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1 多晶硅薄膜太阳能电池摘要本设计主要阐述研究了太阳能电池的发展历程，详细介绍了多晶硅薄膜太阳能电池的各种工艺，多晶硅薄膜太阳能电池的结构、特点，以及多晶硅薄膜的制备方法，阐述了在实际研究过程中沉积大晶粒多晶硅薄膜的技术路线和工艺，并展望了多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势。关键词陶瓷衬底，多晶硅薄膜，太阳能电池，发展趋势2 多晶硅太阳能电池绪言 31. 硅太阳能电池的原理41.1 太阳能电池的原理31.2 多晶硅太阳能电池工作原理 31.3 多晶硅太阳能电池结构特点错误未定义书签。1.4 多晶硅电池构成 4 1.5 多晶硅电池特性 4 1.6 多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求 5 2. 多晶硅薄膜太阳能电池制备方法2.1半导体液相外延生长法（ LPE法）52.2 区熔再结晶法（ ZMR法）错误未定义书签。2.3 等离子喷涂法（ PSM） 5 2.4 叠加法 6 2.5 化学气相沉积法（ CVD ） 6 2.6 固相结晶法（ SPC） 7 3多晶硅薄膜电池衬底和沉积工艺73.1 在廉价衬底上高温沉积 . 73.2 低温生长 . 83.3 层转移技术 . 84. 多晶硅薄膜晶粒长大技术84.1结晶初期控制形核使晶粒长大84.2 再结晶技术 . 85 多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势 8 6 结语 9 7 参考文献 9 3 1 绪言照射在地球上的太阳能非常巨大，每 3d 太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和；大约 40min 照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类 1a 能量的消费，是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳能电池可将太阳能直接转化成电能供人类使用，是利用太阳能资源的有效方式，在使用中不会产生任何有害物质，是一种无污染的产品。另外太阳能电池还具有系统运行可靠，长寿命，安装使用方便等优点，所以，太阳能电池在解决能源与环境问题方面倍受青睐，是一种有着极好市场前景的产品，被誉为是理想的能源。2002 年诺贝尔革新获得者澳大利亚新南威尔士大学的马丁 · 格林教授把太阳能电池划分为三代第一代是传统的晶体硅材料太阳能电池；第二代是方兴未艾的薄膜太阳能电池；第三代则是处于设想中的新型高效太阳能电池，包括叠层电池、热载流子电池等 [1]。到目前为止晶体硅包括单品硅及多晶硅太阳能电池始终占有太阳能电池市场份额的85％以上，其优异的特性已为众多成功的应用所证实。常规晶体硅太阳能电池组件中硅片的成本约占 55％～ 60％ [2]，硅片的来源主要有直拉单晶硅、浇铸 /定向凝固多晶硅、电磁浇铸多晶硅。硅片厚度目前常见的是 200um 300um，由于目前制片及封装工艺的限制，要进一步降低硅片的厚度已经比较困难。要使光伏发电真正成为能源体系的组成部分，必须要大幅度地降低成本。薄膜太阳能电池在降低成本方面比晶体太阳能电池具有更大的优势一是实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序；三是薄膜太阳能电池采用廉价衬底陶瓷、不锈钢等，可以获得大面积的电池组件，减少组件间串并联带来的效率损耗。目前研究比较深入的薄膜太阳能电池主要有硅基太阳能电池和铜铟锡、碲化镉等化合物半导体薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池虽在成本上具有一定优势，但光衰退效应严重制约了其发展空间，一些理论问题也有待进一步探索。而铜铟锡、碲化镉等化合物薄膜电池，也因为铟元素含量稀少、镉元素有剧毒等问题，影响其应用化进程。所以，效率稳定、原材料丰富的多晶硅薄膜太阳能电池成为最有希望取得成功的第二代太阳能电池。1 硅太阳能电池的原理1.1 太阳能电池的原理太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件，能产生光伏效应的材料有许多种，如硅系材料单晶硅、多晶硅、非晶硅，化合物半导体砷化镓、硒铟铜等。它们的发电原理基本相同。此类太阳能电池的工作原理是基于 P-N 结的光生伏打效应当 N型半导体与 P 型半导体通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就形成了 P-N 结；由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从 N 型半导体指向 P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移；达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等．如果光照在 P-N 结上，而且光能大于 P-N 结的禁带宽度，则在 P-N 结附近将产生电子空穴对．由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有 “ 光生电流 ” 通过，得到可利用的电能，这就是太阳能电池发电的基本原理．若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。1.2 多晶硅太阳能电池工作原理多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层4 作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。光与半导体的相互作用可以产生光生载流子。当将所产生的电子空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时，两极间会产生电势，称为光生伏打效应，简称 “ 光伏效应 ” [3]。1.3 多晶硅太阳能电池结构特点在半导体太阳能电池中，吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄。对硅来说，在太阳光谱峰值附近 5.0x10 -7m 6.0x10 -7m处，吸收值为 104/cm数量级。从原理上讲，几um厚就可以吸收大部分的能量，但实际多晶硅薄膜的厚度一般是 50um[5]。正因为如此，人们研制了薄膜型太阳能电池，太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层，就需要衬底。当然，衬底材料也应该是便宜的。所以，在大部分的实例中，衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是多晶体或非晶体，而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜，可以通过各种途径形成物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样，有 pn结型、肖特基型、 MIS 型及异质结型等。其不同点在于衬底对半导体薄膜形成工艺的影响，晶界和膜厚的作用，以及薄膜特有的材料、电学方面的性质，这些都是不容忽视的。正是由于这些因素的制约，硅薄膜电池的特性仍落后于单晶硅太阳电池的水平，尚处试验阶段，未达到实用化的程度。1.4 多晶硅电池构成绝缘基板上的电池结构图 1表示以铝为基板的结构。这是一种 n-p-p -Al 基板形式，因为基板是绝缘体，所以需要取出 p一侧的电极，其 Si层的特性是 p层 20um 40um厚，电阻率 10-3欧姆厘米； p层5um 20um厚，杂质浓度为 1016/cm 3； n层 0.4um 4um厚，杂质浓度为 1019/cm3， p层 n层的生长都采用 SiHCl 3外延生长，真空蒸镀铝电极，并蒸镀一层减反射膜，做成 4cm 10cm的太阳电池。图 1 氧化铝为基板的电池构造石墨基板上的电池结构以石墨为基板的硅薄膜太阳电池的结构与图 1结构形式相同。硅层的特性为 p层10um 40um 厚，电阻率 2 3x10-8欧姆厘米； p层 8um 10um，电阻率 0.2 2欧姆厘米；n层 0.2um 0.4um厚，电阻率 1 2x10-3欧姆厘米；石墨基板 3cm x 3cm。1.5 多晶硅电池特性表 1给出在不同基板上形成薄膜硅太阳电池的特性。有关以石墨为基板的薄膜硅太阳电池的电压、电流特性可参考文献 [4] 。5 表 1 在不同基板上形成的硅薄膜电池的特性1.6 多晶硅太阳能电池对薄膜的基本要求利用多晶硅薄膜制备太阳能电池的基本要求为 [10] （ 1）多晶硅薄膜厚度为 5um 150um；（ 2）增加光子吸收；（ 3）多晶硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍；（ 4）少数载流子扩散长度至少是厚度一倍；（ 5）衬底必须具有机械支撑能力；（ 6）良好的背电极；（ 7）背表面进行钝化；（ 8）良好的晶粒界。2 多晶硅薄膜太阳能电池制备方法2.1 半导体液相外延生长法（ LPE法）LPE法生长技术已广泛用于生长高质量和化合物半导体异质结构，如 GaAs、 AlGaAs、Si、 Ge和 SiGe等。 LPE也可以在平面和非平面衬底上生长，能获得结构完美的材料。近年来用 LPE技术生长晶体硅薄膜来制备高效薄膜太阳电池引起了广泛的兴趣。LPE生长可以进行掺杂，形成 n-型和 p-型层， LPE生长设备为通用外延生长设备，生长温度为 300oC-900oC生长速率为 0.2um/min 2um/min ，厚度为 0.5um 100um。外延层的形貌决定于结晶条件，并可直接获得具有绒面结构的外延层。2.2 区熔再结晶法（ ZMR 法）在硅（或其它廉价衬底材料）上形成 SiO2层，用 LPCVD 法在其上沉积硅层（ 3um 5um，晶粒尺寸为 0.01um 0.1um），将该层进行区熔再结晶（ ZMR ）形成多晶硅层。控制 ZMR条件，可使再结晶膜中的腐蚀坑密度由 1x107下降到 1.2x10 6，同时（ 100）晶相面积迅速增加到 90以上。为了满足光伏电池对层厚的要求，在 ZMR 层上用 CVD 法生长厚度为 50um 60um的硅层作为激活层，用扫描加热使其晶粒增大至几毫米，从而形成绝缘层硅（ sol），激活层为 p型，电阻率为 1Ω cm 2Ω cm。为获得高质量的激活层，在进行 LPCVD前，对 ZMR 层表面进行 HCl 处理。为制备多晶硅薄膜太阳电池，在激活层表面进行腐蚀形成绒面结构，并进行 n型杂质扩散形成 p-n结，然后进行表面钝化处理和沉积减反射层，并制备电极，进行背面腐蚀和氢化处理，制作背电极，即制成多晶硅薄膜太阳能电池 [6]。2.3 等离子喷涂法（ PSM ）采用 DC-RF 混合等离子系统，以纯度为 99.9999 、粒度为 50um 150um的 p型晶体硅作6 为原材料，用 Ar气作为携带气体，由 DC-RF 等离子体进行喷涂。原料贮存盒和携带气体管道涂覆 Si-C-N-O 化合物，防止杂质污染。硅粉在高温等离子体中加热熔化，熔化的粒子沉积在衬底上，衬底由加热器加热、沉积前，用红外热偶测试衬底温度，使之保持在 1200oC。沉积室由不锈钢制成，用无油泵抽真空，其真空度为 1.33x10-2Pa。等离子体由 Ar和少量 H构成，沉积时压强 8x10-8。沉积的多晶硅膜厚度为 200um 1000um。多晶硅晶粒尺寸为 20um 50um，沉积速度大于 10um/s。用等离子体喷涂沉积多晶硅薄膜太阳电池，全部采用低温度等离子 CVD 工艺。用碱或酸溶液腐蚀沉积的多晶硅层，在其上于 200oC用等离子 CVD 形成厚度为 200x10 -8cm的微晶硅作为发射层，并制备 ITO 减反射层和银浆电极构成太阳电池。面积为 1cm2，在 AM1.5 、100mW/cm 2条件下，电池转换效率为 η 4.3。2.4 叠加法在较低的温度 300oC下，用叠层技术，在经预先氟化的玻璃衬底上沉积多晶薄膜，该方法类似于 α -Si H薄膜。在低温度下用等离子增强化学气相沉积法沉积大面积多晶硅薄膜。一般 p-型掺杂多晶硅薄膜用叠层技术沉积，其厚度为 0.28mm 5.78mm 。典型的沉积条件为 SiF4流量 60sccm，氢流量为 15sccm，沉积温度为 300oC，微波功率为 200W，压强为 53.3Pa。进行卜型掺杂沉积时，在氢气中混合 10ppmPH3，流量为 18sccm。每次沉积持续和原子氢处理时间为 10s。由于沉积时，掺杂用的 PH3和原 SiF4加入氢等离子体区域，这样可以较好地控制膜中的 P和 Si的比例。在 100K 400K温度范围内，用霍尔效应和电导测量确定其载流子输运特性。实验表明，材料结构是膜厚的函数，霍尔迁移率随膜厚度增加而增加，样品的最高迁移率区是在薄膜表面附近。载流子电导由晶粒间界势垒决定。2.5 化学气相沉积法（ CVD ）用化学气相沉积法（ CVD ），在铝陶瓷衬底上沉积 3um 5um的硅薄膜。为了获得高质量的硅薄膜，铝陶瓷衬底上预先沉积 Si3N4/TiO 2（ 650x10-8cm）双层减反射膜。在硅薄膜沉积时，引入硼掺杂。用 CW-Ar 激光束熔化沉积的硅膜，在氮气氛中， 400oC 500oC下再结晶。制备薄膜太阳电池时，用常规方法进行 p扩散和沉积 ITO 膜，用氢等离子来钝化晶体缺陷。电池也可以采用 MgF 2（ 110x10 -8cm） /TiO2（ 650x10 -8cm）双层减反射膜， MgF 2层用电子束蒸发方法沉积， TiO2层用常压 CVD 沉积。该方法制备的太阳电池厚度为 4.2um，短路电流为 25.2mA/cm 2，开路电压为 0.48V， FF为 0.53， η 6.52。2.6 固相结晶法（ SPC）开始材料 α -Si用 SiH 或 Si2 H辉光放电沉积在平面或绒面衬底上，沉积时加 PH3，形成 p-掺杂层，其作用起增强晶核和形成大晶核的作用。 P-掺杂层典型的厚度为 170nm，在其上沉积不掺杂的 α -Si层。通过改变沉积条件，如压力、功率等来改变不掺杂的 α -Si层的结构。沉积后，在真空中 600oC下进行退火，使 α -Si层进行固相结晶，形成多晶硅。用 Raman光谱研究未掺杂 α -Si结构和多晶硅膜关系，经 Secco腐蚀显露出晶界，用扫描电镜测量晶粒尺寸和密度。用上述 SPC法制备的多晶硅薄膜电池，其结构为衬底采用钨， SPC后 n型多晶硅厚度为10um，在 n型多晶硅上沉积卜型 α -Si和 p型 α -Si，其厚度为 10um，在 p型 α -Si上沉积 70nm的 ITO膜，并沉积金属电极。制作的多晶硅太阳电池，面积为 1cm2，转换效率为 6.3，当波长为900nm时，电池的收集系数为 51，电池少数载流子扩散长度为 11um，最高短路电流7 为 28.4mA/cm 2。 P型掺杂层的 p掺杂大于 1020cm-3。2.7 生长方法及特点对比现将各种多晶硅薄膜生长的主要方法及特点的对比列于表 2表 2 多晶硅薄膜太阳电池的生长方法及特点对比Table.2 polycrystalline silicon thin film solar cell growth methods and characteristics of contrast 3 多晶硅薄膜电池衬底和沉积工艺在太阳能电池中，吸收太阳光能量所需的半导体膜的厚度是很薄的。对硅来说，在太阳光谱峰值附近 500 nm ～ 600 nm处，吸收系数值为 104／ cm数量级，从原理上讲几微米厚度的硅膜，就可以吸收绝大部分的能量。因此人们研制了多晶硅薄膜材料，以降低硅太阳能电池的成本。在廉价衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池能实验室效率已达 18％，远高于非晶硅薄膜太阳能电池的效率。最新研究表明，多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率可接近晶体硅太阳能电池，并且具有光电性能稳定的特点。目前，多晶硅薄膜太阳能电池研究和产业化开发工作主要沿以下几个途径。3.1 在廉价衬底上高温沉积目前所采用的衬底主要有多晶硅衬底或冶金硅衬底、石墨包 SiC衬底，陶瓷衬底，石英衬底，玻璃衬底，甚至有人使用不锈钢衬底。目前所获得的较好结果主要有日本三菱公司在 SiO2衬底上制作的多晶硅薄膜太阳能电池，其效率达 16 5％；德国 Fraunhofer 研究所在石墨和 SiC陶瓷材料衬底上的薄膜太阳能电池，效率分别为 11％和 9． 3％。值得注意的是，在这些较好结果的获得过程中大都采用了 ZMR技术。根据所选用的衬底材料的不同，高温沉积的多晶硅薄膜太阳能电池大致可分为两大类，即低品质硅材料和非硅材料。以低品质硅为衬底的最大优势在于衬底与多晶硅薄膜具有相同的热膨胀系数，如果直接在硅衬底上沉积，多晶硅薄膜将体现良好的外延性能。 S.Reber等人以颗粒硅带 SSP为衬底，采用 PECVD ， APCVD 技术外延生长活性层，制备的多晶硅薄膜太阳能电池的最高效率为 11.2 ％。中科院广州太阳能研究所采用 RTCVD 技术直接在 SSP衬底上外延生长得到转换效率为 6． 05％。非硅衬底主要是指一些陶瓷材料，如氧化铝、莫来石， SiC，氮化硅 Si 3N4， Si02等。这些材料因具有优良的力学性能、稳定的化学性质、优良的耐高温性能，且价格低廉而被大量研究。氧化铝衬底因其低廉的价格和成熟的制备工艺而被广泛研究， G.Beaucame等人利用热化学气相沉积 thermal CVD 在氧化铝衬底上制各的多晶硅薄膜太阳能电池的最高转换效率为 5.5％。氧化铝衬底的一个缺点足氧化铝的热膨胀系数约是硅的 2倍，因此这种不匹配将不可避免地导致多晶硅薄膜内较大的应力。 SiC陶瓷与硅的热膨胀匹配性良好，因此也被用作衬底材料。 Ftaunhofer ISE以 SiSiC陶瓷为衬底，采用 RTCVD 法得到的太阳能电池的最高转换效8 率为 9.3％。利用相似的工艺，分别以氮化硅陶瓷、莫来石陶瓷及石墨为衬底，得到最高效率分别为 9.4％， 8.2％和 11.O ％ [7]。3.2 低温生长低温沉积多晶硅薄膜太阳能电池，由于生长温度低于 600℃，可以采用玻璃为衬底，利用 PECVD 等离子增强化学气相沉积法生长多晶硅薄膜，日本 Kaneka公司制造的太阳能电池的转换效率已达到 10.7％。但由于生长温度低，必须辅以某些晶化技术，薄膜沉积的生长速度也较低，太阳能电池的厚度在 2um～ 10um，必须采取陷光措施。澳大利亚太平洋光伏公司在大面积钢化玻璃上的多晶硅薄膜太阳能电池的效率达到8％，已经进入了商业化最后阶段。3.3 层转移技术在晶硅衬底上生长硅薄膜并制作电池，然后将电池剥离并附在低成本衬底上，从而实现晶硅衬底的反复使用。最先使用的层转移技术是 VEST 工艺，其表面层是热氧化加上再晶化的硅晶种层。利用了多孔硅分离技术的有 PSIPorous SI 工艺、 SPSSintered Porous SI工艺和ELTRANEpitaxial Layer Transfer [9] 工艺。以 Sony公司的多孔硅分离技术为代表，制作的 4cm2多晶硅薄膜太阳能电池的最好转换效率达到 12． 5％。4 多晶硅薄膜晶粒长大技术4.1 结晶初期控制形核使晶粒长大最终的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的大小与沉积初期衬底表面上的晶核密度密切相关，晶核密度越低所得到的多晶硅薄膜的晶粒尺寸就越大。因此可以通过控制沉积初期的形核过程来控制多晶硅薄膜的组织结构。鉴于卤基粒子在 CVD 沉积过程中重要作用，也有文献报道 HCl气体能够抑制晶核的形成。因此在沉积过程中向反应室中引入一定量的含卤气体 HCl或 HF来控制衬底表面的晶核密度，可望获得大晶粒多晶硅薄膜。另一途径是直接在衬底表面种上一定密度的硅晶粒，这些硅晶粒作为气相外延生长的籽晶。具体的做法是将粒度为 1um～ 2um的高质量单晶硅粉做成悬浮液，采用适当的力法将悬浮液铺展于衬底上，高温下使悬浮液蒸发而在衬底表面形成具有一定密度的硅粉颗粒，这些颗粒便可以作为外延生长的籽晶。只要调整硅粉在悬浮液中的浓度，便可以在衬底表面得到不同的晶核密度。从而便可以得到不同晶粒尺寸的多晶硅薄膜。4.2 再结晶技术无论采用低温还是高温沉积技术，所获得的多晶硅硅薄膜晶粒尺寸相对较小，晶界密度大，薄膜质量不高，通常需要经过再结晶技术来增大晶粒尺寸。再结晶技术可以根据处理温度的不同分为低温再结晶技术和高温再结晶技术。低温再结晶技术主要包括固相晶化 SPC、激光诱导晶化和金属诱导晶化等，最主要的高温再结晶技术是区熔再结晶技术 ZMR 。区熔再结晶技术 ZMR 是一种非常有效的晶粒增大技术，其工艺较为成熟并被广泛采用。 ZMR 后的晶粒尺寸往往可以达到几个厘米。5 多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势效率低是目前多晶硅薄膜太阳能电池所面临的 1个主要问题。因此提高廉价衬底上多晶硅薄膜太阳能电池的效率将是今后一个主要研发方向。实际上，目前几乎所有的制备高效体硅太阳能电池的工艺都用在了薄膜太阳能电池的制9 备上。由此看来，多晶硅薄膜太阳能电池的效率的提高主要取决于多晶硅薄膜的质量改进。因此，通过采取各种工艺措施在廉价衬底上制备大晶粒、高质量的多晶硅薄膜将依然是今后多晶硅薄膜太阳能电池研发的核心课题。多晶硅薄膜的沉积技术各种各样，至今还没有定论哪种技术是最佳选择。但也可以看出沉积技术一直是沿着低温沉积和高温沉积 2个方向发展。固这 2条技术路线各有利弊，所以在今后相当长的一段时间内这种局面不会改变 [8] 。衬底材料的选择范围也很宽，最主要的衬底材料包括低成本硅、玻璃及陶瓷。至今还没有定论何种衬底最佳，可以预见在今后相当长的一段时间内这 3种衬底材料的薄膜太阳能电池将共存。6结语综上所述，多晶硅薄膜太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究不深，膜生长技术的不完善，以及薄膜多晶方式在原理上的限制，致使我国的多晶硅薄膜电池还处于实验室阶段。实践证明，科学难题的解决需要长期坚持不懈的努力，而不是急功近利的短期行为。只要从战略高度出发，锲而不舍，就一定会达到成功的彼岸。参考文献[1] 雷永泉 .新能源材料［ M ］ .天津天津大学出版社， 2000.222 266. 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