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?1976年卡爾松和路昂斯基報(bào)告了無(wú)定形硅（簡(jiǎn)稱(chēng)a一Si）薄膜太陽(yáng)電他的誕生。當(dāng)時(shí)、面積樣品的光電轉(zhuǎn)換效率為2．4％。時(shí)隔20多年，a一Si太陽(yáng)電池現(xiàn)在已發(fā)展成為最實(shí)用廉價(jià)的太陽(yáng)電池品種之一。非晶硅科技已轉(zhuǎn)化為一個(gè)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷(xiāo)售額在10億美元以上。應(yīng)用范圍小到手表、計(jì)算器電源大到10Mw級(jí)的獨(dú)立電站。涉及諸多品種的電子消費(fèi)品、照明和家用電源、農(nóng)牧業(yè)抽水、廣播通訊臺(tái)站電源及中小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a一Si太陽(yáng)電池成了光伏能源中的一支生力軍，對(duì)整個(gè)潔凈可再生能源發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。非晶硅太陽(yáng)電他的誕生、發(fā)展過(guò)程是生動(dòng)、復(fù)雜和曲折的，全面總結(jié)其中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)薄膜非晶硅太陽(yáng)電池領(lǐng)域的科技進(jìn)步和相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。況且，由于從非晶硅材料及其太陽(yáng)電池研究到有關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的典型事例，其中的規(guī)律性對(duì)其它新興科技領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會(huì)有有益的啟示。本文將追述非晶硅太陽(yáng)電他的誕生、發(fā)展過(guò)程，簡(jiǎn)要評(píng)述其中的關(guān)鍵之點(diǎn)，指出進(jìn)一步發(fā)展的方向。
1．非晶硅太陽(yáng)電他的誕生
1．1社會(huì)需求催生a一Si太陽(yáng)電池
????? 太陽(yáng)電池在70年代中期誕生，這是科學(xué)家力圖使自己從事的科研工作適應(yīng)社會(huì)需求的一個(gè)范例。他們?cè)趫?bào)告中提出了發(fā)明非晶硅太陽(yáng)電他的兩大目標(biāo)：與昂貴的晶體硅太陽(yáng)電池競(jìng)爭(zhēng)；利用非晶硅太陽(yáng)電池發(fā)電，與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)。? 70年代曾發(fā)生過(guò)有名的能源危機(jī)，這種背景催促科學(xué)家把對(duì)a-Si材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉價(jià)太陽(yáng)電池應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實(shí)際上又是非晶半導(dǎo)體向晶體半導(dǎo)體的第三次挑戰(zhàn)。太陽(yáng)電池本來(lái)是晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱(chēng)，太陽(yáng)電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用昂貴的晶體半導(dǎo)體材料制造，廉價(jià)的非晶硅薄膜材料也可以勝任。
1．2非晶硅太陽(yáng)電池的理論與技術(shù)基礎(chǔ)的確立
????? 無(wú)定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角是在1950年。當(dāng)時(shí)人們?cè)趯ふ疫m用于電視攝像管和復(fù)印設(shè)備用的光電導(dǎo)材料時(shí)找到了無(wú)定形硒（a一Se）和無(wú)定形三硫化銻（a一SbS3）。當(dāng)時(shí)還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域，而晶體半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)——能帶理論，早在30年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導(dǎo)體光電特性和器件開(kāi)發(fā)正是熱點(diǎn)。而a一Se和a一sbS3這類(lèi)材料居然在沒(méi)有基礎(chǔ)理論的情況下發(fā)展成為產(chǎn)值在10億美元的大產(chǎn)業(yè)，非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動(dòng)了對(duì)非晶材料的科學(xué)技術(shù)研究。1957年斯皮爾成功地測(cè)量了a一Se材料的漂移遷移率；1958年美國(guó)的安德松第一次在論文中提出，無(wú)定形體系中存在電子局域化效應(yīng)：1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為“非晶態(tài)、無(wú)定形態(tài)及液態(tài)電子半導(dǎo)體”的文章中，提出了對(duì)非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的論點(diǎn)，即決定固體的基本電子特性是屬于金屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位情況。從1960年起，人們開(kāi)始致力于制備a一Si和a一Ge薄膜材料。早先采用的方法主要是濺射法。同時(shí)有人系統(tǒng)地研究了這些薄膜的光學(xué)特性。1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（GD）或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)為PECVD）制備了氫化無(wú)定形硅（a一Si：H）薄膜。這種方法采用射頻（直流）電磁場(chǎng)激勵(lì)低壓硅烷等氣體，輝光放電化學(xué)分解，在襯底上形成a七i薄膜。開(kāi)始采用的是電感耦合方式，后來(lái)演變?yōu)?a href="http://www.xsypw.cn/tags/電容/" target="_blank">電容耦合方式，這就是后來(lái)的太陽(yáng)電池用a一Si材料的主要制備方法。
??? 1960年發(fā)生了非晶半導(dǎo)體在器件應(yīng)用領(lǐng)域向晶體半導(dǎo)體的第二次挑戰(zhàn)。這就是當(dāng)年美國(guó)人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無(wú)定形半導(dǎo)體材料具有電子開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用上雖然不算成功，但在學(xué)術(shù)上卻具有突破性的價(jià)值。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者莫特稱(chēng)，這比晶體管的發(fā)明還重要。它把科學(xué)家的興趣從傳統(tǒng)的晶體半導(dǎo)體材料引向了非晶半導(dǎo)體材料，掀起了研究非晶半導(dǎo)體材料的熱潮。我國(guó)也正是在60年代末期開(kāi)始從事該領(lǐng)域的研究的。從1966年到1969年有關(guān)科學(xué)家深入開(kāi)展了基礎(chǔ)理論研究，解決了非晶半導(dǎo)體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott一CFO模型和遷移邊的思想。
???? 電子能帶理論是半導(dǎo)體材料和器件的理論基礎(chǔ)。它可以指導(dǎo)半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和工藝，分析材料和器件的性能。盡管目前非晶硅能帶理論還不很完善，也存在爭(zhēng)議，但畢竟為非晶半導(dǎo)體器件提供了理論上的依據(jù)。
1．3半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
???? 固體能帶理論是把量子力學(xué)原理用于固態(tài)多體系統(tǒng)推算出來(lái)的。即，在特定的晶格和相應(yīng)的電勢(shì)場(chǎng)分布下求解薛定愕方程，獲得體系中電子態(tài)按能量的分布。在晶體情況下，晶格結(jié)構(gòu)具有空間的周期性，相應(yīng)的電勢(shì)場(chǎng)也呈周期性分布。在晶格絕熱近似和單電子近似條件下，可以求得相當(dāng)準(zhǔn)確的電子能態(tài)分布，即電子能帶結(jié)構(gòu)。晶體能帶的基本特征是，存在導(dǎo)帶與價(jià)帶以及隔開(kāi)這兩者的禁帶，或者稱(chēng)為帶隙。導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂有單一的能量值，在導(dǎo)帶底以上的導(dǎo)帶態(tài)為擴(kuò)展態(tài)，這些態(tài)上的電子是遷移率很高的自由電子。價(jià)帶頂以下的能態(tài)為空穴的擴(kuò)展態(tài)，這里的自由空穴遷移率也很高。理想半導(dǎo)體禁帶中是沒(méi)有電子能態(tài)的。但在半導(dǎo)體中難免有缺陷和雜質(zhì)，分別具有各自的能態(tài)，表面和界面處晶格不連續(xù)帶來(lái)表面態(tài)和界面態(tài)，這些異常的能態(tài)常常落在禁帶中，稱(chēng)為隙態(tài)。其上占據(jù)的電子是局域化的，起載流子復(fù)合產(chǎn)生中心的作用。晶體的隙態(tài)密度很小，通常在1015／cm3左右，且呈離散分布。另一方面固體中電子按照能量的統(tǒng)計(jì)分布遵循費(fèi)米分布函數(shù)規(guī)律。被電子占據(jù)的幾率為1／2的能級(jí)稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)也稱(chēng)為平衡體系的化學(xué)勢(shì)。通常情況下，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶。費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶底較近，則電子為多數(shù)載流子，材料為n型。費(fèi)米能級(jí)距價(jià)帶頂近的，空穴為多數(shù)載流子，材料為p型。費(fèi)米能級(jí)位置可以通過(guò)適當(dāng)摻雜加以調(diào)節(jié)。就是說(shuō)，半導(dǎo)體電導(dǎo)的數(shù)量和類(lèi)型都可以用摻雜的方法調(diào)節(jié)。
????? 由于非晶硅材料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近程配位與相應(yīng)晶體的相當(dāng)。但它是長(zhǎng)程無(wú)序，原子間的鍵長(zhǎng)與鍵角存在隨機(jī)的微小變化，它的實(shí)際結(jié)構(gòu)為硅原子組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硅懸掛鍵密度比較高。這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本特點(diǎn)。這樣復(fù)雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既有相似之處，也存在巨大的差別。其相似之處在于，價(jià)電子能態(tài)也可分為導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶，但導(dǎo)帶與價(jià)帶都帶有伸向禁帶的帶尾態(tài)。帶尾態(tài)與鍵長(zhǎng)、鍵角的隨機(jī)變化有關(guān)，導(dǎo)帶底價(jià)帶頂被模糊的遷移邊取代，擴(kuò)展態(tài)與局域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛鍵在隙帶中引進(jìn)高密度的局域態(tài)。通常隙態(tài)密度高于1017／cm3，過(guò)剩載流子通過(guò)隙態(tài)復(fù)合，所以通常非晶材料的光電導(dǎo)很低，摻雜對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置的調(diào)節(jié)作用也很小，這種a-Si材料沒(méi)有有用的電子特性。氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補(bǔ)償，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至1016／cm3以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級(jí)電子特長(zhǎng)。
1．4．a(chǎn)-Si太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)
???? 對(duì)a-Si薄膜摻雜以控制其導(dǎo)電類(lèi)型和電導(dǎo)數(shù)量的工作，1975年第一次由萊康柏和斯皮爾實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也就實(shí)現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作。事實(shí)上，由于a-Si多缺陷的特點(diǎn)，a-Si? pn結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時(shí)光電導(dǎo)不明顯，幾乎沒(méi)有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽(yáng)電池基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)而是pin結(jié)。摻硼形成p區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻日的本征層（因?yàn)榉菗诫sa。s是弱n型）。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢(shì)，以收集電荷。同時(shí)兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導(dǎo)／暗電導(dǎo)比在105-106，此區(qū)中光生電子空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序破壞了晶體硅光電子躍遷的選擇定則，使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料，對(duì)光子的吸收系數(shù)很高，對(duì)敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0．5μm左右厚度俏a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p/i/n結(jié)構(gòu)的a-Si電他的厚度取0，5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級(jí)。
1．5小結(jié)
????? 總之，非晶硅太陽(yáng)電池既是應(yīng)用需求的產(chǎn)物，又是非晶半導(dǎo)體技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究的結(jié)果。科技創(chuàng)新與社會(huì)需求相結(jié)合產(chǎn)生巨大的價(jià)值。當(dāng)今每一項(xiàng)科技創(chuàng)新都包含技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究?jī)煞矫妫豢善珡U其中之一。當(dāng)然，不同課題或一個(gè)課題的不同發(fā)展階段，側(cè)重點(diǎn)會(huì)有不同。科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，有些領(lǐng)域先形成的基礎(chǔ)理論，等待技術(shù)成熟后才結(jié)出碩果，也有些領(lǐng)域先產(chǎn)生應(yīng)用技術(shù)，技術(shù)發(fā)展推動(dòng)基礎(chǔ)理論研究，產(chǎn)生理論成果，理論的確立又指導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)走向成熟。
2．非晶硅太陽(yáng)電他的初期發(fā)展
2．1．初期的技術(shù)進(jìn)步和繁榮
???? 半導(dǎo)體巨型電子器件——太陽(yáng)電池可用廉價(jià)的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā)了科研人員、研究單位紛紛投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和許多國(guó)家政府的關(guān)注，從而推動(dòng)了非晶硅太陽(yáng)電他的大發(fā)展。非晶硅太陽(yáng)電池很快走出了實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)了中試線和較大規(guī)模的生產(chǎn)線。從技術(shù)上看，非晶硅太陽(yáng)電池這一階段的進(jìn)步主要表現(xiàn)在：（1）從簡(jiǎn)單的ITO／p/i/n（a一Si）／Al發(fā)展成為SnO2（F）／p-a一SiC／i-a-Si／n-a一Si／A1這樣比較復(fù)雜實(shí)用的結(jié)構(gòu)。Sno2透明導(dǎo)電膜比ITO更穩(wěn)定，成本更低，易于實(shí)現(xiàn)織構(gòu)，從而增加太陽(yáng)電池對(duì)光的吸收。采用aSiC：H作為p型的窗口層，帶隙更寬，減少了P層的光吸收損失，更好地利用入射的太陽(yáng)光能。（2）對(duì)a-Si層和兩個(gè)電極薄層分別實(shí)現(xiàn)了激光劃線分割，實(shí)現(xiàn)了集成化組件的生產(chǎn)。（3）出現(xiàn)了單室成批生產(chǎn)和多室的流水生產(chǎn)非晶硅薄膜的兩種方式。在生產(chǎn)上還出現(xiàn)了以透明導(dǎo)電玻璃為襯底的組件生產(chǎn)和以柔性材料（如不銹鋼）為襯底的兩種電池組件的生產(chǎn)方式。世界上出現(xiàn)了許多以a-Si太陽(yáng)電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。例如，美國(guó)的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國(guó)家輸出了6條MW級(jí)生產(chǎn)線。美、日各公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗(yàn)電站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太陽(yáng)電他的總銷(xiāo)售量中非晶硅占有40％，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢(shì)。
2．2．a(chǎn)SI太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì)
???? 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說(shuō)明非晶硅太陽(yáng)電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)橐r底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價(jià)格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（100一300°C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時(shí)間短）（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)楹诵墓に囘m合制作特大面積無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的a一Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)…n結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動(dòng)化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽(yáng)電池易于實(shí)現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，晴電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計(jì)算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽(yáng)電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶(hù)用屋頂電站的安裝。
2．3發(fā)展勢(shì)頭受挫
???? 非晶硅太陽(yáng)電池盡管有如上諸多的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是很明顯的。主要是初始光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。初期的太陽(yáng)電池產(chǎn)品初始效率為5％-6％，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)照射一年后，穩(wěn)定化效率為3％-4％，在弱光下應(yīng)用當(dāng)然不成問(wèn)題，但在室外強(qiáng)光下，作為功率發(fā)電使用時(shí)，穩(wěn)定性成了比較嚴(yán)重的問(wèn)題。功率發(fā)電的試驗(yàn)電站性能衰退嚴(yán)重，壽命較短，嚴(yán)重影響消費(fèi)者的信心，造成市場(chǎng)開(kāi)拓的困難，有些生產(chǎn)線倒閉，比如CHRONAR公司。
2．4封裝的不穩(wěn)定問(wèn)題
???? 第一階段a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)品性能衰退問(wèn)題實(shí)際上有兩個(gè)方面，即封裝問(wèn)題和構(gòu)成電池的aSi材料不穩(wěn)定性問(wèn)題。封裝問(wèn)題主要是：封裝材料老化和封裝存在缺陷，環(huán)境中的有害氣氛對(duì)電他的電極材料和電極接觸造成損害，使電池性能大幅度下降甚至于失效。解決這一問(wèn)題主要靠改進(jìn)封裝技術(shù)，在采取了玻璃層壓封裝（這是指對(duì)玻璃襯底的電池）和多保護(hù)層的熱壓封裝（對(duì)不銹鋼襯底電池），基本上解決了封裝問(wèn)題。目前太陽(yáng)電池使用壽命已達(dá)到10年以上。
2．5．a(chǎn)-Si材料和太陽(yáng)電池的光致衰退機(jī)制
???? a-Si薄膜在強(qiáng)光（通常是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)的光強(qiáng)，100mW／cm2）下照射數(shù)小時(shí)，光電導(dǎo)逐漸下降，光照后暗電導(dǎo)可下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)并保持相對(duì)穩(wěn)定；光照的樣品在160℃下退火，電導(dǎo)可恢復(fù)原值，這就是有名的斯太不拉一路昂斯基效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)SWF。暗電導(dǎo)的阿蘭紐斯特性測(cè)量表明，光照時(shí)電導(dǎo)激活能增加，這意味著費(fèi)米能級(jí)從帶邊移向帶隙中央，說(shuō)明了光照在帶隙中部產(chǎn)生了亞穩(wěn)的能態(tài)或者說(shuō)產(chǎn)生了亞穩(wěn)缺陷中心。這種亞穩(wěn)缺陷可用退火消除。根據(jù)半導(dǎo)體載流子產(chǎn)生復(fù)合理論，禁帶中央的亞穩(wěn)中心的復(fù)合幾率最大，具有減少光生載
流子壽命的作用；同時(shí)它又作為載流子的陷餅，引起突間電荷量的增加，降低i層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，使光生載流子的自由漂移距離縮短，減少載流子收集效率。這就使太陽(yáng)電他的性能下降。
???? 研究光致亞穩(wěn)態(tài)的機(jī)理，尋找克服光致衰退的辦法，不僅對(duì)完善發(fā)展非晶硅材料的基礎(chǔ)理論是重要的，而且對(duì)改善太陽(yáng)電他的性能也很緊迫。從對(duì)太陽(yáng)電池產(chǎn)品的使用來(lái)說(shuō)，還要解決加速光衰、標(biāo)定產(chǎn)品穩(wěn)定性能的問(wèn)題。
???? 世界上凡從事a-Si研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室，都在研究光致衰退的問(wèn)題，開(kāi)展了各種實(shí)驗(yàn)觀察，提出了種種的理論模型。但是，至今還沒(méi)有一個(gè)令人信服的統(tǒng)一的模型可以解釋各種主要的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。比較一致的看法是，光致衰退與a-Si材料中氫運(yùn)動(dòng)有關(guān)。比較重要的模型有：（1）光生載流子無(wú)輻射復(fù)合引起弱的Si-Si鍵的斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，附近的氫通過(guò)擴(kuò)散補(bǔ)償其中的一個(gè)懸鍵，同時(shí)增加一個(gè)亞穩(wěn)的懸鍵。（2）懸鍵的荷電對(duì)T了和T茅與光生載流子相互作用，變成兩個(gè)乃態(tài)，乃態(tài)是一個(gè)單電子占據(jù)的懸鍵態(tài)，它的出現(xiàn)使費(fèi)米能級(jí)向下面的帶隙中央移動(dòng)（通常非摻雜的i層呈弱的n型，費(fèi)米能級(jí)在帶隙中距導(dǎo)帶邊稍近）。這個(gè)模型假定，懸鍵為雙電子占據(jù)時(shí)，相關(guān)能為負(fù)值。負(fù)相關(guān)能最可能存在于氫富集的微空洞的表面。（3）布朗茲最近提出的新模型認(rèn)為，光生電子相互碰撞產(chǎn)生兩個(gè)可動(dòng)的氫原子，氫原子的擴(kuò)散形成兩個(gè)不可動(dòng)的Si-H鍵復(fù)合體，亞穩(wěn)懸鍵出現(xiàn)在氫被激發(fā)的位置處，此模型可定量他說(shuō)明光生缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并可解釋一些主要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以上例舉的較為可信的模型都說(shuō)明，光致衰退效應(yīng)與aSi材料中的氫的移動(dòng)有關(guān)a-Si材料是在較低的溫度下，通過(guò)硅烷類(lèi)氣體等離子體增強(qiáng)化學(xué)分解，在襯底上淀積獲得的。它的硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可避免地存在硅的懸鍵。這些懸鍵如果沒(méi)有氫補(bǔ)償，隙態(tài)密度將非常高，不可能用來(lái)制作電子器件。廣泛采用的PECVD法沉積的a-Si膜含有10-15％的氫含量，一方面使硅懸鍵得到了較好的補(bǔ)償；另一方面，這樣高的氫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅懸鍵的密度。可以肯定他說(shuō)，氫在a＝Si材料中占有激活能不同的多種位置，其中一種是補(bǔ)償懸鍵的位置，其它則處于激活能更低的位置。理想的a一Si材料應(yīng)該既沒(méi)有微空洞等缺陷，也沒(méi)有SiH2、（SiH2）n、SiH3等的鍵合體。材料密度應(yīng)該盡量地接近理想的晶體硅的密度，硅懸掛鍵得到適量氫的完全補(bǔ)償，使得隙態(tài)密度低，結(jié)構(gòu)保持最高的穩(wěn)定性。尋找理想廉價(jià)的工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種理想的結(jié)構(gòu)，應(yīng)能從根本上消除光致衰退，這是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。
2．6 a-Si太阻電池效率低的原因
???? 非晶硅太陽(yáng)電池屬于半導(dǎo)體結(jié)型太陽(yáng)電池，可以依據(jù)結(jié)型太陽(yáng)電他的模型對(duì)其理想的光伏性能作出估算。有1．7eV帶隙的非晶硅太陽(yáng)電他的理論效率在25％左右。實(shí)際上，第一階段制作的小面積電池初始效率約為理論效率的一半，其它品種的太陽(yáng)電池實(shí)際達(dá)到的光伏性能與理論值相比，差距都小于非晶硅的差距。
a-Si太陽(yáng)電池效率低的主要原因如下：
????? 1）a-Si材料的帶隙較寬，實(shí)際可利用的主要光譜域是0.35-0.7／m波長(zhǎng)，相對(duì)地較窄。
????? 2）a-Si太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓與預(yù)期值相差較大，其原因是：（1）遷移邊存在高密度的尾態(tài)，摻雜雜質(zhì)離化形成的電子或空穴僅有一定比例的部分成為自由載流子，電導(dǎo)激活能即費(fèi)米能級(jí)與帶邊的差不可能很小；（2）材料多缺陷，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，電荷收集主要靠?jī)?nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的漂移運(yùn)動(dòng)，靠擴(kuò)散收集的分量可以忽略，這與晶體硅電池正好相反，為了維持足夠強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，pin結(jié)的能帶彎曲量必須保持較大才能保證有足夠的電場(chǎng)維持最低限度的電荷收集，能帶彎曲量與電池輸出電壓對(duì)應(yīng)的電子能量之和為卜n兩種材料費(fèi)米能級(jí)之差。既然剩余能帶彎曲量較大，輸出電壓必然較低。而晶體電池電荷收集主要靠載流子擴(kuò)散，剩余能帶彎曲量可以較小，加之p、n兩種材料的激活能較低，所以開(kāi)路電壓與其帶隙寬度相對(duì)接近。
??? 3）a-Si材料隙態(tài)密度較高，載流子復(fù)合幾率較大，二極管理想因子刀通常大于2，與n=1的理想情況相差較大。
??? 4）a-Si太陽(yáng)電他的一區(qū)和n區(qū)的電阻率較高，TCO／p-a-si（或n-a-si）接觸電阻較高，甚至存在界面壁壘，這就帶來(lái)附加的能量損失。
??? 以上這些問(wèn)題必須由新的措施來(lái)解決，這就構(gòu)成了非晶硅太陽(yáng)電池下一階段發(fā)展的主要任務(wù)。
3．非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展
3．1非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)完善與提高
??? 由于發(fā)展勢(shì)頭遭到挫折，80年代未m年代初，非晶硅太陽(yáng)電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整、完善和提高的時(shí)期。人們一方面加強(qiáng)了探索和研究，一方面準(zhǔn)備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，中心任務(wù)是提高電他的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮，先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級(jí)，生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在10年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達(dá)到6％-8％；中試組件（面積900cm2左右）效率達(dá)9％-11％；小面積電池最高效率達(dá)14.6％。
3．2完奏結(jié)技求
??? 完美結(jié)技術(shù)是下列技術(shù)的組合：（1）采用帶織構(gòu)的sio2／snO2／ZnO復(fù)合透明導(dǎo)電膜代替ITO或Sn02單層透明導(dǎo)電電極。復(fù)合膜電極具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗等離子還原反應(yīng)的效果。（2）在TCO／p界面插入污摻雜層以克服界面壁壘。（3）p層材料采用寬帶隙高電導(dǎo)的微晶薄膜，如μc-sic，可以減少P層的光吸收損失；減少電他的串聯(lián)電阻。（4）為減少p／i界面缺陷，減少二極管質(zhì)量因子，在p/i界面插入C含量緩變層。此層的最佳制備方法是交替淀積與氫處理法。（5）低缺陷低氫含量的i層。用精確控制摻雜濃度的梯度摻雜法，使離化雜質(zhì)形成的空間電荷與光照產(chǎn)生的亞穩(wěn)空間電荷中和，保持穩(wěn)定均勻的內(nèi)建電場(chǎng)。這是從器件結(jié)構(gòu)上消除光致衰退效應(yīng)的又一種方案。（6）i／n界面緩變以減少界面缺陷。（7）采用K一kS可以減少電池的串聯(lián)電阻，同時(shí)減少長(zhǎng)波長(zhǎng)光的損失。（8）采用znO／A1復(fù)合背電極增強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的反射，增加在電池中的光程，從而增加太陽(yáng)電他的光的吸收利用。
??? 值得一提的是，我國(guó)在“八五”攻關(guān)中采用此類(lèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大面積組件電池6.55％的穩(wěn)定效率，小面積電池單結(jié)開(kāi)路電壓高達(dá)1.12V。
3．3? 疊層電池技術(shù)
??? 減薄a-Si太陽(yáng)電他的i層厚度可以增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，減少光生載流子通過(guò)帶隙缺陷中心和／或光生亞穩(wěn)中心復(fù)合的幾率，又可以增加載流子移動(dòng)速率，同時(shí)增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果i層大薄又會(huì)影響入射光的充分吸收，導(dǎo)致電池效率下降。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，人們想到了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)。起先是兩個(gè)pin結(jié)的疊層艱pa-Si／a-Si疊層電池，其穩(wěn)定化效率有所提高。我國(guó)用此結(jié)構(gòu)做出組件電池（400cm2）穩(wěn)定化效率達(dá)7．35％。
??? 一種材料的太陽(yáng)電池可以利用波長(zhǎng)比1.24／Eg(μm）更短的譜域的光能。如果把具有不同帶隙（Eg）材料的薄膜電池疊加，則可利用更寬譜域的光能，由此可提高大陽(yáng)電他的效率。異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池中，利用寬帶隙材料作頂電池，將短波長(zhǎng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽焕谜瓗恫牧献鞯纂姵兀瑢㈤L(zhǎng)波長(zhǎng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｓ捎诟映浞值乩昧岁?yáng)光的譜域，異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池應(yīng)有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具有抑制光致衰退的效果。
????? 形成異質(zhì)疊層太陽(yáng)電他的材料的帶隙必須有恰當(dāng)?shù)钠ヅ洳趴赡塬@得最佳的效果。目前流行的非晶硅鍺為基礎(chǔ)的異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池較好的匹配帶隙分別為1。8eV、1。6eV、1。4eV。除了匹配帶隙的要求外，組成疊層太陽(yáng)電他的各子電池中光電流應(yīng)基本相等；子電池之間的p/n結(jié)應(yīng)為高透光高電導(dǎo)的隧道結(jié)。
3．4 新材料探索
????? 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂電池的i層主要是寬帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在1.1eV到1.7eV范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時(shí)，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對(duì)電池性能的影響。
3．5新技術(shù)探索
????? 為了提高非晶硅太陽(yáng)電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學(xué)退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高a-Si薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得a一Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。
????? 所謂化學(xué)退火，就是在一層一層生長(zhǎng)a-Si薄膜的間隔，用原子氫或激活的Ar、He原子來(lái)處理薄膜，使表面結(jié)構(gòu)弛豫，從而減少缺陷和過(guò)多的氫，在保證低隙態(tài)密度的同時(shí)，降低光致衰退效應(yīng)。這里，化學(xué)處理粒子是用附加的設(shè)備產(chǎn)生的。
????? 氫稀釋法則采用大量（數(shù)十倍）氫稀釋硅烷作源氣淀積a-Si合金薄膜。實(shí)際上，一邊生長(zhǎng)薄膜一邊對(duì)薄膜表面作氫處理。原理一樣，方法更簡(jiǎn)單，效果基本相當(dāng)。
????? 交替淀積與氫處理則是，重復(fù)進(jìn)行交替的薄膜淀積與氫等離子體處理，這是上述兩種方法的結(jié)合。脈沖氖燈光照法是在一層一層生長(zhǎng)a-Si薄膜的間隔，周期地用脈沖氖燈光照處理薄膜表面，其穩(wěn)定性有顯著提高。在制備a-Si的源氣中加入適量的四氟化硅就可實(shí)現(xiàn)a-Si摻氟。摻氟使硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。本征a-Si呈弱n型，摻入痕量硼可將費(fèi)米能級(jí)移向帶隙中央，既可提高光靈敏度又可減少光致衰退。
3．6新制備技術(shù)探索
????? 射頻等離子體增強(qiáng)CVD是當(dāng)今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復(fù)制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷、臺(tái)階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特性符合大面積太陽(yáng)電他的要求。此法的主要缺點(diǎn)也是致命的缺點(diǎn)是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10％-15％氫含量，光致衰退比較嚴(yán)重。因此，人們一方面運(yùn)用這一方法實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。
????? 與RF-PECVD最相近的技術(shù)有，超高真空PECVD技術(shù)，甚高頻（VHF）PECVD技術(shù)和微波（包括 ECR）PECVD技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對(duì)膜表面的處理機(jī)制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會(huì)有區(qū)別。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢(shì)。
????? 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積a-Si薄膜技術(shù)，HOMO-CVD技術(shù)和熱絲CVD技術(shù)等。離子束淀積 a-Si合金薄膜時(shí)，包括硅烷在內(nèi)的反應(yīng)氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的a-Si合金薄膜。HOMO-CVD技術(shù)通過(guò)加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級(jí)粒子壽命較長(zhǎng)，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲CVD技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。
4非晶硅太陽(yáng)電池的未來(lái)發(fā)展
4．1現(xiàn)有a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)???
??? 非晶硅太陽(yáng)電池?zé)o論在學(xué)術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功，全世界的生產(chǎn)能力超過(guò)50MW，最大生產(chǎn)線年產(chǎn)為iQMW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿(mǎn)負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達(dá)1．＝美元／峰瓦左右。據(jù)預(yù)測(cè)，若太陽(yáng)電池成本低于每峰瓦：美元，壽命20年以上，發(fā)電系統(tǒng)成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)。與其它品種太陽(yáng)電池相比，非晶硅太陽(yáng)電池更接近這一目標(biāo)。非晶硅太陽(yáng)電池目前雖不能與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)，但在許多特定的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。如依托于建筑物的屋頂電站，它不占地面，免除占地的開(kāi)支，發(fā)電成本較低；作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲(chǔ)能設(shè)備，太陽(yáng)電池在發(fā)電成本中占主要部分，太陽(yáng)電池低成本就會(huì)帶來(lái)電力低成本。
???? 目前世界上非晶硅太陽(yáng)電池總銷(xiāo)售量不到其生產(chǎn)能力的一半，應(yīng)用上除了少數(shù)較大規(guī)模的試驗(yàn)電站外仍然以小型電源和室內(nèi)弱光電源為主。盡管晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)成本是aSi電池的兩倍，但功率發(fā)電市場(chǎng)、仍以晶體硅電池為主。這說(shuō)明光伏發(fā)電市場(chǎng)尚未真正成熟。另一方面，非晶硅太陽(yáng)電池必須跨過(guò)一個(gè)“門(mén)檻”才能進(jìn)入大光伏市場(chǎng)。一旦跨過(guò)“門(mén)檻”，市場(chǎng)需求將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，而規(guī)模越大生產(chǎn)成本越低。要突破“門(mén)檻”，一方面須加強(qiáng)市場(chǎng)開(kāi)拓力度，加強(qiáng)營(yíng)銷(xiāo)措施；另一方面政府應(yīng)給予用戶(hù)以適當(dāng)補(bǔ)貼鼓勵(lì)，刺激市場(chǎng)的擴(kuò)大。許多發(fā)達(dá)國(guó)家正在推行的諸如“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”這類(lèi)光伏應(yīng)用項(xiàng)目，就是這種努力的具體體現(xiàn)，。
4．2技求進(jìn)一步發(fā)展的方向
???? 非晶硅太陽(yáng)電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價(jià)的其它薄膜太陽(yáng)電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來(lái)的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應(yīng)努力開(kāi)拓市場(chǎng)，將現(xiàn)有技術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應(yīng)用外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)它對(duì)晶體硅電池在成本價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)和對(duì)其它薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢(shì)，在克服自身弱點(diǎn)上下功夫。進(jìn)一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下：
??? （1）加強(qiáng)a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達(dá)到基本上消除薄膜硅太陽(yáng)電池性能的光致衰退。
??? （2）加強(qiáng)晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來(lái)的薄膜硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品既具備a一Si薄膜太陽(yáng)電池低成本的優(yōu)勢(shì)，又具備晶體硅太陽(yáng)電池長(zhǎng)壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。
??? （3）加強(qiáng)帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價(jià)特色的混合疊層電他的研究，把a(bǔ)Si太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)與其它太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)嫁接起來(lái)。
（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)商品化。
1．非晶硅太陽(yáng)電他的誕生
1．1社會(huì)需求催生a一Si太陽(yáng)電池
????? 太陽(yáng)電池在70年代中期誕生，這是科學(xué)家力圖使自己從事的科研工作適應(yīng)社會(huì)需求的一個(gè)范例。他們?cè)趫?bào)告中提出了發(fā)明非晶硅太陽(yáng)電他的兩大目標(biāo)：與昂貴的晶體硅太陽(yáng)電池競(jìng)爭(zhēng)；利用非晶硅太陽(yáng)電池發(fā)電，與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)。? 70年代曾發(fā)生過(guò)有名的能源危機(jī)，這種背景催促科學(xué)家把對(duì)a-Si材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉價(jià)太陽(yáng)電池應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實(shí)際上又是非晶半導(dǎo)體向晶體半導(dǎo)體的第三次挑戰(zhàn)。太陽(yáng)電池本來(lái)是晶體硅的應(yīng)用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱(chēng)，太陽(yáng)電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用昂貴的晶體半導(dǎo)體材料制造，廉價(jià)的非晶硅薄膜材料也可以勝任。
1．2非晶硅太陽(yáng)電池的理論與技術(shù)基礎(chǔ)的確立
????? 無(wú)定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角是在1950年。當(dāng)時(shí)人們?cè)趯ふ疫m用于電視攝像管和復(fù)印設(shè)備用的光電導(dǎo)材料時(shí)找到了無(wú)定形硒（a一Se）和無(wú)定形三硫化銻（a一SbS3）。當(dāng)時(shí)還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域，而晶體半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)——能帶理論，早在30年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導(dǎo)體光電特性和器件開(kāi)發(fā)正是熱點(diǎn)。而a一Se和a一sbS3這類(lèi)材料居然在沒(méi)有基礎(chǔ)理論的情況下發(fā)展成為產(chǎn)值在10億美元的大產(chǎn)業(yè)，非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動(dòng)了對(duì)非晶材料的科學(xué)技術(shù)研究。1957年斯皮爾成功地測(cè)量了a一Se材料的漂移遷移率；1958年美國(guó)的安德松第一次在論文中提出，無(wú)定形體系中存在電子局域化效應(yīng)：1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為“非晶態(tài)、無(wú)定形態(tài)及液態(tài)電子半導(dǎo)體”的文章中，提出了對(duì)非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的論點(diǎn)，即決定固體的基本電子特性是屬于金屬還是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位情況。從1960年起，人們開(kāi)始致力于制備a一Si和a一Ge薄膜材料。早先采用的方法主要是濺射法。同時(shí)有人系統(tǒng)地研究了這些薄膜的光學(xué)特性。1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（GD）或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)為PECVD）制備了氫化無(wú)定形硅（a一Si：H）薄膜。這種方法采用射頻（直流）電磁場(chǎng)激勵(lì)低壓硅烷等氣體，輝光放電化學(xué)分解，在襯底上形成a七i薄膜。開(kāi)始采用的是電感耦合方式，后來(lái)演變?yōu)?a href="http://www.xsypw.cn/tags/電容/" target="_blank">電容耦合方式，這就是后來(lái)的太陽(yáng)電池用a一Si材料的主要制備方法。
??? 1960年發(fā)生了非晶半導(dǎo)體在器件應(yīng)用領(lǐng)域向晶體半導(dǎo)體的第二次挑戰(zhàn)。這就是當(dāng)年美國(guó)人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無(wú)定形半導(dǎo)體材料具有電子開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用上雖然不算成功，但在學(xué)術(shù)上卻具有突破性的價(jià)值。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者莫特稱(chēng)，這比晶體管的發(fā)明還重要。它把科學(xué)家的興趣從傳統(tǒng)的晶體半導(dǎo)體材料引向了非晶半導(dǎo)體材料，掀起了研究非晶半導(dǎo)體材料的熱潮。我國(guó)也正是在60年代末期開(kāi)始從事該領(lǐng)域的研究的。從1966年到1969年有關(guān)科學(xué)家深入開(kāi)展了基礎(chǔ)理論研究，解決了非晶半導(dǎo)體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott一CFO模型和遷移邊的思想。
???? 電子能帶理論是半導(dǎo)體材料和器件的理論基礎(chǔ)。它可以指導(dǎo)半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和工藝，分析材料和器件的性能。盡管目前非晶硅能帶理論還不很完善，也存在爭(zhēng)議，但畢竟為非晶半導(dǎo)體器件提供了理論上的依據(jù)。
1．3半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
???? 固體能帶理論是把量子力學(xué)原理用于固態(tài)多體系統(tǒng)推算出來(lái)的。即，在特定的晶格和相應(yīng)的電勢(shì)場(chǎng)分布下求解薛定愕方程，獲得體系中電子態(tài)按能量的分布。在晶體情況下，晶格結(jié)構(gòu)具有空間的周期性，相應(yīng)的電勢(shì)場(chǎng)也呈周期性分布。在晶格絕熱近似和單電子近似條件下，可以求得相當(dāng)準(zhǔn)確的電子能態(tài)分布，即電子能帶結(jié)構(gòu)。晶體能帶的基本特征是，存在導(dǎo)帶與價(jià)帶以及隔開(kāi)這兩者的禁帶，或者稱(chēng)為帶隙。導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂有單一的能量值，在導(dǎo)帶底以上的導(dǎo)帶態(tài)為擴(kuò)展態(tài)，這些態(tài)上的電子是遷移率很高的自由電子。價(jià)帶頂以下的能態(tài)為空穴的擴(kuò)展態(tài)，這里的自由空穴遷移率也很高。理想半導(dǎo)體禁帶中是沒(méi)有電子能態(tài)的。但在半導(dǎo)體中難免有缺陷和雜質(zhì)，分別具有各自的能態(tài)，表面和界面處晶格不連續(xù)帶來(lái)表面態(tài)和界面態(tài)，這些異常的能態(tài)常常落在禁帶中，稱(chēng)為隙態(tài)。其上占據(jù)的電子是局域化的，起載流子復(fù)合產(chǎn)生中心的作用。晶體的隙態(tài)密度很小，通常在1015／cm3左右，且呈離散分布。另一方面固體中電子按照能量的統(tǒng)計(jì)分布遵循費(fèi)米分布函數(shù)規(guī)律。被電子占據(jù)的幾率為1／2的能級(jí)稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)也稱(chēng)為平衡體系的化學(xué)勢(shì)。通常情況下，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶。費(fèi)米能級(jí)距導(dǎo)帶底較近，則電子為多數(shù)載流子，材料為n型。費(fèi)米能級(jí)距價(jià)帶頂近的，空穴為多數(shù)載流子，材料為p型。費(fèi)米能級(jí)位置可以通過(guò)適當(dāng)摻雜加以調(diào)節(jié)。就是說(shuō)，半導(dǎo)體電導(dǎo)的數(shù)量和類(lèi)型都可以用摻雜的方法調(diào)節(jié)。
????? 由于非晶硅材料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近程配位與相應(yīng)晶體的相當(dāng)。但它是長(zhǎng)程無(wú)序，原子間的鍵長(zhǎng)與鍵角存在隨機(jī)的微小變化，它的實(shí)際結(jié)構(gòu)為硅原子組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硅懸掛鍵密度比較高。這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本特點(diǎn)。這樣復(fù)雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既有相似之處，也存在巨大的差別。其相似之處在于，價(jià)電子能態(tài)也可分為導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶，但導(dǎo)帶與價(jià)帶都帶有伸向禁帶的帶尾態(tài)。帶尾態(tài)與鍵長(zhǎng)、鍵角的隨機(jī)變化有關(guān)，導(dǎo)帶底價(jià)帶頂被模糊的遷移邊取代，擴(kuò)展態(tài)與局域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛鍵在隙帶中引進(jìn)高密度的局域態(tài)。通常隙態(tài)密度高于1017／cm3，過(guò)剩載流子通過(guò)隙態(tài)復(fù)合，所以通常非晶材料的光電導(dǎo)很低，摻雜對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置的調(diào)節(jié)作用也很小，這種a-Si材料沒(méi)有有用的電子特性。氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補(bǔ)償，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至1016／cm3以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級(jí)電子特長(zhǎng)。
1．4．a(chǎn)-Si太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)
???? 對(duì)a-Si薄膜摻雜以控制其導(dǎo)電類(lèi)型和電導(dǎo)數(shù)量的工作，1975年第一次由萊康柏和斯皮爾實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也就實(shí)現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作。事實(shí)上，由于a-Si多缺陷的特點(diǎn)，a-Si? pn結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時(shí)光電導(dǎo)不明顯，幾乎沒(méi)有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽(yáng)電池基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)而是pin結(jié)。摻硼形成p區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻日的本征層（因?yàn)榉菗诫sa。s是弱n型）。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢(shì)，以收集電荷。同時(shí)兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導(dǎo)／暗電導(dǎo)比在105-106，此區(qū)中光生電子空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序破壞了晶體硅光電子躍遷的選擇定則，使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料，對(duì)光子的吸收系數(shù)很高，對(duì)敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0．5μm左右厚度俏a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p/i/n結(jié)構(gòu)的a-Si電他的厚度取0，5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級(jí)。
1．5小結(jié)
????? 總之，非晶硅太陽(yáng)電池既是應(yīng)用需求的產(chǎn)物，又是非晶半導(dǎo)體技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究的結(jié)果。科技創(chuàng)新與社會(huì)需求相結(jié)合產(chǎn)生巨大的價(jià)值。當(dāng)今每一項(xiàng)科技創(chuàng)新都包含技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究?jī)煞矫妫豢善珡U其中之一。當(dāng)然，不同課題或一個(gè)課題的不同發(fā)展階段，側(cè)重點(diǎn)會(huì)有不同。科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，有些領(lǐng)域先形成的基礎(chǔ)理論，等待技術(shù)成熟后才結(jié)出碩果，也有些領(lǐng)域先產(chǎn)生應(yīng)用技術(shù)，技術(shù)發(fā)展推動(dòng)基礎(chǔ)理論研究，產(chǎn)生理論成果，理論的確立又指導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)走向成熟。
2．非晶硅太陽(yáng)電他的初期發(fā)展
2．1．初期的技術(shù)進(jìn)步和繁榮
???? 半導(dǎo)體巨型電子器件——太陽(yáng)電池可用廉價(jià)的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā)了科研人員、研究單位紛紛投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和許多國(guó)家政府的關(guān)注，從而推動(dòng)了非晶硅太陽(yáng)電他的大發(fā)展。非晶硅太陽(yáng)電池很快走出了實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)了中試線和較大規(guī)模的生產(chǎn)線。從技術(shù)上看，非晶硅太陽(yáng)電池這一階段的進(jìn)步主要表現(xiàn)在：（1）從簡(jiǎn)單的ITO／p/i/n（a一Si）／Al發(fā)展成為SnO2（F）／p-a一SiC／i-a-Si／n-a一Si／A1這樣比較復(fù)雜實(shí)用的結(jié)構(gòu)。Sno2透明導(dǎo)電膜比ITO更穩(wěn)定，成本更低，易于實(shí)現(xiàn)織構(gòu)，從而增加太陽(yáng)電池對(duì)光的吸收。采用aSiC：H作為p型的窗口層，帶隙更寬，減少了P層的光吸收損失，更好地利用入射的太陽(yáng)光能。（2）對(duì)a-Si層和兩個(gè)電極薄層分別實(shí)現(xiàn)了激光劃線分割，實(shí)現(xiàn)了集成化組件的生產(chǎn)。（3）出現(xiàn)了單室成批生產(chǎn)和多室的流水生產(chǎn)非晶硅薄膜的兩種方式。在生產(chǎn)上還出現(xiàn)了以透明導(dǎo)電玻璃為襯底的組件生產(chǎn)和以柔性材料（如不銹鋼）為襯底的兩種電池組件的生產(chǎn)方式。世界上出現(xiàn)了許多以a-Si太陽(yáng)電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。例如，美國(guó)的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國(guó)家輸出了6條MW級(jí)生產(chǎn)線。美、日各公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗(yàn)電站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太陽(yáng)電他的總銷(xiāo)售量中非晶硅占有40％，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢(shì)。
2．2．a(chǎn)SI太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì)
???? 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說(shuō)明非晶硅太陽(yáng)電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)橐r底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價(jià)格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（100一300°C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時(shí)間短）（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)楹诵墓に囘m合制作特大面積無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的a一Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)…n結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動(dòng)化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽(yáng)電池易于實(shí)現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，晴電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計(jì)算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽(yáng)電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶(hù)用屋頂電站的安裝。
2．3發(fā)展勢(shì)頭受挫
???? 非晶硅太陽(yáng)電池盡管有如上諸多的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是很明顯的。主要是初始光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。初期的太陽(yáng)電池產(chǎn)品初始效率為5％-6％，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)照射一年后，穩(wěn)定化效率為3％-4％，在弱光下應(yīng)用當(dāng)然不成問(wèn)題，但在室外強(qiáng)光下，作為功率發(fā)電使用時(shí)，穩(wěn)定性成了比較嚴(yán)重的問(wèn)題。功率發(fā)電的試驗(yàn)電站性能衰退嚴(yán)重，壽命較短，嚴(yán)重影響消費(fèi)者的信心，造成市場(chǎng)開(kāi)拓的困難，有些生產(chǎn)線倒閉，比如CHRONAR公司。
2．4封裝的不穩(wěn)定問(wèn)題
???? 第一階段a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)品性能衰退問(wèn)題實(shí)際上有兩個(gè)方面，即封裝問(wèn)題和構(gòu)成電池的aSi材料不穩(wěn)定性問(wèn)題。封裝問(wèn)題主要是：封裝材料老化和封裝存在缺陷，環(huán)境中的有害氣氛對(duì)電他的電極材料和電極接觸造成損害，使電池性能大幅度下降甚至于失效。解決這一問(wèn)題主要靠改進(jìn)封裝技術(shù)，在采取了玻璃層壓封裝（這是指對(duì)玻璃襯底的電池）和多保護(hù)層的熱壓封裝（對(duì)不銹鋼襯底電池），基本上解決了封裝問(wèn)題。目前太陽(yáng)電池使用壽命已達(dá)到10年以上。
2．5．a(chǎn)-Si材料和太陽(yáng)電池的光致衰退機(jī)制
???? a-Si薄膜在強(qiáng)光（通常是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)的光強(qiáng)，100mW／cm2）下照射數(shù)小時(shí)，光電導(dǎo)逐漸下降，光照后暗電導(dǎo)可下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)并保持相對(duì)穩(wěn)定；光照的樣品在160℃下退火，電導(dǎo)可恢復(fù)原值，這就是有名的斯太不拉一路昂斯基效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)SWF。暗電導(dǎo)的阿蘭紐斯特性測(cè)量表明，光照時(shí)電導(dǎo)激活能增加，這意味著費(fèi)米能級(jí)從帶邊移向帶隙中央，說(shuō)明了光照在帶隙中部產(chǎn)生了亞穩(wěn)的能態(tài)或者說(shuō)產(chǎn)生了亞穩(wěn)缺陷中心。這種亞穩(wěn)缺陷可用退火消除。根據(jù)半導(dǎo)體載流子產(chǎn)生復(fù)合理論，禁帶中央的亞穩(wěn)中心的復(fù)合幾率最大，具有減少光生載
流子壽命的作用；同時(shí)它又作為載流子的陷餅，引起突間電荷量的增加，降低i層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，使光生載流子的自由漂移距離縮短，減少載流子收集效率。這就使太陽(yáng)電他的性能下降。
???? 研究光致亞穩(wěn)態(tài)的機(jī)理，尋找克服光致衰退的辦法，不僅對(duì)完善發(fā)展非晶硅材料的基礎(chǔ)理論是重要的，而且對(duì)改善太陽(yáng)電他的性能也很緊迫。從對(duì)太陽(yáng)電池產(chǎn)品的使用來(lái)說(shuō)，還要解決加速光衰、標(biāo)定產(chǎn)品穩(wěn)定性能的問(wèn)題。
???? 世界上凡從事a-Si研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室，都在研究光致衰退的問(wèn)題，開(kāi)展了各種實(shí)驗(yàn)觀察，提出了種種的理論模型。但是，至今還沒(méi)有一個(gè)令人信服的統(tǒng)一的模型可以解釋各種主要的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。比較一致的看法是，光致衰退與a-Si材料中氫運(yùn)動(dòng)有關(guān)。比較重要的模型有：（1）光生載流子無(wú)輻射復(fù)合引起弱的Si-Si鍵的斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，附近的氫通過(guò)擴(kuò)散補(bǔ)償其中的一個(gè)懸鍵，同時(shí)增加一個(gè)亞穩(wěn)的懸鍵。（2）懸鍵的荷電對(duì)T了和T茅與光生載流子相互作用，變成兩個(gè)乃態(tài)，乃態(tài)是一個(gè)單電子占據(jù)的懸鍵態(tài)，它的出現(xiàn)使費(fèi)米能級(jí)向下面的帶隙中央移動(dòng)（通常非摻雜的i層呈弱的n型，費(fèi)米能級(jí)在帶隙中距導(dǎo)帶邊稍近）。這個(gè)模型假定，懸鍵為雙電子占據(jù)時(shí)，相關(guān)能為負(fù)值。負(fù)相關(guān)能最可能存在于氫富集的微空洞的表面。（3）布朗茲最近提出的新模型認(rèn)為，光生電子相互碰撞產(chǎn)生兩個(gè)可動(dòng)的氫原子，氫原子的擴(kuò)散形成兩個(gè)不可動(dòng)的Si-H鍵復(fù)合體，亞穩(wěn)懸鍵出現(xiàn)在氫被激發(fā)的位置處，此模型可定量他說(shuō)明光生缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并可解釋一些主要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以上例舉的較為可信的模型都說(shuō)明，光致衰退效應(yīng)與aSi材料中的氫的移動(dòng)有關(guān)a-Si材料是在較低的溫度下，通過(guò)硅烷類(lèi)氣體等離子體增強(qiáng)化學(xué)分解，在襯底上淀積獲得的。它的硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可避免地存在硅的懸鍵。這些懸鍵如果沒(méi)有氫補(bǔ)償，隙態(tài)密度將非常高，不可能用來(lái)制作電子器件。廣泛采用的PECVD法沉積的a-Si膜含有10-15％的氫含量，一方面使硅懸鍵得到了較好的補(bǔ)償；另一方面，這樣高的氫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅懸鍵的密度。可以肯定他說(shuō)，氫在a＝Si材料中占有激活能不同的多種位置，其中一種是補(bǔ)償懸鍵的位置，其它則處于激活能更低的位置。理想的a一Si材料應(yīng)該既沒(méi)有微空洞等缺陷，也沒(méi)有SiH2、（SiH2）n、SiH3等的鍵合體。材料密度應(yīng)該盡量地接近理想的晶體硅的密度，硅懸掛鍵得到適量氫的完全補(bǔ)償，使得隙態(tài)密度低，結(jié)構(gòu)保持最高的穩(wěn)定性。尋找理想廉價(jià)的工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種理想的結(jié)構(gòu)，應(yīng)能從根本上消除光致衰退，這是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。
2．6 a-Si太阻電池效率低的原因
???? 非晶硅太陽(yáng)電池屬于半導(dǎo)體結(jié)型太陽(yáng)電池，可以依據(jù)結(jié)型太陽(yáng)電他的模型對(duì)其理想的光伏性能作出估算。有1．7eV帶隙的非晶硅太陽(yáng)電他的理論效率在25％左右。實(shí)際上，第一階段制作的小面積電池初始效率約為理論效率的一半，其它品種的太陽(yáng)電池實(shí)際達(dá)到的光伏性能與理論值相比，差距都小于非晶硅的差距。
a-Si太陽(yáng)電池效率低的主要原因如下：
????? 1）a-Si材料的帶隙較寬，實(shí)際可利用的主要光譜域是0.35-0.7／m波長(zhǎng)，相對(duì)地較窄。
????? 2）a-Si太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓與預(yù)期值相差較大，其原因是：（1）遷移邊存在高密度的尾態(tài)，摻雜雜質(zhì)離化形成的電子或空穴僅有一定比例的部分成為自由載流子，電導(dǎo)激活能即費(fèi)米能級(jí)與帶邊的差不可能很小；（2）材料多缺陷，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，電荷收集主要靠?jī)?nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的漂移運(yùn)動(dòng)，靠擴(kuò)散收集的分量可以忽略，這與晶體硅電池正好相反，為了維持足夠強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，pin結(jié)的能帶彎曲量必須保持較大才能保證有足夠的電場(chǎng)維持最低限度的電荷收集，能帶彎曲量與電池輸出電壓對(duì)應(yīng)的電子能量之和為卜n兩種材料費(fèi)米能級(jí)之差。既然剩余能帶彎曲量較大，輸出電壓必然較低。而晶體電池電荷收集主要靠載流子擴(kuò)散，剩余能帶彎曲量可以較小，加之p、n兩種材料的激活能較低，所以開(kāi)路電壓與其帶隙寬度相對(duì)接近。
??? 3）a-Si材料隙態(tài)密度較高，載流子復(fù)合幾率較大，二極管理想因子刀通常大于2，與n=1的理想情況相差較大。
??? 4）a-Si太陽(yáng)電他的一區(qū)和n區(qū)的電阻率較高，TCO／p-a-si（或n-a-si）接觸電阻較高，甚至存在界面壁壘，這就帶來(lái)附加的能量損失。
??? 以上這些問(wèn)題必須由新的措施來(lái)解決，這就構(gòu)成了非晶硅太陽(yáng)電池下一階段發(fā)展的主要任務(wù)。
3．非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展
3．1非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)完善與提高
??? 由于發(fā)展勢(shì)頭遭到挫折，80年代未m年代初，非晶硅太陽(yáng)電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整、完善和提高的時(shí)期。人們一方面加強(qiáng)了探索和研究，一方面準(zhǔn)備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，中心任務(wù)是提高電他的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮，先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級(jí)，生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在10年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達(dá)到6％-8％；中試組件（面積900cm2左右）效率達(dá)9％-11％；小面積電池最高效率達(dá)14.6％。
3．2完奏結(jié)技求
??? 完美結(jié)技術(shù)是下列技術(shù)的組合：（1）采用帶織構(gòu)的sio2／snO2／ZnO復(fù)合透明導(dǎo)電膜代替ITO或Sn02單層透明導(dǎo)電電極。復(fù)合膜電極具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗等離子還原反應(yīng)的效果。（2）在TCO／p界面插入污摻雜層以克服界面壁壘。（3）p層材料采用寬帶隙高電導(dǎo)的微晶薄膜，如μc-sic，可以減少P層的光吸收損失；減少電他的串聯(lián)電阻。（4）為減少p／i界面缺陷，減少二極管質(zhì)量因子，在p/i界面插入C含量緩變層。此層的最佳制備方法是交替淀積與氫處理法。（5）低缺陷低氫含量的i層。用精確控制摻雜濃度的梯度摻雜法，使離化雜質(zhì)形成的空間電荷與光照產(chǎn)生的亞穩(wěn)空間電荷中和，保持穩(wěn)定均勻的內(nèi)建電場(chǎng)。這是從器件結(jié)構(gòu)上消除光致衰退效應(yīng)的又一種方案。（6）i／n界面緩變以減少界面缺陷。（7）采用K一kS可以減少電池的串聯(lián)電阻，同時(shí)減少長(zhǎng)波長(zhǎng)光的損失。（8）采用znO／A1復(fù)合背電極增強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的反射，增加在電池中的光程，從而增加太陽(yáng)電他的光的吸收利用。
??? 值得一提的是，我國(guó)在“八五”攻關(guān)中采用此類(lèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大面積組件電池6.55％的穩(wěn)定效率，小面積電池單結(jié)開(kāi)路電壓高達(dá)1.12V。
3．3? 疊層電池技術(shù)
??? 減薄a-Si太陽(yáng)電他的i層厚度可以增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，減少光生載流子通過(guò)帶隙缺陷中心和／或光生亞穩(wěn)中心復(fù)合的幾率，又可以增加載流子移動(dòng)速率，同時(shí)增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果i層大薄又會(huì)影響入射光的充分吸收，導(dǎo)致電池效率下降。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，人們想到了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)。起先是兩個(gè)pin結(jié)的疊層艱pa-Si／a-Si疊層電池，其穩(wěn)定化效率有所提高。我國(guó)用此結(jié)構(gòu)做出組件電池（400cm2）穩(wěn)定化效率達(dá)7．35％。
??? 一種材料的太陽(yáng)電池可以利用波長(zhǎng)比1.24／Eg(μm）更短的譜域的光能。如果把具有不同帶隙（Eg）材料的薄膜電池疊加，則可利用更寬譜域的光能，由此可提高大陽(yáng)電他的效率。異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池中，利用寬帶隙材料作頂電池，將短波長(zhǎng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽焕谜瓗恫牧献鞯纂姵兀瑢㈤L(zhǎng)波長(zhǎng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｓ捎诟映浞值乩昧岁?yáng)光的譜域，異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池應(yīng)有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具有抑制光致衰退的效果。
????? 形成異質(zhì)疊層太陽(yáng)電他的材料的帶隙必須有恰當(dāng)?shù)钠ヅ洳趴赡塬@得最佳的效果。目前流行的非晶硅鍺為基礎(chǔ)的異質(zhì)疊層太陽(yáng)電池較好的匹配帶隙分別為1。8eV、1。6eV、1。4eV。除了匹配帶隙的要求外，組成疊層太陽(yáng)電他的各子電池中光電流應(yīng)基本相等；子電池之間的p/n結(jié)應(yīng)為高透光高電導(dǎo)的隧道結(jié)。
3．4 新材料探索
????? 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂電池的i層主要是寬帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在1.1eV到1.7eV范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時(shí)，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對(duì)電池性能的影響。
3．5新技術(shù)探索
????? 為了提高非晶硅太陽(yáng)電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學(xué)退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高a-Si薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得a一Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。
????? 所謂化學(xué)退火，就是在一層一層生長(zhǎng)a-Si薄膜的間隔，用原子氫或激活的Ar、He原子來(lái)處理薄膜，使表面結(jié)構(gòu)弛豫，從而減少缺陷和過(guò)多的氫，在保證低隙態(tài)密度的同時(shí)，降低光致衰退效應(yīng)。這里，化學(xué)處理粒子是用附加的設(shè)備產(chǎn)生的。
????? 氫稀釋法則采用大量（數(shù)十倍）氫稀釋硅烷作源氣淀積a-Si合金薄膜。實(shí)際上，一邊生長(zhǎng)薄膜一邊對(duì)薄膜表面作氫處理。原理一樣，方法更簡(jiǎn)單，效果基本相當(dāng)。
????? 交替淀積與氫處理則是，重復(fù)進(jìn)行交替的薄膜淀積與氫等離子體處理，這是上述兩種方法的結(jié)合。脈沖氖燈光照法是在一層一層生長(zhǎng)a-Si薄膜的間隔，周期地用脈沖氖燈光照處理薄膜表面，其穩(wěn)定性有顯著提高。在制備a-Si的源氣中加入適量的四氟化硅就可實(shí)現(xiàn)a-Si摻氟。摻氟使硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。本征a-Si呈弱n型，摻入痕量硼可將費(fèi)米能級(jí)移向帶隙中央，既可提高光靈敏度又可減少光致衰退。
3．6新制備技術(shù)探索
????? 射頻等離子體增強(qiáng)CVD是當(dāng)今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復(fù)制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷、臺(tái)階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特性符合大面積太陽(yáng)電他的要求。此法的主要缺點(diǎn)也是致命的缺點(diǎn)是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10％-15％氫含量，光致衰退比較嚴(yán)重。因此，人們一方面運(yùn)用這一方法實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。
????? 與RF-PECVD最相近的技術(shù)有，超高真空PECVD技術(shù)，甚高頻（VHF）PECVD技術(shù)和微波（包括 ECR）PECVD技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對(duì)膜表面的處理機(jī)制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會(huì)有區(qū)別。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢(shì)。
????? 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積a-Si薄膜技術(shù)，HOMO-CVD技術(shù)和熱絲CVD技術(shù)等。離子束淀積 a-Si合金薄膜時(shí)，包括硅烷在內(nèi)的反應(yīng)氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的a-Si合金薄膜。HOMO-CVD技術(shù)通過(guò)加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級(jí)粒子壽命較長(zhǎng)，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲CVD技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。
4非晶硅太陽(yáng)電池的未來(lái)發(fā)展
4．1現(xiàn)有a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)???
??? 非晶硅太陽(yáng)電池?zé)o論在學(xué)術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功，全世界的生產(chǎn)能力超過(guò)50MW，最大生產(chǎn)線年產(chǎn)為iQMW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿(mǎn)負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達(dá)1．＝美元／峰瓦左右。據(jù)預(yù)測(cè)，若太陽(yáng)電池成本低于每峰瓦：美元，壽命20年以上，發(fā)電系統(tǒng)成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)。與其它品種太陽(yáng)電池相比，非晶硅太陽(yáng)電池更接近這一目標(biāo)。非晶硅太陽(yáng)電池目前雖不能與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)，但在許多特定的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。如依托于建筑物的屋頂電站，它不占地面，免除占地的開(kāi)支，發(fā)電成本較低；作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲(chǔ)能設(shè)備，太陽(yáng)電池在發(fā)電成本中占主要部分，太陽(yáng)電池低成本就會(huì)帶來(lái)電力低成本。
???? 目前世界上非晶硅太陽(yáng)電池總銷(xiāo)售量不到其生產(chǎn)能力的一半，應(yīng)用上除了少數(shù)較大規(guī)模的試驗(yàn)電站外仍然以小型電源和室內(nèi)弱光電源為主。盡管晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)成本是aSi電池的兩倍，但功率發(fā)電市場(chǎng)、仍以晶體硅電池為主。這說(shuō)明光伏發(fā)電市場(chǎng)尚未真正成熟。另一方面，非晶硅太陽(yáng)電池必須跨過(guò)一個(gè)“門(mén)檻”才能進(jìn)入大光伏市場(chǎng)。一旦跨過(guò)“門(mén)檻”，市場(chǎng)需求將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，而規(guī)模越大生產(chǎn)成本越低。要突破“門(mén)檻”，一方面須加強(qiáng)市場(chǎng)開(kāi)拓力度，加強(qiáng)營(yíng)銷(xiāo)措施；另一方面政府應(yīng)給予用戶(hù)以適當(dāng)補(bǔ)貼鼓勵(lì)，刺激市場(chǎng)的擴(kuò)大。許多發(fā)達(dá)國(guó)家正在推行的諸如“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”這類(lèi)光伏應(yīng)用項(xiàng)目，就是這種努力的具體體現(xiàn)，。
4．2技求進(jìn)一步發(fā)展的方向
???? 非晶硅太陽(yáng)電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價(jià)的其它薄膜太陽(yáng)電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來(lái)的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應(yīng)努力開(kāi)拓市場(chǎng)，將現(xiàn)有技術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應(yīng)用外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)它對(duì)晶體硅電池在成本價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)和對(duì)其它薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢(shì)，在克服自身弱點(diǎn)上下功夫。進(jìn)一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下：
??? （1）加強(qiáng)a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達(dá)到基本上消除薄膜硅太陽(yáng)電池性能的光致衰退。
??? （2）加強(qiáng)晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來(lái)的薄膜硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品既具備a一Si薄膜太陽(yáng)電池低成本的優(yōu)勢(shì)，又具備晶體硅太陽(yáng)電池長(zhǎng)壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。
??? （3）加強(qiáng)帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價(jià)特色的混合疊層電他的研究，把a(bǔ)Si太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)與其它太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)嫁接起來(lái)。
（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)商品化。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論