非晶硅薄膜太阳能电池研究进展

第40卷第8期2012年4月广州化工

GuangzhouChemicalIndustryVol．40No．8April．2012

非晶硅薄膜太阳能电池研究进展

1

尹炳坤，蒋

芳

2

（1正泰太阳能科技有限公司，浙江摘

杭州310053；2中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050）

要：介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的发展现状及制约非晶硅薄膜太阳能发展的两个关键性因素：转化效率低、光致衰减。对

近年来提高非晶硅薄膜太阳能转化效率的新技术和非晶硅薄膜太阳能电池光致衰减的特性及模型进行综叙；重点阐述窗口层材料、中

间层、叠层电池等提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的新技术。文章最后对非晶硅膜太阳能电池未来的发展趋势进行了展望。

关键词：非晶硅；叠层电池；光致衰减中图分类号：TK51

文献标识码：A

文章编号：1001－9677（2012）08－0031－04

ResearchProgressona－Si：HThinFilmSolarCells

YINBing－kun1，JIANGFang2

（1AstronergySolarHangzhouCo．，Ltd．，ZhejiangHangzhou310053；2InstituteofCeramicsChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China）

Abstract：Theresearchprogressona－Sithinfilmsolarcellsandtwokeyfactorsrestrictingthedevelopmentofa－Si：Hthinfilmsolar：lowtransformationefficiencyandlight－induceddegradationtestwereintroduced．Thenewtech-niquetoimprovetransformationefficiencyona－Si：Hthinfilmsolarcellsandbothcharacteristicsandmodeloflight－induceddegradationtestofa－Si：Hthinfilmsolarwerereviewed．Windowlayermateriaels，intermediatelayer，lighttrappingstructureandotherallnewtechnologiestoimprovethetransformationefficiencyofa－Si：Hthinfilmsolarwereemphasedon．Thedevelopmenttrendofa－Si：Hthinfilmsolarcellswaspredicted．

Keywords：a－Si：Hthinfilm；lighttrappingstructure；light－induceddegradationtest

1非晶硅薄膜太阳能电池

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

表1

硅基薄膜太阳能电池

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

［1］

薄膜太阳能电池（CdTe）。

薄膜太阳能电池

碲化镉薄膜太阳能电池

铜铟镓硒薄膜太阳能电池

1．量产转化效率10%以上

2．需要突破一些关键技术才能达到批量生产水平3．铟的短缺可能会成为该技术发展的瓶颈4．不具备成形的大规模生产设备

1．转化效率：非晶为6%～7%，非晶/微晶为8．5%～11%2．在产品商业化方面，技术最成熟3．原材料；来源丰富，主要原料为玻璃和硅烷气体4．具有最成熟、最具规模化的生产设备

1．量产转换率10%

2．镉具有毒性

3．一些主流市场较难进入（屋顶系统）4．碲产量较少，将会成为瓶颈5．没有工业化的生产设备

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

5－1

其本征吸收系数高达10cm，使得非晶硅太阳能电个数量级，

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

［2］

称的晶体硅电池的发电量多10%～30%。

虽然非晶硅太阳能电池具有其他太阳能电池不可比拟的优且其产量逐年增加，但增加速度远小于晶体硅电池，市场占势，

有率也逐年减少，根据最新出版的NPDSolarbuzz光伏设备季度

“2011年全球前十大晶硅和薄膜电池厂商排名”，前十名中报告

［3］

仅一家薄膜生产厂家firstsolar。这主要是由于非晶硅太阳能电池在使用的过程中存在致命性弱点：转化效率较低、稳定性

功率衰减严重、寿命短严重影响了消费者的信心制约了其市差，

场的开拓。

2提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的方法

非晶硅的禁带宽度为1．7eV左右，因此导致光电子能量低于1．7eV的光子直接透过非晶硅层，不能被本征层所吸收对光

导生电流基本上无贡献。由于非晶硅材料这种结构上的限制，

致非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流较小。另外，受到光致衰

aSi－H本征层不可能太厚，减的限制，因此导致能量接近于带隙

宽度的那部分光子，在有限的本征层之内并不能被充分地吸收。解决这一问题可以从以下几个方面考虑：

2．1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

［4］

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

Tawada等就使且工艺相对简单的一项技术。早在1981年，受，

用a－SiC：H作为a－Si电池的窗口层，使电池的转化效率达到

［5－6，8］

。2008年朱嘉琦等人通过掺硼获得了光学禁带了7．1%

宽度为2．0eV的非晶金刚石薄膜，使非晶硅太阳能电池的转化

［7、9］

。效率提高了10%

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

这对提高口层要求尽可能的薄；但窗口层太薄会降低内建电场，

［9］

开路电压不利。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。

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

［11］

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

使顶、底电池短路电流密度相匹配，提高叠层电池池的光吸收，

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

又可以提高顶电池的光吸收，底电池能够吸收到足够的太阳光，

［13］

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。

2．3叠层结构太阳能电池

2．2中间陷光层

表2

中间层的研究进展

内容

首次提出在叠层电池中间加入ZnO作为中间

反射层；获得了13．1%的初始转化效率在1cm2的电池中加入中间层，获得了14．1%的初始转化效率

在1cm2的电池中加入中间层，获得了14．7%的初始转化效率

面积为910×455mm2的组件引入中间层，短路电流密度提高了19．0%

一种新的中间层600nm波长下的折射率为1．7，使面积为1cm2的叠层电池的初始转化效率达到了15．0%

通过从光学、电学角度模拟了叠层电池的特性；通过引入中间层、理想的绒度、有效降低前电极对光的吸收等优化措施，叠层电池可获得15．0%以上的转化效率

研究者FischerDYamamotoKYamamotoKYamamotoK

年度[**************]5

大面积产业化的非晶硅组件的效率只有5%～7%，严重影响了产业化的发展。叠层太阳能电池是提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的有效途径之一。由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子，太阳光中能量较小的光子将透过电池造成能量浪费。因此单节太阳能电池的转化效率一般较低。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

IMTNeu-两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。1994年，右，

chatel小组首次提出uc－Si：H/a－Si：H叠层太阳能电池。在1997年报道了稳定效率超过10．0%的该系列电池［12］。2001年该研发小组报道了uc－Si：H/a－Si：H叠层太阳能实验室稳定转化效率在10%～12%。2004年日本Kaneka公司成功制备出一

2［14］

个面积0．5m，稳定效率超过9．0%的模块。Shah通过计算

［15］

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

。

YamamotoK2006

KrcJ2006

在非晶硅/微晶硅（a－Si/μc－Si）叠层太阳电池中，为了获

通常将顶电池非晶硅层设计的很薄，因此顶电得良好的稳定性，

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

提路电流密度（Jsctandem）常受顶电池电流密度的限制。因而，

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

IMT小组最叠层电池效率的关键问题之一。为了解决此问题，

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

［10］

池间引入中间层（inter－layer）的新结构。引入折射率与非晶

图1a－Si/uc－Si叠层电池

续表3

3光致衰减

随着非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的提高，为了提高其

使得研究如何降低非晶硅薄膜太阳能电池衰减的市场占有率，

问题更为紧迫。

Powell

在热平衡DB和光生DB的基础上，考虑到形

“defectpool”成带尾态的弱Si－Si键与造成分布宽的能隙

“defectpool”模型态DB之间的可能转换，提出了

模型

3．1光致衰减的特征

非晶硅薄膜的光致衰减效应是Stacbler和Wronski在1977

年发现的，他们发现光照会减少非晶硅薄膜的暗电导率和光电导率。后来Stacbler以及Tsuda等又相继报道了光照引起非晶硅太阳能电池性能变化，于是这一现象开始受到人们重视。

非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减现象有如下特征：（1）最初效率衰减很快，以后逐渐缓慢，趋于饱和；

150～200℃退火可恢复原有的性（2）光致衰减是可逆的，

［16］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

太阳能电池在开路时，其光致衰减最为严本身所处的状态有关，

其光致衰减最小；有一定的负荷、处于工作状态重；而在短路时，

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

［17］

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。

较长时间的强光照射或电流通过使a－Si：H薄膜使用性能

［16］

内部缺陷增加的现象，称为光致衰减效应。光致衰减效下降、

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。多年来，国内

提出了外科学工作者围绕光致衰减效应做了大量的研究工作，

［17］

大量的物理模型，但至今仍没有形成统一的观点。

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。

4展望

联合国能源机构发布的调查报告显示，光伏建筑一体化（BIPV）将成为本世际光伏市场的热点。生态城市、绿色城市、低碳城市，无论哪个概念都离不开光伏建筑一体化的应用。随着光伏建筑一体化的发展，薄膜太阳能电池必将占据大片光伏市场。而硅基薄膜太阳能电池随着研究的深入，转化效率提高、衰

加上其原材料丰富、无毒、成本低廉必将占据更为重减率下降，

要的市场份额。

参考文献

3．2光致衰减的机理及物理模型

表3

光致衰减模型

模型内容

两个载流子在弱Si－Si键附近复合；载流子复合的一部分能量以声子的非辐射方式释放出来，使膜中弱Si－Si键断裂，生成两个临时悬挂键（DB）；这两个悬挂键（DB）有可能重新形成与原来一样的Si－Si弱键，但为了达到更稳定的亚稳状态，邻近原子在小范围内发生重构，新生的悬挂键（DB）与Si－X（X为除Si外的原子）键交换位置而达到相对稳定H从Si－H键中脱离出来并在a－Si∶H中移动，这种移动的H造成了弱Si－Si的热力学断裂，由此形成两个悬挂键DB缺陷

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（下转第57页）

研究者模型

Stutzmann、

弱键断裂

Jackson

（SJT）模型

和Tsai

DB，Street

“H玻璃”模型

Branz

由于光诱导作用而使Si－H键断开，形成1

个悬挂键和1个可移动的H原子。当两个可以自由移动的H原子在运动过程中在弱

H碰撞模型

Si－Si键附近发生碰撞时，弱的Si－Si键断裂，形成了亚稳的不可移动的化合物（Si－H）2，增加了2个悬挂键。

H原子在薄膜中扩散，插入到弱Si－Si键中形

H从Si－H－Si中成Si－H－Si中间体；接着，

间体中逸出，弱Si－Si断开或发生结构弛豫进行局部结构重组，从而形成强Si－Si键，这时Si－Si的键长和键角非常接近晶体硅。

Sriraman

Si－H－Si桥键模型

安全性能控制和产品质量控制的双重要求，以提高产品质量及

［15］

运行安全性。

（3）最优的性能价格比；性能包括技术性能、操作性能、可靠性及售后服务等。

（4）系统简单方便；表现为系统集成简便，使用维护方便。此外，根据具体工艺流程的特点，所选择的控制方案还应该具备以下功能：

（1）顺序控制功能；温度、压力、被控对象的状态等，都用来作为各操作阶段转换的条件。

（2）离散控制功能；阀的开闭、泵的启停等。（3）调节控制功能；对温度、pH值等工艺参数进行连压力、续的调节。

（4）操作界面显示功能；如温度显示、液位、压力显示等。（5）其它特殊的功能；如：配方处理功能、动态协调功能、生产调度与跟踪功能等。

总之，根据染料生产过程的特点及其具体的控制需求选择合适的控制方案是非常重要的，是实现染料生产自动控制的前提。在生产过程中，还应该不断改进控制手段，完善控制方案，使自动控制水平不断提高，日趋合理。

控制技术才会得到普遍推广和广泛应用，染料行业的综合自动

化水平也才会日益提高。

参考文献

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2008，11：51－56．华南理工大学学报，

4展望

染料生产过程的特殊性，以及快速多变的市场需求，给自动

控制技术的应用带来了极大的挑战。自动控制技术的应用，可

质量控制和安全控制水平，给以提高染料生产过程的工况监控、

染料生产企业带来更好的经济效益（提高生产效率及产品质量）和社会效益（减轻工人的劳动强度，减轻有毒有害介质对工人的危害，降低对生产工人的工艺技术要求），增强企业的市场竞争力。

通过加大染料生产过程自动控制重要性的宣传力度，让染料生产厂家能够充分认识到自动控制的必要性以及实现自动控制的可能性，提升染料生产厂家对提高自动控制水平的愿望，对推动我国染料生产过程自动化是非常重要的。只有越来越多的从业人员关心和了解染料的自动化事业，染料生产过程的自动

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵

（上接第33页）

［11］J．Meier，J．Spitznagel，U．Kroll，etal．Potentialofamorphousand

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第40卷第8期2012年4月广州化工

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1

尹炳坤，蒋

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2

（1正泰太阳能科技有限公司，浙江摘

杭州310053；2中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050）

要：介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的发展现状及制约非晶硅薄膜太阳能发展的两个关键性因素：转化效率低、光致衰减。对

近年来提高非晶硅薄膜太阳能转化效率的新技术和非晶硅薄膜太阳能电池光致衰减的特性及模型进行综叙；重点阐述窗口层材料、中

间层、叠层电池等提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的新技术。文章最后对非晶硅膜太阳能电池未来的发展趋势进行了展望。

关键词：非晶硅；叠层电池；光致衰减中图分类号：TK51

文献标识码：A

文章编号：1001－9677（2012）08－0031－04

ResearchProgressona－Si：HThinFilmSolarCells

YINBing－kun1，JIANGFang2

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Abstract：Theresearchprogressona－Sithinfilmsolarcellsandtwokeyfactorsrestrictingthedevelopmentofa－Si：Hthinfilmsolar：lowtransformationefficiencyandlight－induceddegradationtestwereintroduced．Thenewtech-niquetoimprovetransformationefficiencyona－Si：Hthinfilmsolarcellsandbothcharacteristicsandmodeloflight－induceddegradationtestofa－Si：Hthinfilmsolarwerereviewed．Windowlayermateriaels，intermediatelayer，lighttrappingstructureandotherallnewtechnologiestoimprovethetransformationefficiencyofa－Si：Hthinfilmsolarwereemphasedon．Thedevelopmenttrendofa－Si：Hthinfilmsolarcellswaspredicted．

Keywords：a－Si：Hthinfilm；lighttrappingstructure；light－induceddegradationtest

1非晶硅薄膜太阳能电池

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

表1

硅基薄膜太阳能电池

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

［1］

薄膜太阳能电池（CdTe）。

薄膜太阳能电池

碲化镉薄膜太阳能电池

铜铟镓硒薄膜太阳能电池

1．量产转化效率10%以上

2．需要突破一些关键技术才能达到批量生产水平3．铟的短缺可能会成为该技术发展的瓶颈4．不具备成形的大规模生产设备

1．转化效率：非晶为6%～7%，非晶/微晶为8．5%～11%2．在产品商业化方面，技术最成熟3．原材料；来源丰富，主要原料为玻璃和硅烷气体4．具有最成熟、最具规模化的生产设备

1．量产转换率10%

2．镉具有毒性

3．一些主流市场较难进入（屋顶系统）4．碲产量较少，将会成为瓶颈5．没有工业化的生产设备

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

5－1

其本征吸收系数高达10cm，使得非晶硅太阳能电个数量级，

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

［2］

称的晶体硅电池的发电量多10%～30%。

虽然非晶硅太阳能电池具有其他太阳能电池不可比拟的优且其产量逐年增加，但增加速度远小于晶体硅电池，市场占势，

有率也逐年减少，根据最新出版的NPDSolarbuzz光伏设备季度

“2011年全球前十大晶硅和薄膜电池厂商排名”，前十名中报告

［3］

仅一家薄膜生产厂家firstsolar。这主要是由于非晶硅太阳能电池在使用的过程中存在致命性弱点：转化效率较低、稳定性

功率衰减严重、寿命短严重影响了消费者的信心制约了其市差，

场的开拓。

2提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的方法

非晶硅的禁带宽度为1．7eV左右，因此导致光电子能量低于1．7eV的光子直接透过非晶硅层，不能被本征层所吸收对光

导生电流基本上无贡献。由于非晶硅材料这种结构上的限制，

致非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流较小。另外，受到光致衰

aSi－H本征层不可能太厚，减的限制，因此导致能量接近于带隙

宽度的那部分光子，在有限的本征层之内并不能被充分地吸收。解决这一问题可以从以下几个方面考虑：

2．1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

［4］

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

Tawada等就使且工艺相对简单的一项技术。早在1981年，受，

用a－SiC：H作为a－Si电池的窗口层，使电池的转化效率达到

［5－6，8］

。2008年朱嘉琦等人通过掺硼获得了光学禁带了7．1%

宽度为2．0eV的非晶金刚石薄膜，使非晶硅太阳能电池的转化

［7、9］

。效率提高了10%

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

这对提高口层要求尽可能的薄；但窗口层太薄会降低内建电场，

［9］

开路电压不利。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。

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

［11］

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

使顶、底电池短路电流密度相匹配，提高叠层电池池的光吸收，

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

又可以提高顶电池的光吸收，底电池能够吸收到足够的太阳光，

［13］

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。

2．3叠层结构太阳能电池

2．2中间陷光层

表2

中间层的研究进展

内容

首次提出在叠层电池中间加入ZnO作为中间

反射层；获得了13．1%的初始转化效率在1cm2的电池中加入中间层，获得了14．1%的初始转化效率

在1cm2的电池中加入中间层，获得了14．7%的初始转化效率

面积为910×455mm2的组件引入中间层，短路电流密度提高了19．0%

一种新的中间层600nm波长下的折射率为1．7，使面积为1cm2的叠层电池的初始转化效率达到了15．0%

通过从光学、电学角度模拟了叠层电池的特性；通过引入中间层、理想的绒度、有效降低前电极对光的吸收等优化措施，叠层电池可获得15．0%以上的转化效率

研究者FischerDYamamotoKYamamotoKYamamotoK

年度[**************]5

大面积产业化的非晶硅组件的效率只有5%～7%，严重影响了产业化的发展。叠层太阳能电池是提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的有效途径之一。由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子，太阳光中能量较小的光子将透过电池造成能量浪费。因此单节太阳能电池的转化效率一般较低。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

IMTNeu-两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。1994年，右，

chatel小组首次提出uc－Si：H/a－Si：H叠层太阳能电池。在1997年报道了稳定效率超过10．0%的该系列电池［12］。2001年该研发小组报道了uc－Si：H/a－Si：H叠层太阳能实验室稳定转化效率在10%～12%。2004年日本Kaneka公司成功制备出一

2［14］

个面积0．5m，稳定效率超过9．0%的模块。Shah通过计算

［15］

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

。

YamamotoK2006

KrcJ2006

在非晶硅/微晶硅（a－Si/μc－Si）叠层太阳电池中，为了获

通常将顶电池非晶硅层设计的很薄，因此顶电得良好的稳定性，

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

提路电流密度（Jsctandem）常受顶电池电流密度的限制。因而，

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

IMT小组最叠层电池效率的关键问题之一。为了解决此问题，

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

［10］

池间引入中间层（inter－layer）的新结构。引入折射率与非晶

图1a－Si/uc－Si叠层电池

续表3

3光致衰减

随着非晶硅薄膜太阳能电池转化效率的提高，为了提高其

使得研究如何降低非晶硅薄膜太阳能电池衰减的市场占有率，

问题更为紧迫。

Powell

在热平衡DB和光生DB的基础上，考虑到形

“defectpool”成带尾态的弱Si－Si键与造成分布宽的能隙

“defectpool”模型态DB之间的可能转换，提出了

模型

3．1光致衰减的特征

非晶硅薄膜的光致衰减效应是Stacbler和Wronski在1977

年发现的，他们发现光照会减少非晶硅薄膜的暗电导率和光电导率。后来Stacbler以及Tsuda等又相继报道了光照引起非晶硅太阳能电池性能变化，于是这一现象开始受到人们重视。

非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减现象有如下特征：（1）最初效率衰减很快，以后逐渐缓慢，趋于饱和；

150～200℃退火可恢复原有的性（2）光致衰减是可逆的，

［16］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

太阳能电池在开路时，其光致衰减最为严本身所处的状态有关，

其光致衰减最小；有一定的负荷、处于工作状态重；而在短路时，

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

［17］

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。

较长时间的强光照射或电流通过使a－Si：H薄膜使用性能

［16］

内部缺陷增加的现象，称为光致衰减效应。光致衰减效下降、

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。多年来，国内

提出了外科学工作者围绕光致衰减效应做了大量的研究工作，

［17］

大量的物理模型，但至今仍没有形成统一的观点。

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。

4展望

联合国能源机构发布的调查报告显示，光伏建筑一体化（BIPV）将成为本世际光伏市场的热点。生态城市、绿色城市、低碳城市，无论哪个概念都离不开光伏建筑一体化的应用。随着光伏建筑一体化的发展，薄膜太阳能电池必将占据大片光伏市场。而硅基薄膜太阳能电池随着研究的深入，转化效率提高、衰

加上其原材料丰富、无毒、成本低廉必将占据更为重减率下降，

要的市场份额。

参考文献

3．2光致衰减的机理及物理模型

表3

光致衰减模型

模型内容

两个载流子在弱Si－Si键附近复合；载流子复合的一部分能量以声子的非辐射方式释放出来，使膜中弱Si－Si键断裂，生成两个临时悬挂键（DB）；这两个悬挂键（DB）有可能重新形成与原来一样的Si－Si弱键，但为了达到更稳定的亚稳状态，邻近原子在小范围内发生重构，新生的悬挂键（DB）与Si－X（X为除Si外的原子）键交换位置而达到相对稳定H从Si－H键中脱离出来并在a－Si∶H中移动，这种移动的H造成了弱Si－Si的热力学断裂，由此形成两个悬挂键DB缺陷

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（下转第57页）

研究者模型

Stutzmann、

弱键断裂

Jackson

（SJT）模型

和Tsai

DB，Street

“H玻璃”模型

Branz

由于光诱导作用而使Si－H键断开，形成1

个悬挂键和1个可移动的H原子。当两个可以自由移动的H原子在运动过程中在弱

H碰撞模型

Si－Si键附近发生碰撞时，弱的Si－Si键断裂，形成了亚稳的不可移动的化合物（Si－H）2，增加了2个悬挂键。

H原子在薄膜中扩散，插入到弱Si－Si键中形

H从Si－H－Si中成Si－H－Si中间体；接着，

间体中逸出，弱Si－Si断开或发生结构弛豫进行局部结构重组，从而形成强Si－Si键，这时Si－Si的键长和键角非常接近晶体硅。

Sriraman

Si－H－Si桥键模型

安全性能控制和产品质量控制的双重要求，以提高产品质量及

［15］

运行安全性。

（3）最优的性能价格比；性能包括技术性能、操作性能、可靠性及售后服务等。

（4）系统简单方便；表现为系统集成简便，使用维护方便。此外，根据具体工艺流程的特点，所选择的控制方案还应该具备以下功能：

（1）顺序控制功能；温度、压力、被控对象的状态等，都用来作为各操作阶段转换的条件。

（2）离散控制功能；阀的开闭、泵的启停等。（3）调节控制功能；对温度、pH值等工艺参数进行连压力、续的调节。

（4）操作界面显示功能；如温度显示、液位、压力显示等。（5）其它特殊的功能；如：配方处理功能、动态协调功能、生产调度与跟踪功能等。

总之，根据染料生产过程的特点及其具体的控制需求选择合适的控制方案是非常重要的，是实现染料生产自动控制的前提。在生产过程中，还应该不断改进控制手段，完善控制方案，使自动控制水平不断提高，日趋合理。

控制技术才会得到普遍推广和广泛应用，染料行业的综合自动

化水平也才会日益提高。

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4展望

染料生产过程的特殊性，以及快速多变的市场需求，给自动

控制技术的应用带来了极大的挑战。自动控制技术的应用，可

质量控制和安全控制水平，给以提高染料生产过程的工况监控、

染料生产企业带来更好的经济效益（提高生产效率及产品质量）和社会效益（减轻工人的劳动强度，减轻有毒有害介质对工人的危害，降低对生产工人的工艺技术要求），增强企业的市场竞争力。

通过加大染料生产过程自动控制重要性的宣传力度，让染料生产厂家能够充分认识到自动控制的必要性以及实现自动控制的可能性，提升染料生产厂家对提高自动控制水平的愿望，对推动我国染料生产过程自动化是非常重要的。只有越来越多的从业人员关心和了解染料的自动化事业，染料生产过程的自动

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵

（上接第33页）

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