摘要：近年来，非晶硅薄膜太阳能电池特性问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的方法，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就光致衰减问题展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：非晶硅薄膜；太阳能电池；特性；研究
Abstract: in recent years, the properties of amorphous silicon thin film solar cells have attracted extensive attention in the industry, so it is of great significance to study the related issues. This paper firstly summarizes the related content analysis method to improve the conversion efficiency of amorphous silicon thin film solar cell, and combining with the practical experience, respectively, from various angles and aspects of light attenuation are researched, elaborated this person several views and understanding of practice, hope to help in the related work.
Keywords: amorphous silicon thin film; solar cell; characteristics; research
1前言
作为新能源实践中的一项重要组成部分，非晶硅薄膜太阳能电池的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对非晶硅薄膜太阳能电池特性的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施，进一步优化其在实际应用中的最终整体效果。
2概述
薄膜太阳能电池以其低廉的成本优势受到世界各国研究者的关注。目前国际上研究较多的薄膜太阳能电池主要有3种:硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)。
在三种薄膜太阳能电池中，硅基薄膜太阳能电池以其特有的优势快速发展。硅基薄膜太阳能电池又分为:非晶硅(a－Si)薄膜太阳电池、微晶硅(uc－Si)薄膜太阳能电池、纳米硅(nc－Si)薄膜太阳能电池，以及它们相互合成的叠层电池。同晶体硅太阳能电池相比非晶硅太阳能电池具有良好的弱光效应。非晶硅材料的吸光系数在整个可见光范围内，几乎都比晶体硅大一个数量级，其本征吸收系数高达105cm－1，使得非晶硅太阳能电池对低光强有较好的响应，实验证明非晶硅薄膜电池比同样标称的晶体硅电池的发电量多10%～30%。
3提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的方法
3．1窗口层材料
为提高非晶薄膜太阳能电池的转化效率，通常要求尽可能的减少p层及n层对光的吸收；除了要求p层尽可能薄外，还要求窗口层材料具有较宽的光学带隙，宽带隙窗口层材料的使用，会使得更多的太阳光透过p层进入本征i层，增加光谱响应范围，使得太阳能电池短路电流以及开路电压得到一定提高。
目前探索的宽带隙材料主要有非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等。其中非晶硅碳窗口层材料是目前最容易为人们所接受，且工艺相对简单的一项技术。早在1981年，Tawada等就使用a－SiC:H作为a－Si电池的窗口层，使电池的转化效率达到了7．1%。
窗口层材料除了带隙要求较宽外还要求有较低的激活能和低的电阻率。低的激活能有利于增大电池的内建电势和开路电压；低的电阻率可以减小电池的串联电阻，从而改善其填充因子。为了减少由于窗口层对光的吸收造成光在窗口层损失，窗口层要求尽可能的薄；但窗口层太薄会降低内建电场，这对提高开路电压不利。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆窗口层较高的掺杂浓度会增加电池的内电势并减小串联电阻，但不利于光生载流子的传输与收集；并且高掺杂易导致电池死层出现，因此要求对窗口层的掺杂要适当。
3.2中间陷光层
在非晶硅/微晶硅(a－Si/μc－Si)叠层太阳电池中，为了获得良好的稳定性，通常将顶电池非晶硅层设计的很薄，因此顶电池对光的吸收率低，顶电池的短路电流密度(Jsctop)小于底电池的短路电流密度(Jscbot)。根据电流连续性原理，叠层电池的短路电流密度(Jsctandem)常受顶电池电流密度的限制。因而，提高a－Si顶电池的短路电流密度，实现顶、底电流匹配成为提高叠层电池效率的关键问题之一。为了解决此问题，IMT小组最先于1996年提出了在非晶硅/微晶硅叠层电池的顶电池和底电池间引入中间层(inter－layer)的新结构。引入折射率与非晶硅、微晶硅不同的中间层，可以提高顶底电池界面的反射率，将一部分光反射回顶层，提高顶电池的光吸收，进而提高顶电池的电流密度。因此可以在不增加顶电池厚度的情况下提高顶电池的光吸收，使顶、底电池短路电流密度相匹配，提高叠层电池的转化效率。相对非晶硅/微晶硅(a－Si/μc－Si)叠层而言可以设计只提高400～750nm太阳光的界面反射率，这样既可以保证底电池能够吸收到足够的太阳光，又可以提高顶电池的光吸收，实现顶、底电池的电流匹配。
中间层材料必须具有以下特征:
(1)透明、导电、光吸收系数小；(2)折射率和厚度要满足一定要求(能对短波长光具有较好反射，对长波长光具有较好的透射)；(3)沉积温度要与电池制备工艺相匹配；(4)材料来源丰富、成本低、制备工艺成熟。
3.3叠层结构太阳能电池
叠层太阳能电池使能隙较窄的材料电池吸收波长较长的光，同时使最外边的能隙较宽的材料电池吸收波长最短的光，从而对太阳光源有了更合理的利用，有效地提高了太阳能电池的转化效率。
由于微晶硅的能带是1．1eV，而非晶硅的能带是1．7eV左右，两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。2004年日本Kaneka公司成功制备出一个面积0．5m2，稳定效率超过9．0%的模块。Shah通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到30%以上。这种新型硅基薄膜太阳电池大大促进了对这种材料和电池的研究。目前大面积a－Si/uc－Si叠层电池作为新一代薄膜电池已经开始大规模产业化。
4光致衰减
4．1光致衰减的特征
(1)最初效率衰减很快，以后逐渐缓慢，趋于饱和；(2)光致衰减是可逆的，150～200℃退火可恢复原有的性能；(3)光致衰减的变化主要是本征层i层性质改变的结果；(4)温度升高，光致衰减减小；(5)非晶硅薄膜太阳能电池光致衰减的特性还于太阳电池本身所处的状态有关，太阳能电池在开路时，其光致衰减最为严重；而在短路时，其光致衰减最小；有一定的负荷、处于工作状态时光致衰减的大小则介于开路与短路这两种状态之间。(6)短路电流和填充因素变化较大，开路电压几乎不变(7)p－i－n型(即光首先入射到p型层)太阳能电池的结构，其光致衰减比n－i－p型(即光首先入射到n型层)太阳能电池结构的要小。(8)光致衰减与本征层i层的厚度有关，i层薄的电池性能相对稳定；(9)在本征层中加入微量硼(约1ppm)可改善电池的稳定性；(10)叠层结构比单结电池稳定。
4.2光致衰减的机理及物理模型
较长时间的强光照射或电流通过使a－Si:H薄膜使用性能下降、内部缺陷增加的现象，称为光致衰减效应。光致衰减效应是制约a－Si:H薄膜应用的主要原因。对光致衰减效应的起因，至今仍有不少争议，造成衰减的微观机制也尚无定论，光致衰减效应是国内外非晶硅材料研究的热门课题。
虽然对导致光致衰减的原因尚无定论，但总的看法认为，光致衰减效应是由于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级)，这种缺陷态会影响a－Si:H薄膜材料的费米能级EF的位置，从而使电子的分布情况发生变化，进而一方面引起光学性能的变化，另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心，使得电子的俘获截面增大、寿命下降。
结束语：综上所述，加强对非晶硅薄膜太阳能电池特性的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的非晶硅薄膜太阳能电池应用过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献：
［1］韦东远．全球太阳能光伏产业发展动态及对我国光伏产业发展的评述［J］．能源政策研究.2016（10）：60-62.
［2］雷永泉，万群，石永康．新能源材料［J］天津:天津大学出版社.2017（01）：115-116..
论文作者:涂志鑫
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第10期
论文发表时间:2017/10/26
标签：太阳能电池论文; 电池论文; 薄膜论文; 电流论文; 材料论文; 窗口论文; 效率论文; 《建筑科技》2017年第10期论文;