非晶硅太阳能电池工作原理及进展

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、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

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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 ?

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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．

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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

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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

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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。ｓ：材料，电池为ＩＳＧ￣Ｈ材料）ｃ上一ｉＨ下＿ｉ：

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茛ｐｊ善层，最后以硅有较高的光吸收系数，不同材料的较高光啵它是毒捩在不锈钢上沉积＋

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收系数，对应的波长不同．所

电子束蒸发一层ｆｏ透明导电嗅．光从ＩＯｒＴ

膜射人ｎ层，Ｐｉ电池相似，和ｎ在ｎ／界ｉ面处产生的光生载流子通过ｉ达到背电极构层

成电流回路．’

二、非晶硅电池的结构和工作原理

非晶硅电池一般可分为单结电池和叠层电池，单结电池又可分为以玻璃为衬底的ｐｉ而ｎ电池和以不锈钢为衬底的ｎｉ电池，如图３ｐ

所示．

～

关于非晶硅电池工作原理模型有不少文章讨论过，是从泊松方程出发列出电子和塑都

穴的连续方程，依据不同的边界条件推算在光照或暗态下电池的伏安特性．本文以圈３ａ（）

ｐｉ电池结构为例扼要阐明电池的工作原理．ｎ

１单结电油．图３ａ（）是以玻璃为衬底的ｐｎ电池结构．ｉ在玻璃上先敷着一层绒面ＳＯ：透明导电膜，ｎ这种膜有减少反射光的作用，可使膜的透明度

图４ａ给出Ｐｉ电池短路杀件下的能带（）ｎ图．对于高转换效率的非晶硅电池，由于被陷

电荷和空间自由载流子电荷可以忽略，其ｉ层提高．时这种膜