多晶硅薄膜与非晶硅薄膜太阳能电池对比剖析

多晶硅薄膜与非晶硅薄膜太阳能电池对比剖析

一、多晶硅薄膜太阳能电池详析

1、研发背景与材料节省策略：通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350 - 450μm 的高质量硅片上制成，这种硅片需从提拉或浇铸的硅锭上锯割而来，导致实际消耗的硅材料较多。为节省材料，自 70 年代中期起，人们开始探索在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜。然而，早期生长的硅膜晶粒尺寸较小，难以制成有实用价值的太阳能电池。为获取大尺寸晶粒的薄膜，科研人员持续研究并提出众多方法。

2、制备工艺与技术要点：目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，涵盖低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用于制备。化学气相沉积主要以 SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiCl₄ 或 SiH₄ 为反应气体，在特定保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料常选用 Si、SiO₂、Si₃N₄ 等。但研究发现，在非硅衬底上难以形成较大晶粒，且易在晶粒间形成空隙。解决此问题的一种办法是先用 LPCVD 在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将该非晶硅层退火以得到较大晶粒，然后在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，可见再结晶技术是极为关键的环节，当前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

3、技术集成与效率提升成果：多晶硅薄膜电池除运用再结晶工艺外，还采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这使得制得的太阳能电池转换效率显著提高。例如，德国费莱堡太阳能研究所采用区熔再结晶技术在 FZSi 衬底上制得的多晶硅电池转换效率达 19％，日本三菱公司用该法制备的电池效率为 16.42%。美国 Astropower 公司采用液相外延法制备的电池效率达 12.2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池 “硅粒” 太阳能电池，虽暂无性能报道，但展现了多晶硅薄膜电池技术的多元探索方向。多晶硅薄膜电池因使用的硅材料远少于单晶硅，且无效率衰退问题，还有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池，效率又高于非晶硅薄膜电池，故而有望在未来太阳能电池市场占据主导地位，在大规模地面光伏电站建设等领域有着广阔的应用前景。

二、非晶硅薄膜太阳能电池探究

1、研发关键与发展态势：开发太阳能电池的两大核心问题是提高转换效率和降低成本。非晶硅薄膜太阳能电池因成本低且便于大规模生产而备受关注并迅速发展。早在 70 年代初，Carlson 等就开启了非晶硅电池的研制工作，近年来其研制进程加速，全球众多公司已投入生产。

2、材料特性与效率局限：非晶硅作为太阳能材料虽有优势，但因其光学带隙为 1.7eV，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了其转换效率。此外，其光电效率会随光照时间延续而衰减，即存在光致衰退 S - W 效应，致使电池性能不稳定。

3、叠层电池技术突破：为解决上述问题，叠层太阳能电池应运而生。其制备是在已有的 p、i、n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个 P - i - n 子电池。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键在于：其一，它将不同禁带宽度的材料组合，拓宽了光谱响应范围；其二，顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化小，利于 i 层中的光生载流子抽出；其三，底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；其四，叠层太阳能电池各子电池串联连接。

4、制备方法与研究进展：非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法多样，包括反应溅射法、PECVD 法、LPCVD 法等，反应原料气体为 H₂ 稀释的 SiH₄，衬底主要为玻璃及不锈钢片。通过不同电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池研究取得两大重要进展：一是三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达 13％，创历史新高；二是三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为 9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为上述数值且在小面积（0.25cm²）电池上测得。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超 12.5％，日本中央研究院采用一系列新举措制得的非晶硅电池转换效率达 13.2％。国内南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为 20×20cm²、转换效率为 8.28％的 a - Si/a - Si 叠层太阳能电池。尽管非晶硅太阳能电池转换效率较高、成本低且重量轻，但稳定性欠佳直接影响其实际应用。若能进一步攻克稳定性及转换率提升难题，非晶硅太阳能电池将成为太阳能电池的主要发展产品之一，在分布式光伏系统、建筑一体化光伏应用等领域可发挥更大作用。

三、非晶硅薄膜太阳能电池的优势解读

1、高光吸收系数：非晶硅具有较高的光吸收系数，尤其在 0.3 - 0.75μm 的可见光波段，其吸收系数比单晶硅高出一个数量级。这意味着它对太阳能辐射的吸收率比单晶硅高约 40 倍。仅需约 1μm 厚的非晶硅膜就能吸收 90% 有用的太阳能，这是非晶硅材料最为关键的特性，也是其能成为低成本太阳能电池的核心因素。例如，在一些对空间有限且对光吸收效率要求较高的小型光伏设备中，非晶硅薄膜太阳能电池的这一特性使其能够在较薄的材料厚度下实现较高的电能转换，减少了材料的使用量和设备的体积与重量。

2、高开路电压：非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件不同约在 1.5 - 2.0eV 范围内变化。这种较大的禁带宽度使得制成的非晶硅太阳能电池开路电压高。较高的开路电压有助于提高电池在电路中的输出电压水平，在一些对电压要求较高的应用场景，如与特定的电子元件或电路匹配时，非晶硅太阳能电池能够更好地满足需求，减少了电压转换等额外电路的设计和成本。

3、工艺与设备优势：制备非晶硅的工艺和设备相对简单，淀积温度低（仅约 200 度左右），时间短，非常适合大规模生产。相比之下，制作单晶硅电池通常需要 1000 度以上的高温。非晶硅电池的低温制备工艺不仅降低了能源消耗，还减少了对设备耐高温性能的要求，使得生产设备的成本和维护难度降低。例如，在大规模工业化生产中，较低的制备温度和简单的工艺可以提高生产效率，降低生产成本，同时也降低了生产过程中的安全风险。

4、衬底兼容性强：由于非晶硅不存在晶体硅所需的周期性原子排列，无需考虑材料与衬底间的晶格失配问题，所以几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。这一特性使得非晶硅薄膜太阳能电池在不同应用场景下的适应性更强，可以根据实际需求选择合适的衬底材料，如在建筑玻璃幕墙应用中，可直接将非晶硅薄膜沉积在玻璃上，既实现了光伏发电功能，又不影响建筑的美观和采光，还能充分利用建筑的大面积表面，提高发电总量。

5、低能耗制备：制备非晶硅太阳能电池能耗少，约 100 千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短很多。较低的能耗意味着在生产过程中可以更快地实现能源的收支平衡，减少对环境的能源消耗压力，从能源可持续性角度来看具有显著优势。在能源短缺或对能源消耗有严格限制的地区，非晶硅薄膜太阳能电池的低能耗制备特点使其更具推广价值，有助于加快太阳能光伏发电技术的普及和应用。