真 空 科 学 与 技 术第20卷 第3期
222()VACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGYCHINA2000年5月
非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向
李 毅 胡盛明
(深圳市创益科技发展有限公司 深圳 518029)
3
DevelopmentTrendsinAmorphousSiliconTandemSolarCells
LiYi,HuShengming
(ShenzhenTronyScience&TechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Shenzhen,518029)
Abstract Developementtrendsinamorphoussilicon(a2Si)tandemsolarcellswerereviewed.Variouslimitationsoveramorphoussilicon
solarcellswerediscussed.Weproposethata2Sitandemsolarcellhaveabrightprospect.Theproductionof4ft2and8ft2a2SitandemsolarcellsofSolarexCo.U.S.A.wasintroduced.Somekeytechnologies,whichareusedtoproducelowcost,morereliablea2Sitandemsolarcellsonlargescale,werealsodiscussed.
Keywords Amorphoussilicon,Tandemsolarcells,Thinfilm,Stabilizedconversionefficiency 摘要 对非晶硅叠层太阳能电池的现状及发展动态进行了综述。分析了目前阻碍非晶硅太阳能电池进一步发展和应用的制约因素,提出了非晶硅叠层太阳能电池是今后进一步开发非晶硅太阳能电池的重要方向。介绍了美国Solarex公司的4平方英尺和8平方英尺叠层非晶硅太阳能电池的生产线及其工艺,并就低成本大批量生产具有较高稳定性的叠层太阳能电池的关键技术如选择和制备优质底电池的i层材料、提高生产率等进行了讨论。
关键词 非晶硅 叠层太阳能电池 薄膜 稳定转化效率
1 非晶硅太阳能电池的发展现状
在历史上,单晶硅是第一种被商业化应用的太阳能电池材料,且是当今研究最广泛的半导体。硅的优点在于其工艺技术成熟以及地球壳层硅含量丰富。由于硅是一种间接跃迁半导体,故其吸收比颇低,这就要求用014mm厚的大量硅来吸收太阳光。由于材料性能和电池结构设计的优化已在实验室获得了转换效率为24%的单晶硅太阳能电池[1],然而追求高转换效率的障碍主要在于单晶硅太阳能电池具有更复杂的工艺技术,使其生产成本一直居高不下。单晶硅太阳能电池的生产成本问题促使人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜技术,在当今市场中投入商业销售数量最大的薄膜首推非晶硅(a2Si)。在光伏市场中,a2SiPV的大部分用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费产品,但近几年也开发了非晶硅太阳能电池模块发电。由于其极低的生产成本,在日本“新阳光计划”下的PV推广项目已对非晶硅薄膜太阳能电池进行了约15年的探
3 1999年7月30日收到
索开发。目前a2Si单结太阳能电池的最高转换效率
为1312%,然而,在太阳光照射下早期的a2Si太阳能电池模块的转换效率的衰减一般达到30%～50%。因此主要的科研力量已从初始转换效率转到稳定的转换效率上来,并且a2Si太阳能电池的结构也从单结研究转到多结研究上来,以改进其稳定性并提高转换效率。多结太阳能电池是使用对应于不同太阳光谱部分的不同光伏材料膜层来制作的,现在已有若干研究指出,a2Si光伏系统在经过一年或两年的15%初始功率衰减后可望获得可靠和恒定的功率输出。
2 非晶硅太阳能电池存在的主要问题
为了使太阳能发电能够与其它商业化的发电方式进行竞争,假设模块的稳定转换效率为815%,那么非晶硅太阳能电池模块的生产成本就必须低于每瓦114美元。在可见光范围内,非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数,因此实现光伏转换所需的膜层厚
第3期李 毅等:非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向223
度仅为013～0145μm,且每瓦所需硅的量极少。在每一阶段,制造非晶硅太阳能电池所需消耗的电能比生产单晶硅太阳能电池少,对于非晶硅太阳能电池,制造电池所需消耗的电能成本的回报时间约为016～115年。目前尽管在a2Si太阳能电池的开发
太阳能电池已达到了成熟水平,使商业化大面积太
阳能电池模块在技术和经济上都是切实可行的。Solarex公司已建造一座容量10兆瓦/年的a2Si太阳能电池模块工厂,该工厂已在816平方英尺的玻璃衬底上生产激光互连型单板a2Si:H/a2SiGe∶H叠层太阳能电池模块。产品的基本器件结构是:玻璃/TCO/p2i2n———p2i2n/ZnO/Al/EVA/玻璃,如图1所示。其中前pn结采用了能隙宽度约1178eV的本征a2Si:H吸收层,后pn结则使用能隙宽度从1145～1155eV的本征a2SiGe∶H合金层。前接触电极是用常压CVD(APCVD)法沉积的绒面氧化锡透明导电膜,非晶硅膜则采用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)法沉积,其中约10nmp型a2SiC∶H合金膜层直接沉积在镀有TCO膜的玻璃上,前pn结的本征a2Si∶H膜层利用硅烷和氢气混合气体进行沉积之后再沉积约10nm的掺磷微晶硅膜层。接下来的第二个p型a2SiC∶H膜层形成了隧道结并作为第二个结的组成部分,然后是用硅烷、锗烷和氢气沉积的能隙宽度小的a2SiGe∶H合金膜层。背接触电极由利用低压CVD(LPCVD)法沉积的100nmZnO和利用磁控溅射沉积的约300nmAl层组成。在一块单板模块中的各部分利用三个激光刻划步骤进行互连,如图2所示。最后再利用另一块玻璃和两块玻璃间的EVA(乙基乙烯树脂)材料进行模块封装。该模块稳定的额定功率有望达到56W。
中取得的进步给人留下了深刻的印象,但尚有一些为确保技术上长期成功必须解决的问题。现在非晶硅太阳能电池的研究和开发一般分为:①提高转换效率;②提高可靠性;③开发批量生产技术。在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和可靠性方面,叠层太阳能电池是一个重要的开发方向。
3 叠层型非晶硅太阳能电池
311 叠层型非晶硅太阳能电池的提出
由于太阳光光谱中的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池,被背电极金属吸收,转变成热能;而高能光子超出能隙宽度的多余能量,则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子,使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载,变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池,即使是晶体材料制成的,其转换效率的理论极限一般也只有25%左右(AM115)。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样的电池结构就是叠层电池。
312 大面积叠层非晶硅太阳能电池产品
基于薄膜技术的光伏应用型非晶硅自从1974年在RCA实验室诞生以来已走过了漫长的道路,而今它已扩展到民用领域并在地面应用中日益增长。美国Solarex公司在非晶硅叠层太阳能电池方面无论是技术水平还是大规模应用方面都处于世界领先水平,在过去的10年中,Solarex公司(Amoco/EwronSolar的商业性机构)已在技术开发方面取得了不小
图1 串结电池结构示意图
Fig11 Schematicdiagramofthea2Sitandemsolarcell
313 大面积叠层a2Si太阳能电池模块的研究和开
的进展,导致了非晶硅基合金薄膜的改进,这种改进的本征和掺杂非晶硅在4平方英尺和1平方英尺的多结太阳能电池模块的应用中展示出8%～9%的稳定转换效率[2],Solarex公司开发的非晶硅基多结
发问题:薄膜工艺
大面积多结模块开发包括从1～4～8平方英尺的按比例递增的四种膜层沉积工艺:APCVD(TCO),PECVD(Si),LPCVD(ZnO)和溅射(Al)。每一种工艺都有必须满足的特殊要求,以确保大面积模块的空间、组分和形貌外观的均匀性。
Solarex公司有一条4平方英尺试验生产线运行
224真 空 科 学 与 技 术第20卷
图2 串结组件激光内联示意图
Fig12 Schematicdiagramshowinglaserpathin
ana2Sitandemsolarcell
已超过两年,制作了1000多块模块,最初为4平方
英尺试验生产线开发的“baseline1”的硅工艺有带隙宽度相对低(约1145eV)的a2SiGe∶H本征层(在后pn结中),可产生约10mA/cm2的电流,该工艺(70%生产率)的平均初始效率为916%。在连续600h一个太阳光照后,多数模块的平均光致衰减稳图3 4平方英尺a2Si/a2SiGe串联组件稳定转换效率Fig13 Variationintheefficiencyofthesolarcells
用微晶硅作i层的非晶硅太阳能电池在光照下已证明是完全稳定的。据此,已制备了a2Si/μc2Si叠层太阳能电池。其初始转换效率为1311%,在这种电池结构中,总功率的三分之二是由非晶硅顶电池产生的,但顶电池的稳定性却是这种叠层太阳能电池的关键问题,这种电池的稳定转换效率为10%(145h,1个太阳光照,48℃)。在新阳光计划下,某些日本研究小组已在开发a2Si/p2Si薄膜叠层太阳能电池,Kaneka公司获得了初始转换效率为1014%的薄膜太阳能电池,在这种器件中,6μm厚的多晶
)用等硅薄膜太阳能电池是在低温下(200～550℃离子体CVD法沉积在玻璃衬底上的。
三洋公司研究了均匀成膜技术[3],在30cm×40cm单结非晶硅太阳能电池模块上获得了转换效率
定在17%,该结果是在NREL的测量所证实的。因此,该工艺可达到超过8%的稳定转换效率。尽管该生产线运行稳定并提供了许多有价值的生产经验,但对于提高其产量和降低材料成本的工作一直都在进行。叠层器件的沉积时间和硅烷、锗烷的利用率是影响模块成本效率的重要因素。通过采用更薄的本征层和减少锗的含量以增加后pn结的带宽,优化了这种叠层器件。“baseline2”生产线工艺已经使叠层电池产生的电流减少,而填充因子和开路电压则增加。此外,这种薄叠层电池的效率也得到了改进,光致衰减已从17%降低到14%～15%。平均稳定转换效率(70%生产率)达到7180%,接近于“baseline1”,但成本效率则得到了明显改进。图3表示了两条基础生产线工艺的稳定转换效率的比较(批量为40个模块),其中70%生产率的平均稳定转换效率分别为8107%和7180%;100%生产率的平均稳定转换效率分别为7192%和7170%。两条基础生产线的工艺比较如表1所示。
表1 4平方英尺a2Si/a2SiGe串联组件中试生产工艺比较
Tab.1 Productionconditionsfor4ft2a2Si/a2SiGe
tandemsolarcells
工艺中试生产线1中试生产线2
相对原料
利用率
10062
偏差为±1%的均匀性,通过进一步优化技术,可望使a2Si/a2SiGe子模块获得10%的稳定效率。
Solarex公司基础生产线的816平方英尺模块按
比例递增工艺正在进行生产。在可商业购买的绒面氧化锡镀膜碱石灰玻璃上已制作了816平方英尺叠层模块,在NREL所测的4个最新模块的性能总结于表2中。
表2 NREL对816平方英尺a2Si/a2SiGe串联组件
的户外测试结果
Tab.2 Fieldtestresultsfor816ft2a2Si/a2SiGetandemsolarcells
组件号
E1191E0935E0937E0938%
平均稳定效率
81077180
相对沉积时间
10082
系统户外,Daystar户外,Daystar户外,Daystar户外,Daystar衰减率
1715
温度/℃32323232开路电压/V113185141931219014短路电流/A014690140146101459填充峰值因子功率/W016605815016565614016335614016295419第3期李 毅等:非晶硅叠层太阳能电池的现状与发展方向225
4 叠层非晶硅太阳能电池的稳定性
日本质量保证组织(JQA)对多结非晶硅太阳能电池模块进行了户外和室内光吸收试验以表征它们
的稳定性以及确定现有技术的水准。受控试验在一个环境试验室内进行,其中模块的固定温度为48℃,光照强度为1125kW/m2,光照周期为310h。在加速光照试验中,典型的a2Si/a2Si叠层模块有15%的衰减。
图4给出在长期户外阳光辐射下a2Si/a2Si叠层模块的性能。输出功率归一化为1kW/m2,并且进行了温度校正。在初始几个月的阳光辐照下,模块经历了约10%的初始光致衰减。从那时起,模块的输出似乎已经稳定下来,其性能仅随季节有些变化。阳光辐照两年后,模块完全稳定下来。可见多结非晶硅太阳能电池的稳定性比单结电池要好得多。
膜[4];微晶硅或多晶硅尽管吸收系数小,但微晶硅或多晶硅薄膜作为低成本薄膜太阳能电池材料或作为叠层结构底电池材料已经得到了极大的技术关注。其二是在保证足够高的稳定转换效率的条件下,开发低成本、大规模、大面积生产叠层型非晶硅太阳能电池模块技术。如前面提到的Solarex公司已开发了816平方英尺的模块,三洋则通过研究大面积均匀成膜技术来制造大面积叠层模块。此外,激光刻划成图方法现已广泛用于制造大面积非晶硅模块,三洋公司已提出了一种称为等离子体CVM(化学蒸发或气化加工)的高产率成图方法[5]。在这种方法中,去除材料的基本机制是腐蚀。在高压下产生的等离子体位于电极线附近并且聚集了反应离子基。这种方法利用SF6获得了大于1μm/s的腐蚀速率和200μm宽a2Si膜层的选择成图。对于大面积单结和多结模块,可望获得多线成图方式,从而提高生产效率。参 考 文 献
1 黄锡坚等.硅太阳能电池及其应用.北京:中国铁道出版
社,1985
2 AryaRR,CarlsonDE.CommercializationofAmorphousSiliconBasedMultijunctionModulesR&DIssues.TechnicalDigestoftheInternationalPVSEC29,Miyazaki,Japan,1996
3 KonagaiM.CurrentStatusandPerspectivesofAmorphousSi
图4 a2Si/a2Si串联组件户外测试结果(JQA)
Fig14 Fieldresultsofthesolarcells
ThinFilmSolarCells.TechnicalDigestoftheInternationalPVSEC29,Miyazaki,Japan,1996
4 SadamotoM,TanakaH.Depositionof(a2Si∶H/a2Ge∶H)nMul2ti2layerFilmsforTandemTypeSolarCells.TechnicalDigestoftheInternationalPVSEC29,Miyazaki,Japan,1996
5 MuraharaM,ToyodaK.InLaserProcessingandDiagnostics
V39,editedbyBauerleD,252
5 叠层非晶硅太阳能电池的未来发展方向
展望未来,在叠层非晶硅太阳能电池方面有两
个大的方向必须引起重视,其一就是采用新的优质底电池i层材料,例如制备优质(a2Si/a2SiGe)n多层