大面積單結集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結構設計與制

摘要：大面積單結集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結構設計技術(shù)，并分析了制備工藝對其性能的影響。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池設計分析

Structural Device and Preparation Analysis of Large Area

Single Junction Integrated a－ Si:H Solar Cells

Abstract: This psper reports structural device of large area single junction integrated amorphous silicon solar cells,and analyses influence on performance by preparation.

Keywords:Solar Cell Device Analysis

1引言

a－Si:H太陽(yáng)電池的出現，猶如一道曙光，照亮了太陽(yáng)電池大規模地面向應用的道路，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，其制備工藝日趨穩定和成熟，它巧妙的結構設計和廉價(jià)的制備工藝向人們說(shuō)明：太陽(yáng)能要從補充能源走向替代能源，這種結構設計技術(shù)和制備方法是必須采納的，否則太陽(yáng)電池昂貴的價(jià)格將會(huì )成為其發(fā)展的瓶頸。本文闡述了a－Si:H太陽(yáng)電池的結構設計與制備分析，同時(shí)對影響其性能的工藝參數進(jìn)行了討論。

2大面積單結集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結

構設計

2．1a－Si:H太陽(yáng)電池的結構

　　a－Si:H太陽(yáng)電池是在玻璃基板上利用輝光放電沉積形成非晶硅PIN結構的平板式光電換能器件，單電池的結構如圖1所示，當太陽(yáng)光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生電子－空穴對，在光電池的內建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，光電池的兩端出現異性電荷積累，即產(chǎn)生光生電壓，若在兩側引出電極并接上負載，則負載中就有光生電流流過(guò)，從而獲得功率輸出。圖2示出了a－Si:H太陽(yáng)電池的等效電路。IL為光生電流，Id為二極管的暗電流，Rsh為并聯(lián)電阻，Rs為串聯(lián)電阻，RL為負載電阻。

　　目前，a－Si:H單電池的開(kāi)路電壓Uoc約為0.8V，工作電壓Um約為0.55V,短路電流密度Jsc約為13.4mA/cm2,工作電流密度Jm約為11mA/cm2。這么小的電能輸出基本上沒(méi)有用處，若要輸出較高的電壓和較大的電流，就必須在結構上采取有效的串并聯(lián)措施。

圖1a－Si:H單電池結構 圖2a－Si:H太陽(yáng)電池的等效電路

2．2集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的結構設計

為了獲得一定的功率輸出，就必須把眾多的a－Si:H太陽(yáng)電池有效地串并聯(lián)起來(lái)，然而，a－Si:H太陽(yáng)電池是一種薄膜器件，靠外引線(xiàn)串聯(lián)既不可靠也不方便，因而在制備時(shí)就必須考慮在內部集成。圖3示出了它的內部集成結構圖。圖中1、2、3、4為四個(gè)單電池，組合形式為串聯(lián)，電流流動(dòng)方向如圖中所示。

圖3集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的內部結構圖

若要設計一個(gè)給6V、4AhVRLA蓄電池充電的a－Si:H太陽(yáng)電池組件，那么所需的太陽(yáng)電池組件的工作電壓為：

Um≥3×UT＋Ud=8V

式中:UT為VRLA蓄電池的過(guò)充閾值電壓，Ud為防反充二極管的正向壓降。

由于單節a－Si:H太陽(yáng)電池的工作電壓約為0.55V，則至少需15節電池串聯(lián)，若按C/10的電流充電，則所需的a－Si:H太陽(yáng)電池組件的輸出電流至少應大于400mA，那么單節太陽(yáng)電池的面積至少應大于37cm2,考慮到內部串聯(lián)布線(xiàn)所占的面積，最后單節太陽(yáng)電池的面積取為1×51cm2。

因此所要求的a－Si:H太陽(yáng)電池組件為15節單電池面積為1×51cm2的太陽(yáng)電池串聯(lián)。

3大面積單結集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的制備分析

a－Si:H太陽(yáng)電池由多層薄膜有機結合而成，制備時(shí)按圖4的工藝順序制作。

圖4a－Si:H太陽(yáng)電池工藝順序

3．1TCO的制備

TCO為絨面SnO2:F薄膜，它可由化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝來(lái)制備，制備選用平直度好、透射率高、新鮮、無(wú)污染、無(wú)水腐蝕的浮法玻璃做襯底，將其切割成上述計算的面積大小，洗滌烘干后送入CVD爐開(kāi)始沉積，發(fā)生的化學(xué)反應如下：

SnCl4＋O2=SnO2＋2Cl2

SnCl4＋2H2O=SnO2＋4HCl

沉積完后將其放在釔釹石榴石激光器的平臺上進(jìn)行激光刻劃，刻劃的多少由所要求的串聯(lián)電池數決定。

3.2P層的制備

P層成份為a－Si:H:B:C,制備工藝為等離子增強型化學(xué)氣相沉積（PECVD），它是一種高頻（13.56MHz）輝光放電物理過(guò)程和化學(xué)反應相結合的技術(shù)，此法的優(yōu)點(diǎn)是沉積速率快，成膜質(zhì)量好，針孔少，不易龜裂，沉積的氣源為SiH4，CH4，B2H6和He的混合氣體。B2H6用來(lái)實(shí)現材料攙雜，He用作稀釋氣體，CH4的攙入是為了改善P層的光學(xué)性質(zhì)。通過(guò)改變沉積過(guò)程中的氣體分壓比，就可以獲得含C量不同的P層（a－Si:H:B:C）薄膜，而不同的含C量，就有不同的光電性質(zhì)。

3．3I層的制備

I層成份為a－Si:H，制備工藝仍為PECVD，沉積的氣源為SiH4和H2。本征層是光生電流的產(chǎn)生區，因而其成膜質(zhì)量直接影響到a－Si:H太陽(yáng)電池的性能，其性能主要由制備時(shí)的放電功率、基體溫度、反應壓力和氣體流量來(lái)決定。成膜過(guò)程中，在保持一定的成膜速率下，盡量采用低的放電功率以提高薄膜的光電子學(xué)性能。

3．4N層的制備

N層為a－Si:H:P，沉積的氣源為SiH4、PH3、H2和He的混合氣體，其中PH3用來(lái)實(shí)現材料攙雜。a－Si:H:P薄膜的結構和光電性能同基體溫度、氣源配比、反應壓力、放電功率和氣體流量等因素緊密相關(guān)。

　　在制備上述各層薄膜的過(guò)程中，反應壓力、放電時(shí)間、氣體流量和反應室溫度均由計算機自動(dòng)監測和控制，所需的控制參數由軟件來(lái)實(shí)現。

　　各層薄膜制備完畢后，將組件放到機械梳刻臺上械梳，刻線(xiàn)線(xiàn)寬應小于0.2mm，硅刻線(xiàn)應緊貼在激光刻線(xiàn)的近旁，兩者的公差為0.2～0.7mm,刻透率應大于80％,目的是形成各單電池的非晶硅層,并使Al與TCO良好接觸。

3．5蒸鋁

采用真空蒸發(fā)的方法制做Al電極，在集成型a－Si:H太陽(yáng)電池中，鋁不但用作各子電池的負極，而且它將各單電池在結構上串聯(lián)起來(lái)。除此之外，鋁薄膜還可反射沒(méi)有被非晶硅合金層吸收的長(cháng)波限光子，增加太陽(yáng)電池對光的利用率。

　　按上述要求設計制備出的集成型a－Si:H太陽(yáng)電池組件，在美國CHRONAR公司的太陽(yáng)電池測試臺上測出的電池輸出特性如圖5所示。測試條件為：標準光強，AM1.5，100mW/cm2,25℃。從結果來(lái)看，達到了設計要求。

圖5實(shí)驗集成型a－Si:H太陽(yáng)電池的輸出特性

4結論

集成型a－Si:H太陽(yáng)電池結構簡(jiǎn)單，制備工藝成本較低，容易設計成不同的形式以滿(mǎn)足不同的用戶(hù)需求。它的出現，極大的促進(jìn)了整個(gè)太陽(yáng)電池行業(yè)的發(fā)展。