大面積單結(jié)集成型a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)與制備的實現(xiàn)
1引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/176458.htm眾所周知,利用太陽能有許多優(yōu)點,光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源,但目前來講,要使太陽能發(fā)電具有較大的市場,被廣大的消費者接受,提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率,降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo),從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。從工業(yè)化發(fā)展來看,重心已由單晶向多晶方向發(fā)展,主要原因為;[1]可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少;[2] 對太陽電池來講,方形基片更合算,通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料;[3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展,全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期(50小時)可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠,晶粒的尺寸達(dá)到厘米級;[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快,其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)。
a-Si:H太陽電池的出現(xiàn),猶如一道曙光,照亮了太陽電池大規(guī)模地面向應(yīng)用的道路,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,其制備工藝日趨穩(wěn)定和成熟,它巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和廉價的制備工藝向人們說明:太陽能要從補充能源走向替代能源,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和制備方法是必須采納的,否則太陽電池昂貴的價格將會成為其發(fā)展的瓶頸。本文闡述了a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備分析,同時對影響其性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了討論。
2大面積單結(jié)集成型a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)
a-Si:H太陽電池是在玻璃基板上利用輝光放電沉積形成非晶硅PIN結(jié)構(gòu)的平板式光電換能器件,單電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)太陽光照射到電池上時,電池吸收光能產(chǎn)生電子-空穴對,在光電池的內(nèi)建電場作用下,光生電子和空穴被分離,光電池的兩端出現(xiàn)異性電荷積累,即產(chǎn)生光生電壓,若在兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載,則負(fù)載中就有光生電流流過,從而獲得功率輸出。圖2示出了a-Si:H太陽電池的等效電路。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(fù)載電阻。
目前,a-Si:H單電池的開路電壓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有用處,若要輸出較高的電壓和較大的電流,就必須在結(jié)構(gòu)上采取有效的串并聯(lián)措施。
圖1a-Si:H單電池結(jié)構(gòu) 圖2a-Si:H太陽電池的等效電路
2.2 集成型a-Si:H太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為了獲得一定的功率輸出,就必須把眾多的a-Si:H太陽電池有效地串并聯(lián)起來,然而,a-Si:H太陽電池是一種薄膜器件,靠外引線串聯(lián)既不可靠也不方便,因而在制備時就必須考慮在內(nèi)部集成。圖3示出了它的內(nèi)部集成結(jié)構(gòu)圖。圖中1、2、3、4為四個單電池,組合形式為串聯(lián),電流流動方向如圖中所示。
圖3集成型a-Si:H太陽電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
若要設(shè)計一個給6V、4AhVRLA蓄電池充電的a-Si:H太陽電池組件,那么所需的太陽電池組件的工作電壓為:
Um≥3×UT+Ud=8V
式中:UT為VRLA蓄電池的過充閾值電壓,Ud為防反充二極管的正向壓降。
由于單節(jié)a-Si:H太陽電池的工作電壓約為0.55V,則至少需15節(jié)電池串聯(lián),若按C/10的電流充電,則所需的a-Si:H太陽電池組件的輸出電流至少應(yīng)大于400mA,那么單節(jié)太陽電池的面積至少應(yīng)大于37cm2,考慮到內(nèi)部串聯(lián)布線所占的面積,最后單節(jié)太陽電池的面積取為1×51cm2.
因此所要求的a-Si:H太陽電池組件為15節(jié)單電池面積為1×51cm2的太陽電池串聯(lián)。
a-Si:H太陽電池由多層薄膜有機結(jié)合而成,制備時按圖4的工藝順序制作。
圖4a-Si:H太陽電池工藝順序
3.1TCO的制備
TCO玻璃是指在平板玻璃表面通過物理或化學(xué)鍍膜方法均勻的鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜(Transparent CONductive Oxide)而形成的組件。對于薄膜太陽能電池來說,由于中間半導(dǎo)體層幾乎沒有橫向?qū)щ娦阅?,因此必須使用TCO玻璃有效收集電池的電流,同時TCO薄膜具有高透和減反射的功能讓大部分光進(jìn)入吸收層。TCO玻璃的生產(chǎn)工藝TCO玻璃工藝主要分為超白浮法玻璃生產(chǎn)、TCO鍍膜。超白浮法玻璃生產(chǎn)工藝難度較高,目前世界上主要供應(yīng)商有日本旭硝子、美國PPG、法國圣戈班等,國內(nèi)供應(yīng)廠家有限,目前僅金晶科技、南玻、信義能夠供貨。
TCO為絨面SnO2:F薄膜,它可由化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝來制備,制備選用平直度好、透射率高、新鮮、無污染、無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爐開始沉積,發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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(shù)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)輝光放電物理過程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù),此法的優(yōu)點是沉積速率快,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用來實現(xiàn)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)。通過改變沉積過程中的氣體分壓比,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(qū),因而其成膜質(zhì)量直接影響到a-Si:H太陽電池的性能,其性能主要由制備時的放電功率、基體溫度、反應(yīng)壓力和氣體流量來決定。成膜過程中,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用來實現(xiàn)材料攙雜。a-Si:H:P薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性能同基體溫度、氣源配比、反應(yīng)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程中,反應(yīng)壓力、放電時間、氣體流量和反應(yīng)室溫度均由計算機自動監(jiān)測和控制,所需的控制參數(shù)由軟件來實現(xiàn)。
各層薄膜制備完畢后,將組件放到機械梳刻臺上械梳,刻線線寬應(yīng)小于0.2mm,硅刻線應(yīng)緊貼在激光刻線的近旁,兩者的公差為0.2~0.7mm,刻透率應(yīng)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太陽電池中,鋁不但用作各子電池的負(fù)極,而且它將各單電池在結(jié)構(gòu)上串聯(lián)起來。除此之外,鋁薄膜還可反射沒有被非晶硅合金層吸收的長波限光子,增加太陽電池對光的利用率。
按上述要求設(shè)計制備出的集成型a-Si:H太陽電池組件,在美國CHRONAR公司的太陽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(biāo)準(zhǔn)光強,AM1.5,100mW/cm2,25℃。從結(jié)果來看,達(dá)到了設(shè)計要求。
圖5實驗集成型a-Si:H太陽電池的輸出特性
4結(jié)論
集成型a-Si:H太陽電池結(jié)構(gòu)簡單,制備工藝成本較低,容易設(shè)計成不同的形式以滿足不同的用戶需求。它的出現(xiàn),極大的促進(jìn)了整個太陽電池行業(yè)的發(fā)展。
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