目前在光伏市场上，制作太阳能电池最广泛使用的材料是硅，主要分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于前两种，由于使用的材料是间接带隙半导体3354，吸收太阳能时需要一定的厚度，其PN结比较厚(一般大于200微米)，其硅原料消耗较多，成本相应较高，面板价格居高不下，造成了比较大的硅浪费，而硅

作为直接带隙半导体，非晶硅具有宽范围的光辐射吸收和薄的所需厚度。因此，非晶硅薄膜太阳能电池可以做得很薄，光吸收膜的总厚度约为1微米。非晶硅因原料消耗少、成本低、性能更好而受到市场青睐。

非晶硅太阳能电池的特性

低成本

1、硅使用的材料较少，可以充分吸收光线。单晶厚度200，非晶硅厚度1(非晶硅光吸收系数大)。

2、主要原料是生产高纯多晶硅所用的硅烷。这种气体在化学工业中可以大量供应，而且非常便宜。制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材料成本约为3.5-4元人民币(效率高于6%)。

3、晶体硅太阳能电池的基本厚度是240-270um，相差200多倍。大规模生产需要大量的半导体品级，仅硅片成本就占太阳能电池总成本的65-70%。在中国，1瓦晶体硅太阳能电池的硅材料成本已升至22元人民币以上。

从原料供应来看，人类大规模利用太阳光发电，最终的选择只能是非晶硅太阳能电池和其他薄膜太阳能电池。没有别的办法了！

容易形成大规模

因为核心工艺适合制作大面积无结构缺陷的非晶硅合金薄膜；仅通过改变气相组成或气体流量就可以实现Pn结和相应的叠层结构；整个生产过程可以自动化。

品种多，用途广。

薄膜a-Si太阳能电池易于实现集成，器件功率、输出电压和输出电流可以自由设计和制造，可以很容易地做出多种适合不同需求的产品。由于光吸收系数高，暗电导低，适合制作室内微低电源，如手表电池、计算器电池等。由于非晶硅薄膜的硅网状结构的强机械性能，它适合于在柔性衬底上制造轻型太阳能电池。灵活的制造方法可以制造建筑一体化电池，适用于家庭屋顶电站的安装。

由于非晶硅不具备晶体所要求的周期性原子排列，所以在制备晶体时必须考虑的材料与衬底的晶格失配可以忽略不计。因此几乎可以在任何衬底上沉积，包括廉价的玻璃衬底，并且容易实现大面积。

良好的性能

在相同光照条件下，非晶硅薄膜电池的年发电量比单晶硅电池高15%左右。非晶硅电池还具有最高的效率质量比(即材料轻、效率高)，其效率质量比是单晶电池的6倍，适合未来发展空间太阳能电站。

非晶硅太阳能电池的发展历史

自1974年获得掺杂非晶硅薄膜以来，人们意识到了它在太阳能电池中的应用前景，并开始研究非晶硅太阳能电池。

1976年：RCA公司的Carlson报道了他的非晶硅太阳能电池，采用金属半导体和p-i-n器件结构。当时转换效率不到1%。

1977年：卡尔森将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。

1978年：日本推出集成非晶硅太阳能电池。

1980年：ECD公司做出转换效率6.3%的非晶硅太阳能电池，采用金属-绝缘体-半导体(MIS)结构；同年，日本三洋公司推出了pocket c

非晶硅太阳能电池是最有前途的太阳能电池。所以它在整个半导体太阳能电池领域的地位是上升的。从诞生到现在，以电计算的世界太阳能电池总产量的1/3左右是非晶硅太阳能电池，几乎占了民用的全部份额。

非晶硅太阳能电池结构

非晶硅太阳能电池最常用的结构是P-i-n结构，而不是单晶硅太阳能电池的p-n结构。这是因为轻掺杂非晶硅的费米能级移动小，如果两侧轻掺杂或者一侧轻掺杂另一侧重掺杂，能带弯曲小，电池开路电压有限；如果直接使用重掺杂的P和N材料来形成p -n结，由于重掺杂的非晶硅材料中高密度的缺陷态和短的少数载流子寿命，电池的性能将会很差。因此，未掺杂的非晶硅层通常沉积在两个重掺杂层之间作为有源集电极区域。

非晶硅太阳能电池中的光生载流子主要来自未掺杂的I层，这与晶体硅太阳能电池中的载流子移动主要是由于扩散不同。在非晶硅太阳能电池中，光生载流子主要通过太阳能电池中的电场漂移。

在非晶硅太阳能电池中，顶层的重掺杂层非常薄，几乎半透明，可以使入射光最大限度地进入未掺杂层，产生自由光生电子和空穴。而高的内建电场基本上就是从这里向外扩散的，光生载流子产生后立刻被扫向N侧和P侧。

由于未掺杂的非晶硅实际上是一种弱N型材料，在有源区适当加入微量硼使其成为具有中等费米能级的I型，有助于提高太阳能电池的性能。因此，在实际制备过程中，沉积顺序往往安排为p-i-n，这样在沉积P层时，有源区自然掺硼。这种沉积顺序决定了透明导电基板单元总是满足P层的光，而不透明基板单元总是满足N层的光。

对于单结太阳能电池，非晶硅叠层电池在AM1.5光照下的转换效率理论极限只有25%左右，即使它们是由晶体材料制成的。这是因为太阳光谱的能量分布较宽，任何半导体都只能吸收能量高于自身带隙的光子。其余的光子要么穿过电池被背面金属吸收转化为热能，要么将能量传递给电池材料本身的原子，使材料升温。这些能量都不能通过产生光生载流子转化为电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会提高电池的工作温度，降低电池的性能。

以便在更宽的波长范围内最大限度地有效利用太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域，用能隙与这些区域最匹配的材料制作电池，使整个电池的光谱响应接近太阳光谱。如图所示，具有这种结构的太阳能电池被称为叠层电池。

薄膜非晶硅太阳能电池的生产制造工艺

非晶硅太阳能电池生产线主要包括以下设备：导电玻璃磨边设备、导电玻璃清洗设备、大型非晶硅薄膜PECVD生产设备(含辅助设备)、红外激光和绿光激光划片设备、大型磁控溅射生产设备和组件测试设备。

1、磨边：将玻璃各个角的锐边打磨掉，保证透明导电玻璃的八个边都要倒角。

2、第一次清洗：清洗干燥，保证透明导电玻璃表面(两面)的清洁度。

3、激光划线：在透明导电玻璃上划线，预留一定数量的子电池基板，使子电池可以短路，用万用表测量1m(兆欧)。生产中我们用20K在导电膜上测量(双结产品：39个单元，子单元间距15.5mm)。

4、二次清洁：清洁和干燥，并确保表面清洁

6、预热：将导电玻璃预热至PECVD沉积所需的温度(预热温度215)，并保证导电玻璃的温度均匀性。

:真空下在导电玻璃上沉积大面积均匀的PIN层。沉积后，电池芯片中没有明显的色差或条纹。用手电筒照射电池芯片，观察无明显针孔现象。

8、冷却(卸载):玻璃在工件架中冷却后卸载。玻璃在高温下不宜卸在工件架上，否则会弯曲或爆裂。

9、二次激光划片：用532绿光激光机在沉积有硅膜的半成品芯片上划片划线，预留连接子电池的导电通道。划片效果：激光划片要求不损伤导电膜层，划片干净彻底，激光光斑均匀光滑，光斑能不规则，椭圆形或毛刺。

10、PVD(磁控溅射):镀背电极(AL或AZO AL)。镀铝后电池芯片无起膜现象，背电极电阻小于10欧姆。

11、激光划片：用铝背电极在半成品芯片上划线，完成子电池的串联。

12、扫边：清洁芯片四边10mm区域，实现绝缘。

13、退火：通过热处理重组薄膜材料的微结构，提高其稳定性，可以提高电池芯片的转换效率。

14:测试：测试电池芯片的电参数。

15、反压：通过反压修复芯片的缺陷，提高芯片的转换效率。

薄膜非晶硅太阳能电池的制备工艺是所有光伏电池中最短的。但是，真空PECVD制备非晶硅半导体膜系从膜系设计到工艺控制的要求非常严格。

目前实验室小面积电池的光电转换效率已经达到近15%，而该工艺生产的大面积组件在大部分生产线上的认证效率还没有达到6%。理论上，大面积组件的极限是小面积器件的85-90%，小面积器件与组件的光电转换效率差异反映了一条生产线的技术水平。

世界上少数非晶硅生产线已经生产出认证效率超过8%的模块。因为几乎所有其他类型的光伏组件(包括微晶硅薄膜电池)在阴天高温低照度的实际运行中性能都很差，只有非晶硅组件在这些实际运行条件下性能优异，所以在其他类型的大面积薄膜电池低成本生产出认证光电转换效率超过12%的组件之前，即使在大规模发电应用中，非晶硅光伏组件也能被淘汰是因为它们的制造成本最低，光电转换效率适中，没有误传那么差，更不用说美观的半透明模块和可弯曲的柔性模块，重量轻不容易破碎，以及其他只有非晶硅才有优越性能的应用。

非晶硅材料中缺陷——的光致退化效应

掺氢非晶硅薄膜制成的太阳能电池薄膜有一个致命的缺陷：——光致衰减效应。当氢化非晶硅薄膜长时间受到强光或电流照射时，由于Si -H键很弱(键能为323)，H很容易失去，形成大量Si悬空键，从而降低薄膜的电学性能。而且这种失去H的行为是连锁反应，失去H的悬空键会吸引相邻键上的H原子，使其周围的Si -H键变得松散，导致相邻的H原子结合成H2，(H-)其光电转换效率会随着光照时间的延长而降低，从而极大地影响太阳能电池的性能。同时，由于其光学带隙为1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。

作为解决方案，可以减小电池中I层的厚度。同时，为了避免入射光吸收减弱的原因

如上图所示，一个PIN结与另一个PIN结堆叠在一起。叠层非晶硅太阳能电池的工作原理：由于太阳光光谱中能量分布较宽，任何现有的半导体材料都只能吸收能量高于其能隙的光子。阳光中能量较低的光子会穿过电池，被背电极金属吸收，转化为热能；而高能光子超出能隙宽度的多余能量通过光生载流子的热释光转移到电池材料本身的晶格原子上，使材料本身发热。这些能量可以通过光生载流子传递给负载，成为有效电能。因此，对于单结太阳能电池，即使是由晶体材料制成，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。如果把太阳光光谱分成几个连续的部分，用与这些部分能量带宽最匹配的材料来制作电池，按照能隙从大到小的顺序从外向内堆叠，这样最外面的宽能隙材料电池就可以使用最短波长的光，而更长波长的光就可以透射进来供更窄能隙的材料电池使用，这样就有可能最大限度地把光能转化为电能。这种电池结构是叠层电池。

再者，光诱导退化导致转换效率降低的非晶硅电池在130-175摄氏度退火后，H-H键断裂，Si-H键重新形成，其效率可以恢复到原来的80%-97%，这是其他电池不具备的性能。

非晶硅电池性能的影响因素及发展前景

由于非晶硅结构是一种长程无序的随机网络结构，对载流子有很强的散射作用，导致载流子得不到有效收集。为了提高非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性，单晶硅太阳能电池一般不采用p-n结构。这是因为轻掺杂非晶硅的费米能级移动很小。如果两侧轻掺杂或一侧轻掺杂另一侧重掺杂，则能带弯曲小，电池开路电压受限。如果直接使用重掺杂的P和N材料来形成p -n结，由于重掺杂的非晶硅材料中的高密度缺陷态和短的少数载流子寿命，电池性能将会很差。因此，通常在两个重掺杂层中沉积未掺杂的非晶硅层(I层)作为有源集电极区，即p-i-n结构。

非晶硅太阳能电池中的光生载流子主要产生在未掺杂的I层中，这与晶体硅太阳能电池中由于扩散导致的载流子移动不同。在非晶硅太阳能电池中，由于扩散长度小，光生载流子主要靠电池中的电场漂移。当非晶硅电池采用pin结构时，电池可以在光照下工作。但由于光致降解效应，电池的性能不稳定，电池的转换效率随光照时间逐渐下降，电池的结构和工艺还需进一步优化。

影响非晶硅电池转换效率和稳定性的主要因素有：透明导电膜、窗口层性质(包括光学带隙宽度、窗口层电导率和掺杂浓度、窗口层激活能、窗口层透光率)、界面态(界面缺陷态密度)和层间能隙匹配、各层厚度(特别是I层厚度)和太阳能电池结构等。通常，非晶硅薄膜电池的结构采取叠层、集成或异质结的形式。

非晶硅电池生产工艺简单，温度低，能耗低，市场份额逐年增加。目前，超过一半的薄膜太阳能电池公司采用非晶硅薄膜技术。预计在未来几年内，非晶硅薄膜将在薄膜太阳能电池中占据主要份额。然而，低光电转换效率和光致衰减效应是非晶硅薄膜电池的两个主要问题。为了提高效率

比如采用叠层、一体化的电池结构；在透明导电膜的反面，采用低电阻率、离子污染阻隔、增加入射光吸收和抗辐射的透明导电膜来代替目前的ITO、ZnO、ZnO#Al等导电膜。在窗口层材料方面，探索宽光学带隙、低电阻的新型窗口层材料，如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等。在非晶硅薄膜的制备技术中，可以改进RF-PECVD、超高真空PECVD、VHF)PECVD和微波PECVD，以延长薄膜的光子寿命，提高薄膜的载流子输运能力、电子性能和稳定性等。在界面处理方面，可以采用氢钝化技术和插入缓冲层来降低界面复合损失，提高电池的短路电流和开路电压。

虽然目前的低效率和不稳定的性能是非晶硅薄膜太阳能电池大规模工业化生产的主要障碍，但优化非晶硅薄膜太阳能电池的各种技术仍然是可行的。随着科学技术的进一步发展，非晶硅薄膜太阳能电池将得到大规模应用。

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