p 层,IT O 和正面栅线电极.不锈钢具有很好的耐候性和抗腐蚀性能,超薄的不锈钢箔既可以展开,同时还具有重量轻的特点,因此是一种理想的柔性衬底材料.不锈钢柔性衬底制备的非晶硅太阳电池已被应用于战地装备以及太阳能光分解水制氢[1]的实验研究.G uha 等[2]的研究还表明,这种结构的三结叠层太阳电池的功率重量比可以达到或超过比功率700W Πkg ,更适合于太空应用.因此,这方面的研究受到美国能源部、国防部和宇航局的高度重视.顶衬结构的pin 非晶硅太阳电池的p 型窗口层多为a 2SiC ∶H 或μc 2SiC ∶H ,也有人试图用μc 2Si ∶H 取代a 2SiC ∶H[3],但几乎没有成功的先例.在底衬结构的nip 非晶硅太阳电池中,早在80年代G uha 等[4]就用掺F 的p 型所谓μc 2Si ∶H 作窗口层显著提高非晶硅太阳电池的开路电压.但很少有人关注这种没有掺碳的所谓μc 2Si ∶H 的宽能隙特征以及使其能隙展宽的物理原因[5—7].作者认为这种宽带隙的p 型μc 2Si ∶H 实际上应该称作纳米硅,即p 2nc 2Si ∶H.导致其能隙展宽的物理机制是量子尺寸效应(quantum sizeeffect ).本文报道了运用常规PEC VD 和磁控溅射设备,采用B 掺杂氢化纳米硅作为p 型窗口层,在0105mm 厚的不锈钢箔上沉积nip 非晶硅太阳电池的研究结果.电池结构为SS Πn 2a 2Si ∶H Πi 2a 2Si ∶H Πp 2nc 2Si ∶H ΠIT O ΠAl.太阳电池开路电压(V oc )和填充因子(FF )分别达到0.90V 和0170.并用透射谱和Raman 谱证实了B 掺杂氢化纳米硅的宽能隙及导致其能隙展宽的物理机制———量子尺寸效应.21实 验衬底选用0105mm 厚,40mm 宽的不锈钢箔(0105mm 是迄今所见报道中最薄的),载入PEC VD之前,先进行去油污清洗处理.太阳电池结构为SS Πn 2a 2Si ∶H Πi 2a 2Si ∶H Πp 2nc 2Si ∶H ΠIT O ΠAl (如图1所示),沉积顺序为n 2i 2p.a 2Si ∶H 和nc 2Si ∶H ,是用纯硅烷第54卷第6期2005年6月100023290Π2005Π54(06)Π2945205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.54,N o.6,June ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.(SiH 4)和高纯氢气(H 2)在一台三室RF 2PEC VD 设备中制备的,掺杂气体是磷烷(PH 3)和硼烷(B 2H 6).电池各层的沉积条件如表1所示.表1 太阳电池的沉积条件衬底温度Π℃R f 功率密度Π(mW Πcm 2)反应室气压ΠPa氢稀释比率Π(H 2ΠS iH 4)沉积时间Πm in掺杂气体浓度n 2a 2S i ∶H 200—300707010Π151%—115%PH 3i 2a 2S i ∶H 170707010Π130—45p 2nc 2S i ∶H50—801000200100Π13—51%—115%B 2H 6 完成PEC VD 沉积之后进行IT O 透明导电电极的溅射制备.我们采用直径716cm 的IT O 溅射靶材在一台多功能磁控溅射设备上优化了IT O 薄膜的溅射条件,IT O 溅射靶材是In 2O 3(wt 90%)∶SnO 2(wt10%)热压制成.IT O 透明导电薄膜电阻率约～10-4Ω・cm ,可见光透过率～90%.IT O 薄膜厚度约70nm ,方块电阻约20Ω.光照I 2V 测试是在卤钨灯照明下进行.由于测试系统的光源没有进行标定,因此没能换算太阳电池的短路电流密度以及光电转换效率,但开路电压和填充因子足以反映太阳电池的基本性能.为了表征p 型窗口层的纳米结构特征和纳米硅的量子尺寸效应,我们在玻璃上沉积了p 型单层膜.生长条件和电池工艺中的条件完全相同,只是将生长时间加长到1h ,并对制得的单层膜样品进行了UV 2VIS 透射谱和微区Raman 谱测试.UV 2VIS 透射谱测试用的是一台型号为SHI MADZ U 23101PC 的扫描分光光度计.Raman 谱测试用的是分辨率为110cm -1的RE NISH AW (RM2000)Raman 光谱仪.激发光光波长为51415nm ,聚焦光斑直径为1μm ,光功率为213mW ,测试配置为180°的背散射,测试温度为室温.图1 不锈钢底衬nip太阳电池的结构示意图图2 不锈钢底衬nip 太阳电池的光照I 2V 曲线31结果与讨论3111光照I 2V 特性 图2所示为太阳电池在卤钨灯光照下的I 2V 特性,开路电压(V oc )和填充因子(FF )分别达到0190V 和017010170的填充因子反映了良好的p Πi 界面和性能优异的本征层材料,而0190V 的开路电压说明p 层也具有相当宽的能隙,其迁移率能隙比典型非晶硅的1180V 还要更宽,应当接近210eV.由于整个太阳电池沉积过程中并没有掺碳,那么又是什么原因导致p 层能隙的展宽呢?为了弄清楚这个问题,我们对p 型单层膜进行了光学特性和微结构表征.3121量子尺寸效应与p 型纳米硅 由于太阳电池中的p 型窗口层很薄,大约10—15nm ,很难进行微结构和光学特性表征.为此,我们严格按照太阳电池中的p 层相同的工艺条件,用7059玻璃作衬底,制备了可以进行透射谱和Raman6492物 理 学 报54卷谱测量的p 型单层膜.图3所示为单层膜的UV 2VIS 透射谱,数据处理结果表明,薄膜的能隙约214eV ,膜厚大约200nm.可见表1所示条件下制备的p 型单层膜具有相当宽的能隙.众所周知,能够使材料能隙展宽的物理机制有两种,一是合金效应,比如在薄膜中掺碳C 或掺氮N ;另一种就是量子尺寸效应.而本文中的薄膜既没有掺碳也没有掺氮,因而排除了合金效应使能隙展宽的可能.图3 玻璃上单层p 2nc 2S i ∶H 的透射谱图4 玻璃上单层p 2nc 2S i ∶H 的Raman 散射谱通过Raman ,我们还可以计算出薄膜的晶化率X c =(I c +I m )Π(I a +I m +I c )≈6615%.所有这些分析表明,薄膜是典型的氢化纳米硅(nc 2Si ∶H ),而不是微晶硅(μc 2Si ∶H ).为了探测薄膜的微结构,我们又对薄膜进行了Raman 谱分析,图4所示为薄膜的Raman 散射谱,从Raman 谱的形态来看,薄膜主要呈结晶态.如果薄膜是微晶硅(μc 2Si ∶H ),其能隙应该和晶体硅能隙(1112eV )接近.将Raman 谱以400cm -1和560cm -1处为基准予以归一化,并用高斯峰进行拟合,发现只有三个峰才能较好拟合,谱图拟合参数如表2所示.三个峰(I a ,I m 和I c )峰位分别位于484124cm-1,508178cm -1和514144cm-1,半高宽度分别为541769cm-1,251585cm -1和81763cm -1.I a 源于非晶界面相,I m 峰源于一种介于晶态和非晶态之间的类晶结构[8].尖锐的I c 散射峰源自于结晶硅颗粒的T O 散射模,但已从体硅的521cm -1位移到了514cm -1.硅结晶颗粒应该是这种两相结构材料中能隙最窄的成分,因为很难想象晶粒体内含有足够的氢,以使其达到非晶硅甚至更宽的能隙.也就是说这部分结晶颗粒决定整个两相结构的带边吸收.既然图3的透射谱已经表明薄膜能隙约214eV ,那么必然是合金效应以外的某种原因导致硅晶粒能隙的展宽.表2 图4中Raman 谱的高斯分解拟合参数峰面积峰中心位置Πcm -1峰宽Πcm -1高度I a 38155484124541769555185I m 37769508178251585117718I c37961514140817628345615对照理论分析[9],由于尺寸效应引起纳米硅的Raman 峰位移可以用如下公式表示:Δω=ω(L )-ω0=-A aLγ式中ω(L )是尺度为L 的纳米硅晶粒的Raman 散射声子频率,ω0是体硅的T O 声子中心频率,a 是晶体硅的晶格常数.参数A 和γ用来描述纳米晶粒尺寸对振动的限制.对于球形晶粒,A 和γ分别取值47141和1144[10].由Raman 谱峰位移我们可以估算出本文中的纳米硅晶粒的尺寸为216nm.根据这一尺寸我们又联系到基于态密度方法(density functional approach )得到的纳米硅颗粒的有效能隙(E g )同晶粒尺寸L 的函数关系(E g ～L-1139)[11],推断出纳米硅晶粒的有效能隙(E g )约为214eV ,与透射谱测量估算的能隙能够很好吻合.作者还注意到,nip 太阳电池工序中的p 型窗口层的生长衬底是非晶硅(a 2Si ∶H ),而用于测试的单层膜的生长衬底是玻璃(glass ),二者在初期生长时的成核机制是不同的,单层膜的结构特征和器件中的p 型窗口层应当存在差异.一般说来,a 2Si ∶H 衬底上比较容易成核,也就是说,在相同的生长条件下,a 2Si ∶H 衬底上更容易结晶,晶粒尺寸也应相对玻璃(或IT O )衬底要大一些,能隙相应要窄一些.尽管随74926期胡志华等:p 型纳米硅与a 2S i ∶H 不锈钢底衬nip 太阳电池着膜厚的增加,能隙也会变窄,但实际上玻璃上的单层膜的能隙确实要比器件中的p层更宽,从图2透射谱的估计,单层膜的能隙接近215eV,而器件中的能隙应该在210eV左右.既然玻璃上都能得到宽能隙高结晶比的单层膜,因此,nip太阳电池中的p型窗口层必然是高结晶比的氢化纳米硅.因此可以得出结论,本文以及以往文献中所报道的高开路电压的非晶硅基太阳电池中没有掺碳的p型窗口层是氢化纳米硅薄膜(p2nc2Si∶H),而不是氢化微晶硅(μc2Si∶H).导致其能隙展宽的物理机制是量子尺寸效应.前面提到,pin结构中也有人试图用μc2Si∶H取代a2SiC∶H或μc2SiC∶H,但几乎没有成功的先例.作者认为,这并不意味着在T C O衬底上不能沉积宽能隙的p型氢化纳米硅(p2nc2Si∶H),问题在于T C O能否经受得住宽能隙p型氢化纳米硅的极端生长条件(低温、大氢稀释比和高射频放电功率),以及这种低温生长条件与pin太阳电池的后续生长工艺是否兼容,因为通常i层和n层的生长温度都要更高一些.或许这就是pin结构中用p型氢化纳米硅替代氢化非晶硅碳窗口层难以获得成功的真正原因.41结 论选用厚度为0105mm的不锈钢箔作衬底,P型氢化纳米硅作窗口层,制备成功开路电压和填充因子分别达到0190V和0170的nip非晶硅基薄膜单结太阳电池.UV2VIS透射谱和微区Raman谱证实所用p 层具有典型氢化纳米硅的宽能隙和含有结晶颗粒的微结构特征.明确提出了本文以及以往文献中所报道的高开路电压的非晶硅基太阳电池中没有掺碳的p型窗口层是氢化纳米硅(p2nc2Si∶H),而不应该叫做氢化微晶硅(μc2Si∶H).导致这种氢化纳米硅能隙展宽的物理机制是量子尺寸效应.[1]M iller E and R ocheleau R Photoelectrochem ical Hydrogen productionProceedings o f the2001DOE Hydrogen Program Review,NRE LΠCP2570230535[2]G uha S et al1998Am orphous S ilicon S olar Cells for S paceApplications2nd World Conference and Exhibition on PhotovoltaicSolar Energy Conver sion,Vienna,Austria,p3609—3614[3]Rath J K,W erf C H M,Rubinelli F A and Schropp R E I1996Develo pment of Am orphous S ilicon Based P2I2N S olar Cell in aSuperstrate S tructure with P2m icrocrystalline S ilicon as W indowLayer,IEEE25th P VSC,W ashingtin,D.C.1101—1104[4]G uha S,Y ang J,Nath P and Hack M1986Appl.Phys.Lett.49p218—219[5]Liao X B,W ang W and Deng X2002AMPS M odeling of Nanocrystalline S i P2Layer in a2S i nip S olar Cells29th IEEE P VSC [6]Deng X,Jones SJ,Liu T,I zu M and Ovshinsky S R1997Im provedpc2S i p2layer and a2S i i2layer materials using vh f plasma deposition26th P VSC Anaheim CA p591[7]T oshiaki Sasaki et al2000J.Non2Cryst.Solids2662269p171—175[8]Tsu D V,Chao B S,Ovshinsky S,G uha R S and Y ang J1997Appl.Phys.Lett.71p1317—1319[9]Z i J et al1996Appl.Phys.Lett.69p200—202[10]Delerue C,Allan G and Lannoo M1993Phys.Rev.B48p11024—11037[11]Delley C and S teigmeier E F1993Phys.Rev.B47p1397—14008492物 理 学 报54卷NIP a 2Si ∶H solar cells on stanle ss steel with p 2typenc 2Si ∶H window layer 3Hu Zhi 2Hua 1)2) Liao X ian 2Bo 1) Diao H ong 2W ei 1) X ia Chao 2Feng 2)Z eng X iang 2Bo 1) Hao Hui 2Y ing 1) K ong G uang 2Lin 1)1)(Institute o f Semiconductor s ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100083,China )2)(School o f Energy and Environmental Sciences ,Solar Energy Research Institute ,Yunnan Normal Univer sity ,Kunming 650092,China )(Received 11August 2004;revised manuscript received 18N ovember 2004)AbstractThe success ful application of boron-doped hydrogenated nanocrystalline silicon as w indow layer in a 2S i ∶H nip solar cells on stainless steel foil w ith a thickness of 0105mm is reported.Open circuit v oltage and fill factor of the fabricated solar cell were 0190V and 0170respectively.The optical and structural properties of the p 2layers have been investigated by using UV 2VIS and Raman spectroscopy.It is con firmed that the p 2layer is hydrogenated nanocrystalline silicon w ith a w ide optical gap due to quantum size effect.K eyw ords :hydrogenated nanocrystalline silicon ,quantum size effect ,a 2S i based solar cell PACC :7865H ,7125W ,8630J3Project supported by the S tate K ey Development Program for Basic Research of China (G rant N o.G 2000028201)E -mail :huzhihua @ cc zhuahu1963@94926期胡志华等:p 型纳米硅与a 2S i ∶H 不锈钢底衬nip 太阳电池。
太阳能专业词汇名词解释
太阳能专业词汇名词解释字母 AAA, Ampere 的缩写, 安培a-Si:H, amorph silicon 的缩写, 含氢的, 非结晶性硅.Absorption, 吸收.Absorption of the photons:光吸收;当能量大于到禁带宽度的光子入射时，太阳电池内的电子能量从价带迁导带，产生电子——空穴对的作用，称为光吸收。
Absorptions coefficien t,吸收系数, 吸收强度.AC, 交流电.Ah, 安培小时.Acceptor, 接收者, 在半导体中可以接收一个电子.Alternating current, 交流电，简称“交流. 一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流. 它的最基本的形式是正弦电流. 我国交流电供电的标准频率规定为50 赫兹。
交流电随时间变化的形式可以是多种多样的。
不同变化形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。
以正弦交流电应用最为广泛，且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，化成为正弦交流电的迭加。
AM, air mass 的缩写, 空气质量.直射阳光光束透过大气层所通过的路程，以直射太阳光束从天顶到达海平面所通过的路程的倍数来表示。
当大气压力P=1.013 巴，天空无云时，海平面处的大气质量为1。
amorphous silicon solar cell:非晶硅太阳电池（a—si 太阳电池）用非晶硅材料及其合金制造的太阳电池称为非晶硅太阳电池，亦称无定形硅太阳电池，简称a—si 太阳电池。
Angle of inclination, 倾斜角，即电池板和水平方向的夹角，0-90 度之间。
Anode, 阳极, 正极.太阳能专业词汇名词解释字母 BBack Surface Field, 缩写BSF, 在晶体太阳能电池板背部附加的电子层, 来提高电流值.Bandbreak, 在半导体中,价带和导带之间的空隙,对于半导体的吸收特性有重要意义.Becquerel,Alexandre-Edmond, 法国物理学家, 在1839 年发现了电池板效应.BSF, back surface field的缩写.Bypas-Diode, 与太阳能电池并联的二极管, 当一个太阳能电池被挡住, 其他太阳能电池产生的电流可以从它处通过.太阳能专业词汇名词解释字母 CCadmium-Tellurid, 缩写CdTe; 位于II/VI 位的半导体, 带空隙值为1,45eV, 有很好的吸收性, 应用于超薄太阳能电池板, 或者是连接半导体.Cathode, 阴极，或负极，是在电池板电解液里的带负电的电极，是电池板电解液里带电粒子和导线里导电电子的过渡点。
非晶硅太阳电池
非晶硅太阳电池一、简介非晶硅太阳电池是一种新型的太阳能电池，它是利用非晶硅薄膜制成的。
与传统的多晶硅太阳电池相比，非晶硅太阳电池具有更高的光电转换效率和更低的制造成本。
二、原理非晶硅太阳电池采用了一种称为“堆垛结构”的设计，这种设计可以使得光线在薄膜中反复折射，从而增强了光吸收效果。
在吸收到光线后，光子会激发出电子-空穴对，在外加电场作用下，这些电子-空穴对会分别向两端移动，并产生一个电压差。
通过将多个这样的单元串联在一起，就可以得到一个具有较高输出功率的太阳能电池。
三、制造工艺1. 清洗基板：首先需要清洗基板表面以去除表面杂质。
2. 沉积非晶硅层：在基板上沉积一层非晶硅薄膜。
3. 氧化处理：经过氧化处理后形成氧化硅层。
4. 刻蚀：利用刻蚀技术去除氧化硅层的一部分，形成电极。
5. 沉积金属层：在电极上沉积一层金属，形成另一个电极。
6. 制成单元：将多个这样的单元串联在一起，就可以得到一个具有较高输出功率的太阳能电池。
四、优缺点1. 优点：（1）光电转换效率高：非晶硅太阳电池可以将光线转换为电能的效率达到了10%-13%左右，比传统的多晶硅太阳电池要高。
（2）制造成本低：非晶硅太阳电池制造工艺简单，生产成本低。
（3）适用范围广：非晶硅太阳电池可以适用于各种不同环境下的太阳能利用场合。
2. 缺点：（1）稳定性差：由于非晶硅薄膜中存在大量的缺陷和杂质，因此其稳定性较差。
（2）寿命短：由于材料缺陷和杂质等原因，非晶硅太阳电池寿命较短。
五、应用领域非晶硅太阳电池可以广泛应用于各种不同的领域，包括：1. 太阳能电池板：非晶硅太阳电池可以制成太阳能电池板，用于发电、供电等。
2. 光伏发电系统：非晶硅太阳电池可以作为光伏发电系统中的核心部件，用于将光能转换为电能。
3. 便携式充电器：非晶硅太阳电池可以制成便携式充电器，用于为手机、平板等设备充电。
六、结语随着可再生能源的需求不断增加，非晶硅太阳电池将会有更广阔的应用前景。
非晶硅薄膜太阳能电池基础知识大全(百科)
非晶硅太阳电池是以玻璃、 不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池， 结构如图 1 所示。 为减少串联电阻， 通常用激光器将 TCO 膜、 非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成 条状， 如图 2 所示。国际上采用的标准条宽约 1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将 各子电池串连起来， 因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流， 总输出电压为各个子 电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非 晶硅太阳电池。
独立光伏电源系统设计方法
经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益 广泛地应用于各个领域。特别是邮电通信方面，由于近年来通信行业的迅猛发展，对通信电 源的要也越来越高， 所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域。 而如何根据各地区 太阳能辐射条件， 来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统， 这是众多专家学者研究已久的 课题，而且已有许多卓越的研究成果，为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。笔者在学 习各专家的设计方法时发现， 这些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间 （即最长连续阴雨天） ， 而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间 （即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数） 。 这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视， 因为我国南方地区阴雨天既长又多， 而对于 方便适用的独立光伏电源系统， 由于没有应急的其他电源保护备用， 所以应该将此问题纳入 设计中一起考虑。 本文综合以往各设计方法的优点， 结合笔者多年来实际从事光伏电源系统 设计工作的经验， 引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一， 并综 合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及 相关设计方法。 影响设计的诸多因素 太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、 光强受到大气层厚度 （即大气质量） 、 地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很 大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。 太阳能电池方阵的光电转换效率， 受到电池本身的温度、 太阳光强和蓄电池电压浮动的 影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。 蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变 化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。 太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成， 它本身也需要耗能， 而使用的元器件 的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到充电的效率等。 负载的用电情况， 也视用途而定， 如通信中继站、 无人气象站等， 有固定的设备耗电量。 而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的。 因此，太阳能电源系统的设计，需要考虑的因素多而复杂。特点是：所用的数据大多为 以前统计的数据，各统计数据的测量以及数据的选择是重要的。 设计者的任务是：在太阳能电池方阵所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射 能、气候、气象、地形和地物等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济 效益，又要保证系统的高可靠性。 某特定地点的太阳辐射能量数据， 以气象台提供的资料为依据， 供设计太阳能电池方阵 用。这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。 地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天 24h。处在某一地区的太阳能电 池方阵的发电量也有 24h 的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。 但是天气的变化将影响方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天，方阵就几乎不能发电，只能 靠蓄电池来供电， 而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。 设计者多数以气象台提供的 太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。 由于一个地区各年 的数据不相同，为可靠起见应取近十年内的最小数据。根据负载的耗电情况，在日照和无日 照时， 均需用蓄电池供电。 气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量 大小是不可缺少的数据。 对太阳能电池方阵而言， 负载应包括系统中所有耗电装置 （除用电器外还有蓄电池及线
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氢化纳米非晶硅(na -Si :H )p -i -n 太阳电池Ξ胡志华1,2,廖显伯2,夏朝凤1,刁宏伟2,孔光临2(1.云南师范大学能源与环境科学学院,云南昆明650092;2.中国科学院半导体研究所北京100083)摘 要: 文章报道了通过适当氢稀释(RH =15)和合适的衬底温度(T s =170℃)下,用PECVD 制备得到的宽带隙氢化纳米非晶硅(na -Si :H )薄膜,并将其用作p in 太阳电池的本征层。
经过电池结构和工艺条件的优化设计,在p i ,i n 界面插入渐变带隙缓冲层,制备出了glass ITO p -a -Si C :H i -na -Si :H n -nc -Si :H A l 结构的p in 太阳电池。
电池初始开路电压(V oc )高达0.94V ,同时还能保证0.72的填充因子(FF )。
光电转换效率(Eff )达到8.35%(AM 1.5,100mW c m 2)。
关 键 词: 纳米非晶硅;p in 薄膜太阳电池;开路电压;PECVD中图分类号: O 211.6 文献标识码: A 文章编号: 1007-9793(2004)04-0027-04 近年来,多孔硅(po rous -Si )以及含氧、含氮和氢化纳米晶硅(nc -Si :O 、nc -Si :N 、nc -Si :H )由于量子限制效应(Q uan tum confine m en t effect )引起晶体硅的能带结构发生改变,使其具有了较强的室温可见光发光特性,使人们看到了成熟并日益发展的硅基微电子工艺最终实现光电集成的希望。
因此,这类材料的研究倍受重视。
但因这些材料一般都不具有光敏性,不适合用于p in 结构太阳电池的本征层,因而较少有将这些材料应用于光伏器件的报道。
事实上,这些材料原则上也只适合用于太阳电池的掺杂层。
直到1999年Suk tiH azra 和Sw ati R ay[1,2]才报道了将氢化纳米硅用作p in 结构太阳电池的本征层,制备出了开路电压(V oc )为0.93V ,光电转换效率(Eff )为8.7%的太阳电池。
不过这里所说的纳米硅实际上是一种两相结构(di phase )材料。
少量纳米尺度的结晶硅颗粒镶嵌于非晶硅网络中,由于量子限制效应使得这种两相结构材料具有纳米硅带隙宽和光致发光特性,同是由于非晶相的存在又使得这种材料又具有较好的光敏性,因而在提高光照稳定性的情况下,还能获得较好的光伏特性。
Suk ti H azra 和Sw ati R ay 将这种材料命名为N anomorph 。
本文报道了用等离子体增强汽相化学沉积(PECVD )方法在较低衬底温度(170℃)和适当氢稀释条件下获得具有光敏性的宽带隙非晶硅材料,本文称之为纳米非晶硅或nanomorphous sili 2con (na -Si ),区别于纳米晶硅-nanocrystalline slicon (nc -Si )。
将这种宽带隙纳米非晶硅材料其用于制作glass ITO p -a -Si C i -na -Si :H n -nc -Si :H 结构的太阳电池,电池初始开路电压(V oc )高达0.94V ,同时还能保证0.72的填充因子(FF )。
光电转换效率(Eff )达到8.35%(AM 1.5,100mW c m 2)。
1 实 验纳米非晶硅薄膜太阳电池是在三室(分装片室、掺杂室和本征室)等离子体增强汽相化学沉积系统中制备的。
系统本底真空为6×10-3Pa 。
所用衬底有ITO 导电玻璃和7059玻璃两种。
7059玻璃用于各单层膜的光学表征和PL 谱测量。
载入沉积系统之前,衬底需用去离子水煮沸清洗。
P 型窗口层放电气体为硅烷(SH 4)、甲烷(CH 4)、氢气(H 2)和掺杂气体(1%的稀释)硼烷(B 2H 6+H 2)。
300℃预烘烤30分钟,生长时的压力、温度和功率密度分别为100Pa 、170℃、500～100mW c m 2。
本征层的生长压力、衬底温度和功率密度分别为100Pa 、170℃、50mW c m 2,氢稀释比为15。
N 层放电气体为硅烷和10%的稀释磷烷(PH 3+H 2),氢稀释比为60,衬底温度170℃,放电功率密度100 第24卷第4期2004年7月 云南师范大学学报Journal of Yunnan N or m al U niversity V ol .24N o .7Jul .2004 Ξ收稿日期:2004-02-26 作者简介:胡志华(1963-),男,四川省泸县人,博士,主要从事新能源与环境工程研究.～500mW c m 2。
完成各层生长之后蒸发A l 电极,太阳电池的结构和工艺流程分别如图1(a )(b )所示。
图1 太阳电池结构(a )及制备工艺流程图(b )F ig .1Illustrati on of structure (a )and p rocesses (b )of na -Si :H s olar cells太阳电池各层厚度是通过单层膜的生长速率估算得来,通过UV -V IS -N I R 透射谱数据分析和T auc 作图法确定有效光学禁带宽度。
[3]透射谱使用Sh i m adzu -3101PC 分光光度计测量。
太阳电池I -V 曲线是在AM 1.5,100mW c m 2,25℃的条件下测得。
2 结果与讨论2.1ITO p +和p i 界面p 型窗口层以及相关界面层是p in 硅基薄膜太阳电池的重要组成部分,自从T a w ada [4]等报道了a -Si C :H a -Si :H 异质结太阳电池以来,a -Si C :H 被广泛用于p 型窗口层。
为了实现ITO p 界面的欧姆接触,降低由于接触带来的串连电阻的增加,首先需要沉积很薄的一层重掺杂层,也就是所谓的p +层。
随后的p 层一方面要求掺杂适当,同时要求合适的禁带宽度和厚度。
a -Si C :H 的禁带宽度可以通过碳含量来调节,这是a -Si C :H 作为p 型窗口层的优点之一。
然而碳的引入同时又产生更多带隙间缺陷态,载流子迁移率降低,材料电学特性变差。
因此p 层厚度不能太厚,一般应控制在20nm 左右。
研究证明,适当加大功率和合适的氢稀释可以改善p 型Si C 的微结构[5],有利于提高太阳电池的开路电压和填充因子。
我们在这之前还就氢稀释比对a -Si C :H 的带隙宽度和生长速率的影响进行过研究,氢稀释不仅可以改善a -Si C :H 的微结构,同时还有助于光学带隙的进一步提高。
本工作的p 层氢稀释比RH =[H 2] [CH 4+Si H 4]～10,碳硅流量比[CH 4] [CH 4+Si H 4]=0.3～0。
p i 界面是a -Si C :H a -Si :H 异质结太阳电池的核心,界面处高密度的界面缺陷态会大大增加产生复合电流密度,即暗电流密度JD ,从而降低太阳电池的开路电压和填充因子。
因此,实际制作太阳电池时p i 界面间必须插入带隙和B 掺杂浓度渐变的缓冲层(buffer )。
缓冲层的作用是:一方面使能带失配缓慢过渡,另一方面是分散降低界面态密度,从而有利于光生载流子(空穴)的收集和减小产生复合漏电电流。
本研究在固定本征层和n 型层的基础上通过不断改进p i 缓冲层,使电池的初始开路电压达到0.94V ,填充因子达到0.72。
2.2纳米非晶硅(na -Si :H )本征层本征层的氢稀释比RH =15,衬底温度170℃,放电气压100Pa ,放电功率密度400mW c m 2。
前期工作证实,上述条件处于a -Si :H →nc -Si :H 相变过渡区,这种条件下生长的膜中有少量(<30%)纳米晶颗粒存在,这些少量的纳米晶颗粒难以用R a m an 谱、X 射线衍射的手段检测出来,Suk ti H azra 等使用高分辨电子显微镜揭示了这种特殊的材料的结构特点。
对于一般意义上的纳米晶硅,即nc -Si :H ,其结晶比高达60%～80%,晶粒间相隔2-3个原子层厚度。
这种材料由于自掺杂效益和隧穿效益表现出晶体硅的暗电导ΡC (>10-5Sc m -1)。
而这里所说的纳米非晶硅,也就是na -Si :H ,其结晶比很小,小于渗流临界值,根据Yosh ida [6]的有效介质电导理论,这种两相结构的暗电导率ΡD 可・82・云南师范大学学报(自然科学版) 第24卷表示为:ΡD -Ρa ΡD +2Ρa =fΡc -ΡaΡc +2Ρa(1)(1)式中ΡC 和Ρa 表示晶体硅和非晶硅的暗电导率,f 表示结晶体积比。
na -S i :H 结晶比很小,决定其暗电导ΡD 的主要还是Ρa 。
因此这种材料能够保持高的光敏性,即光暗电导比(ΡP h ΡD )。
如图2中阴影区所代表的材料。
图2nc -Si :H a -Si :H 两相结构材料(na -Si :H )暗电导与结晶比的关系F ig .2D ark conductivity as a functi on of crystallinefracti on (f )in nc -Si :H a -Si :H di phase m a 2terials (na -Si :H )由于量子限制效应使得这种材料具有比非晶硅更宽的带隙,并且具有一般非晶硅所没有的室温光致发光特性。
单层膜的光学特性表征表明,这种纳米非晶硅薄膜的光学带隙为1.74e V ,相应的迁移率带隙约为1.85e V 。
宽带隙本征层是0.94V 的高开路电压的真正原因。
0.72的填充因子证实这样的宽带隙材料可以用于太阳电池本征层。
2.3太阳电池的光照I -V 特性图3所示为na -Si :H 太阳电池的初始光照I -V 特性参数。
开路电压V oc =0.94V ,短路电流密度J sc =12.34mA c m -2,填充因子FF =0.72,初始光电转换效率(Eff )达8.35%(AM 1.5,100mW c m 2)。
非晶硅(a -Si :H )superstrate 单结太阳电池的开路电压一般低于0.90V [9]。
0.94V 的开路电压表明,na -Si :H 本征层的带隙比一般a -S :H 要宽。
由于na -Si :H 的光学带隙大于a -Si :H (1.72e V ),减少了长波光吸收,同时这种材料的缺陷态密度可能大于优质非晶硅,因此其光生短路电流密度可能难以达到相同本征层厚度的单结非晶硅太阳电池所能达到的值(15mA c m 2以上)。
这种材料适合于制作叠层太阳电池的顶电池。
图3太阳电池的光照I -V 曲线F ig .3Illum inated I -V characteristics of na -Si :Hs olar cell2.4na -Si :H 太阳电池的光照稳定性非晶硅太阳电池的光致退化是制约非晶硅太阳电池发展的主要因素。