鉅大LARGE | 點擊量：2611次 | 2019年03月26日
薄膜太陽能電池經(jīng)過高溫后退火對其光電性能的影響
太陽能電池是一種光電能量轉(zhuǎn)換器件，可以將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑶以谵D(zhuǎn)換過程中沒有任何污染物排放，是最重要的清潔能源之一。隨著人們環(huán)保意識的提高，地球上石油能源的日益衰竭，對于清潔能源的需求越來越旺盛。相比于其他清潔能源，利用半導(dǎo)體的光伏特性進行太陽能的能量轉(zhuǎn)換，具有不受地域限制的優(yōu)點，地球上有陽光的地方，就能利用太陽能電池轉(zhuǎn)換太陽的直接能量和漫射能量硅基的太陽能電池基于電池體材料的差別可以分為：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池雖然在電池的轉(zhuǎn)換效率上僅有8%~10%，但制備成本低，應(yīng)用場合廣泛，如可以應(yīng)用于柔性襯底和節(jié)能建筑上，成為了人們研究的重點。
非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率低于晶硅太陽能電池的主要原因在于非晶硅薄膜中的各種復(fù)合中心密度遠遠高于晶體硅，這導(dǎo)致非晶硅薄膜太陽能電池所產(chǎn)生的光生載流子在電池中運動過程中被復(fù)合，降低了電池的利用效率。因此，如何降低非晶硅薄膜太陽能電池的載流子復(fù)合率成為提高非晶硅薄膜太陽能電池效率的主要研究方向。
一般來說，減少載流子在半導(dǎo)體中的復(fù)合率主要的方法有2種：1）減少材料中的復(fù)合中心密度，從而降低復(fù)合率達到增大光生電流密度的作用；2）減小載流子擴散到電極的距離，從而提高光生電流密度。為了達到以上兩種方法的效果，本文在非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)工藝中設(shè)計了高溫快速退火工藝過程，并對高溫退火后的非晶硅薄膜太陽能電池的光譜響應(yīng)進行了研究。
1薄膜電池的光電特性分析當(dāng)太陽光照射到太陽能電池上，由于存在吸收，光強度隨著光透入的深度按指數(shù)律下降，因此，光生載流子產(chǎn)生率隨著光照的深入而減小。光生電流如式1所示。
其中q為電子電量，Q為在結(jié)的擴散長度內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率，A為PN結(jié)面積，Lp為空穴的擴散長度，Ln為電子的擴散長度。由于電子和空穴必須在勢壘區(qū)內(nèi)實現(xiàn)電荷的分離，因此，發(fā)射區(qū)厚度必須要小于電子或空穴的擴散長度，這是光伏電壓產(chǎn)生的必要條件。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于非晶硅材料中的缺陷密度較高，其載流子的擴散長度與晶體硅電池相比小很多，因此，非晶硅薄膜太陽能電池的發(fā)射區(qū)厚度必須小于晶體硅的發(fā)射區(qū)厚度。利用高溫快速退火的方法一方面可以減少非晶硅薄膜中缺陷的密度，另一方面可以達到通過雜質(zhì)的擴散和相互的補償實現(xiàn)減小發(fā)射區(qū)厚度的目的。因此，本文利用SILVACO軟件進行了非晶硅薄膜太陽能電池的后退火工藝仿真研究。
2非晶硅薄膜太陽能電池模型設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化2.1非晶硅薄膜太陽能電池模型本文設(shè)計的非晶硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)如a所示，仿真電池結(jié)構(gòu)如b所示。該電池的頂電極為ITO（氧化銦錫）透明導(dǎo)電薄膜，電池體由非晶硅PN結(jié)構(gòu)成，底電極為鋁。該結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)。
2.2傳統(tǒng)工藝下電池參數(shù)優(yōu)化所示為非晶硅薄膜太陽能電池中N型區(qū)雜質(zhì)濃度導(dǎo)致電池光譜響應(yīng)及短路電流（4）的變化。從圖中可以看出隨著N型區(qū)雜質(zhì)濃度的增加，電池光譜響應(yīng)及短路電流均下降。隨著N區(qū)雜質(zhì)濃度的增加，N區(qū)的載流子復(fù)合中心密度增加，這必然導(dǎo)致電池的電流密度下降，從而降低了電池的光電性能。
所示為非晶硅薄膜太陽能電池中P型區(qū)雜質(zhì)濃度導(dǎo)致電池光譜響應(yīng)及短路電流的變化。從圖中可以看出隨著P型區(qū)雜質(zhì)濃度的增加，電池的光譜響應(yīng)在短波方向增加，在長波方向降低。這主要因為隨著P型區(qū)雜質(zhì)濃度的增加，PN結(jié)N型耗盡區(qū)展寬，P型耗盡區(qū)變窄，由于短波的吸收主要在表面的N型區(qū)中，因此，N型耗盡區(qū)的擴展有利于提高短波的光譜響應(yīng)同。長波的吸收主要發(fā)生在P型耗盡區(qū)，由于雜質(zhì)濃度增加，P型耗盡區(qū)寬度減小，導(dǎo)致長波的光譜響應(yīng)下降。從b中可以看出，短路電流先增加后減少。
通過對電池摻雜濃度的研究，可以看出較好的非晶硅薄膜太陽能電池摻雜濃度為：N區(qū)雜質(zhì)濃度為1x1016cm-3；P區(qū)雜質(zhì)濃度為1x1017cm-3.3后退火工藝對非晶硅薄膜太陽能電池性能的影響3.1非晶硅薄膜太陽能電池工藝流程分析傳統(tǒng)的非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)工藝流a原理結(jié)構(gòu)圖b仿真結(jié)構(gòu)圖非晶硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖a對光譜響應(yīng)的影響b對短路電流的影響非晶硅薄膜太陽能電池P區(qū)雜質(zhì)濃度對光譜響應(yīng)和短路電流性能的影響程如下：為950.匕起始襯底為：導(dǎo)電玻璃N型非晶娃淀積保護層及電氣聯(lián)接P型非晶硅淀積。設(shè)計后退火工藝制備的非晶硅薄膜太陽能電池的工藝流程如下：3.2退火溫度對電池光電性能的影響所示為退火溫度對非晶硅薄膜太陽能電池光譜響應(yīng)的影響。退火溫度為9001000°C，退火時間為1min.從圖中可以看出，隨著退火溫度的增加，電池的光譜響應(yīng)特性得到改善，在1000C時，可以提高約5.39%.為減小后退火對于非晶硅薄膜中雜質(zhì)再分布的影響且達到退火的效果，且由于N層較薄，P層濃度較高，1000C退火易將N層完全補償，工藝控制難度大，因此選取退火溫度3.3退火時間對電池光電性能的影響所示為退火時間對電池光譜響應(yīng)的影響。選用950C退火，分別進行1~5min的退火。從圖中可以看出，隨著時間的增加，電池的短波光譜響應(yīng)強度逐步增強，但是與退火時間不存在線性關(guān)系，5min退火后，電池的短路電流提高約為6.37%.從中看，經(jīng)過4min退火后，光譜響應(yīng)變化不大，因此，確定在950C退火的條件下，4min的退火時間最為理想。
3.4結(jié)果與分析從和中可以看出經(jīng)過退火處理后，非晶硅薄膜太陽能電池的光譜響應(yīng)性能獲得了提高。且其性能隨著退火溫度和時間的增加而增加。從光譜響應(yīng)上看，經(jīng)過后退火的非晶硅薄膜太陽能電池在短波段的光譜響應(yīng)性能提高，其原因在于經(jīng)過后退火，非晶硅薄膜太陽能電池P型區(qū)和N型區(qū)的雜質(zhì)互相擴散，由于N型區(qū)的雜質(zhì)濃度較P型區(qū)低一個數(shù)量級，高溫退火將使電池中的雜質(zhì)互相擴散、補償，減小了電池的結(jié)深，減少了發(fā)射區(qū)厚度，從而提高了電池的短波響應(yīng)。所示分別為1min退火后，非晶硅薄膜太陽能電池的光譜響應(yīng)曲線。這2種方式退火后，其電池的結(jié)深接近，光譜響應(yīng)性能接近。說明提高退火溫度和增加退火時間可以達到相同的實驗效果，但是，由于在較高溫度下退火所用的時光波長/pma對光譜響應(yīng)的影響b對短路電流的影響退火溫度對非晶硅薄膜太陽能電池光譜響應(yīng)及短路電流的影響光波長/pma對光譜響應(yīng)的影響時間/minb對短路電流的影響電池光譜響應(yīng)及短路電流的影響退火時間對非晶硅薄膜太陽間較短，工藝控制難度大，因此，選用較低的溫度和較長的退火時間更為理想。
光波長/pm2種退火方式對非晶硅薄膜太陽能電池的光譜響應(yīng)的4結(jié)語本文應(yīng)用SILVACO仿真軟件，對非晶硅薄膜太陽能電池的后退火工藝進行了探索。仿真結(jié)果表明，在非晶硅薄膜太陽能電池的生產(chǎn)中增加后退火工藝可以有效地提高薄膜太陽能電池的光譜響應(yīng)性能，特別是短波響應(yīng)。通過比較不同退火工藝條件下電池的光譜響應(yīng)性能，發(fā)現(xiàn)后退火工藝是通過減薄非晶硅薄膜太陽能電池中PN結(jié)的結(jié)深，達到減小發(fā)射區(qū)厚度，提高非晶硅薄膜太陽能電池的光電性能的目的。由于應(yīng)用較高的退火溫度進行退火，需要嚴格控制退火的時間。因此，選用較低退火溫度（950QC），較長退火時間（4mln）的退火工藝更適合非晶硅薄膜太陽能電池的實際生產(chǎn)需要。
