收稿日期：２００８－０１－１６
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｃｐｅｎｇ２００２＠１６３．ｃｏｍ专家论坛
ＥｘｐｅｒｔＦｏｒｕｍ
彭英才１，２，姚国晓３，马蕾１，王侠１
（１．河北大学电子信息工程学院，河北保定０７１００２；
２．中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京１０００８３；
３．中国天威英利新能源有限公司，河北保定０７１０５１）
摘要：多晶Ｓｉ薄膜对可见光进行有效地吸收、光照稳定性好、制作成本低，被公认为是高效率和低成本的光伏器件材料。以提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率为主线，介绍了增大晶粒尺寸以增加载流子迁移率、进行表面和体内钝化以减少复合中心、设计ｐ－ｉ－ｎ结构以增加光收集效率、制作绒面结构以提高对入射光的吸收效果、改进电池结构以谋求最大效率等工艺措施；综述了近５年来多晶Ｓｉ薄膜电池在材料生长、结构制备和性能参数方面取得的最新进展，并对其发展前景做了预测。 关键词：多晶Ｓｉ薄膜；大晶粒；氢钝化；ｐ－ｉ－ｎ结构；太阳电池；转换效率
中图分类号：ＴＭ９１４．４２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４７７６（２００８）０４－０１８７－０６
hxi>文摘卡ＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＥｎｈａｎｃｅＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
麦克风咪头ＳｉｌｉｃｏｎＴｈｉｎＦｉｌｍＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ
ＰｅｎｇＹｉｎｇｃａｉ１，２，ＹａｏＧｕｏｘｉａｏ３，ＭａＬｅｉ１，ＷａｎｇＸｉａ１顶空瓶
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００２，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；
３．ＴｉａｎｗｅｉＹｉｎｇｌｉＮｅｗＥｎｅｒｇｙＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１０５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓａｒｅｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｄｅｖｉｃｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｅｓｓｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｓｕｃｈａｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｒｙｓ－ｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｇｒａｉｎｓｉｚｅｔｏｅｎｈａｎｃｅｍｉｎｏｒｉｔｙｃａｒｒｉｅｒｍｏｂｉｌｉｔｙ，ｕｓｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｔｏｒｅｄｕｃｅｎｕｍ－ｂｅｒｓｏｆｍｉｎｏｒｉｔｙｃａｒｒｉｅｒｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒｓ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐ－ｉ－ｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｅｌｅｖａｔｅｌｉｇｈｔｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｆａｂｒｉ－ｃａｔｉｎｇｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｔｌｉｇｈｔ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｃｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｂｏｏｓｔｔｈｅｉｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ．Ｔｈｅｌａｔｅｓｔｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｏｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆｃｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｅｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｏｍｉｓｉｎｇｆｕｔｕｒｅｉｓｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓ；ｌａｒｇｅｒｇｒａｉｎｓ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ；ｐ－ｉ－ｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｏ－ｌａｒｃｅｌｌ；ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ＰＡＣＣ：８６３０Ｊ；７２４０
彭英才等：提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的途径
０引言
随着世界能源需求的日益增加和传统能源对环境污染的日趋严重，实现无污染和无公害的新能源已经成为各国政府可持续发展能源的战略决策。太阳光是取之不尽、用之不竭的清洁能源，而太阳光发电则是大规模经济利用新能源的重要手段。
在各种太阳电池的制作中，Ｓｉ基太阳电池占据着重要地位。而在Ｓｉ系太阳电池中，晶体Ｓｉ太阳电池的转换效率较高，技术也最为成熟。但是晶体Ｓｉ太阳电池造价也比较昂贵，如果没有政府给予补贴，在现阶段大规模进入民用系统还有较大难度。而且，随着近年来晶体Ｓｉ太阳电池产业的迅速发展，出现了多晶Ｓｉ原料日益短缺的局面，即使将目前使用的晶体硅硅片的厚度减薄到２００μｍ以下，也难以在短时间内缓解Ｓｉ原料供应需求紧张的局面，严重阻碍了晶体Ｓｉ太阳电池的发展。
目前，采用α－Ｓｉ－Ｈ或非晶硅薄膜制备的太阳电池的转换效率相对较低，在长时间光照下还会产生较大的光致衰减效应，使其应用受到一定限制。与上述两种Ｓｉ基太阳电池相比，多晶Ｓｉ薄膜太阳电池因具有硅原料使用少、制作成本低廉和转换效率较高的优势，因而具有广阔的发展前景。 依据上述分析人们认识到，采用多晶Ｓｉ薄膜结构来制作太阳电池将是一个可行的选择。理论和实验研究都表明，多晶Ｓｉ薄膜电池集晶体Ｓｉ和α－Ｓｉ：Ｈ薄膜电池的优点为一体，即：具有和晶体Ｓｉ电池可比较的电池转换效率、类似的光照稳定性和每瓦使用较少硅料的特点，因此被公认为是高效率和低能耗的理想光伏器。如果能采用多晶Ｓｉ薄膜和非晶Ｓｉ薄膜组成的双层结构，设计具有高转换效率的多结薄膜太阳能电池并进行低成本的生产，将会非常有效地缓解Ｓｉ原料供应紧张的局面，推进太阳电池的进一步发展和应用。因此，如何制作高效率、低成本和长寿命的多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，已成为世界科学家共同感兴趣的课题［１－３］。
本文以如何提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的主要工艺措施为主线，介绍了近５年来多晶Ｓｉ薄膜太阳电池在材料生长、结构制备和性能参数方面取得的某些新进展，并对其发展前景进行初步预测。１提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的主要途径
光电转换效率是标征太阳能电池光伏性能的主要参数，而转换效率的高低又与其开路电压、短路电流和填充因子直接相关。下面介绍改善多晶Ｓｉ薄膜太阳能电池效率的几项重要工艺措施。
１．１增大晶粒尺寸
多晶Ｓｉ薄膜是由许多大小不等且具有不同结晶取向的晶粒组成的膜层结构。在晶粒与晶粒之间存在着大量无序的界面，称为晶粒界面或晶界。由于在晶界中存在着悬挂键、杂质或缺陷产生的复合中心，因而会大大降低太阳电池的转换效率。近年的研究指出，进一步增大晶粒尺寸是一种制备优质多晶Ｓｉ薄膜的有效工艺措施。因为增大晶粒尺寸，一方面会增加载流子的扩散长度，从而使迁移率和电导率进一步增加；另一方面，晶粒尺寸的增大可以使晶界数量减少，通过钝化晶界和使晶粒具有择优取向，从而避开因晶界对载流子复合所造成的不利影响，可以提高少数载流子的寿命［４］。为了实现大晶粒和高质量多晶Ｓｉ薄膜的生长，人们已发展了多种工艺方法，归纳起来，大体有如下两种：一种是先在衬底表面上沉积α－Ｓｉ薄膜，然后通过Ａｌ诱导固相晶化的方法使其转化为多晶Ｓｉ薄膜；另一种是利用不同的化学气相沉积方法，通过控制薄膜自身的成核过程，在衬底表面上直接形成多晶Ｓｉ薄膜。
１．１．１通过直接控制成核过程实现大晶粒生长２０００年，Ｒ．Ａ．Ｐｕｇｌｉｓｉ等人［５］采用α－Ｓｉ膜的低压化学气相沉积（ＬＰＣＶＤ）选择成核和其后的固相外延相结合的方法，获得了具有大晶粒尺寸的多晶Ｓｉ薄膜。当由硼（Ｂ）和磷（Ｐ）作为成核中心时，其晶粒尺寸分别为１μｍ和１０μｍ。在Ｎｉ诱导的情形下，多晶Ｓｉ晶粒尺寸可达２０μｍ，这是由于Ｎｉ诱导可以加速选择成核过程和提高固相外延速率。而Ｔ．Ｆｕｙｕｋｉ［６］则利用常压化学气相沉积（ＡＰＣＶ
Ｄ）方法，以ＳｉＨ
２
Ｃｌ２气体作为反应剂，在８５０￣１０５０℃的衬底温度下，以０．８μｍ／ｍｉｎ的高生长速率直接沉积了晶粒尺寸为５μｍ的多晶Ｓｉ薄膜，他们预计，如果采用具有５￣１０μｍ晶粒尺寸的多晶Ｓｉ薄膜制作太阳电池，其转换效率可达１３％￣１４．５％，因此，利用太阳级Ｓｉ衬底设计并制作多晶Ｓｉ薄膜太阳电
池是一条可行途径。其后，Ｇ．Ｂｅａｕｃａｒｎｅ等人［７］进一
步研究了成核密度ｎ
ｘ
与晶粒尺寸ｄ之间的依赖性，
指出二者近似呈下述关系，即ｎ
ｘ
≈ｄ－２，这意味着，如果获得１０μｍ的晶粒尺寸，表面成核密度约为１０６ｃｍ－２。他们采用ＨＣｌ气体对ＳｉＯ２衬底表面进行腐蚀，获得了（１￣４）×１０－６ｃｍ－２的活性成核密度，而后通过化学气相沉积方法获得了５￣１０μｍ的大晶粒多晶Ｓｉ薄膜。更进一步，Ｔ．Ｙａｍａｚａｋｉ等人［８］利用间
歇式的ＳｉＨ
４
源气体供给方式控制成核过程，获得了３．１￣３１μｍ大尺寸晶粒的多晶Ｓｉ薄膜，其霍尔迁移率高达６９．９ｃｍ２／Ｖ·ｓ，开路电压为０．４１Ｖ和短路电流为１４．７ｍＡ／ｃｍ２。
１．１．２通过Ａｌ诱导固相晶化实现大晶粒生长近年来，采用Ａｌ诱导晶化（ａｌｕｍｉｎｕｍｉｎｄｕｃｅｄｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ，ＡＬＣ）方法，获得了大晶粒多晶Ｓｉ薄膜的生长，有效地改善了多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的光电转换性能。所谓Ａｌ诱导晶化，是指首先在单晶Ｓｉ表面上形成一个Ａｌ诱导晶化生长的籽晶层，然后采用电子束蒸发或等离子体化学气相沉积（ＰＥＣＶＤ）等方法在此籽晶层上沉积α－Ｓｉ层，接着通过其后的晶化过程，使Ａｌ原子从籽晶层中连续扩散到α－Ｓｉ层中去，并将该α－Ｓｉ层由非掺杂层变为ｐ型基区，最后，再利用Ｐ扩散形成ｎ型发射区，这样就制成了一个单ｐ－ｎ结多晶Ｓｉ薄膜太阳
电池结构，这种方法的一个突出特点是不采用ＳｉＨ
４气体的化学气相或表面分解。Ｔ．Ｉｔｏ等人［９］采用这
种无ＳｉＨ
４
气体的工艺方法制备了多晶Ｓｉ薄膜，其Ｓｉ晶粒尺寸可达２０μｍ，短路电流为６．３ｍＡ，开路电压为０．６４Ｖ，填充因子为０．８０和转换效率可达１３％。与此同时，Ｗ．Ｆｕｈｓ和Ｓ．Ｇａｌｌ等人［１０－１１］采用Ａｌ诱导晶化工艺，在玻璃衬底上制备了多晶Ｓｉ薄膜太阳电池。该太阳电池用两步工艺过程形成：第一步是利用Ａｌ诱导晶化使α－Ｓｉ层形成大尺寸晶粒的多晶Ｓｉ薄膜，第二步是在低于６００℃温度下，以该层为基础低温外延生长一个２～３μｍ厚的光吸收层。实验发现，其晶粒尺寸随退火温度的增加而减小，例如，当退火温度从４６０℃增加到５００℃时，晶粒尺寸将从８μｍ减小到６μｍ。为了增加横向电导和减小反射损耗，可采用ＺｎＯ（Ａｌ）或ＩＴＯ作为电极。在这种工艺条件下，获得了３１．５８ｍＡ／ｃｍ２的短路电流、０．６３６Ｖ的开路电压、８１％的填充因子和１６．２％的转换效率。前不久，Ｄ．Ｖ．Ｇｅｓｔｅｌ等人［１２］实验研究了籽晶层形貌对多晶Ｓｉ薄膜外延生长的影响。结果证实，为了增加籽晶层的晶粒尺寸，可以预先在α－Ｓｉ薄膜沉积之前，采用含氮的液体处理氧化Ａｌ层，由这种方法得到的多晶Ｓｉ晶粒尺
寸可达５０μｍ，开路电压约为０．５Ｖ。
１．２进行表面钝化
众所周知，表面钝化在改善半导体器件的电学特性方面起着重要作用。换言之，采取有效的表面钝化方法，可以显著提高各种半导体器件的电学性能。对于多晶Ｓｉ薄膜太阳能电池而言，表面钝化也是一种不可缺少的工艺步骤。前已说明，存在于多晶Ｓｉ薄膜晶粒间界中的悬挂键和缺陷态，会在晶粒间界处引入缺陷能级。由于它们可以与晶粒之间发生电荷交换，起着一种有效的复合中心作用，因而会使多晶Ｓｉ薄膜的载流子寿命和迁移率大大降低，从而严重影响薄膜太阳电池的转换效率。为了有效地对多晶Ｓｉ薄膜的晶粒间界和薄膜表面进行钝化，人们做了诸多富有尝试性的探索。目前，主要有两种方法可用于多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的钝化，一种是在表面生长高质量的介质膜层，使其同时达到表面钝化和减少表面反射的效果，其中ＳｉＮ
ｘ膜就是一种典型的表面钝化层，另一种是采用原子Ｈ的引入，使其饱和多晶Ｓｉ薄膜中晶粒间界的悬挂键等缺陷，通过减少界面复合以达到提高载流子寿命的目的。
１．２．１利用Ｈ等离子体钝化
Ｈ等离子体处理可以有效地钝化多晶Ｓｉ薄膜的表面和抑制膜层中缺陷的产生，从而进一步改善多晶
Ｓｉ薄膜太阳电池的光伏性能。Ｈ在ｐ型Ｓｉ中具有正电荷性质（Ｈ＋），而在ｎ型Ｓｉ中具有负电荷性质（Ｈ－），例如，在掺Ｂ的ｐ型Ｓｉ样品中，由于等离子体Ｈ＋的扩散，可以提供一个带负电荷的电子，即Ｈ→Ｈ＋＋ｅ－，这使得晶粒边界的钝化对电导率的增加产生贡献［１３］。Ｈ．Ｍｏｒｉｋａｗａ等人［１４］采用区熔再结晶技术制备了高效率多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，并利用Ｈ＋注入实现了对薄膜中缺陷进行钝化。结果证实，与不采用Ｈ＋钝化相比，太阳电池的转换效率提高了２％，其值可达１３．１％，该太阳电池的开路电压为５．２６Ｖ，短路电流为３．４３Ａ，填充因子为０．６９５。最近，Ｋ．Ｎｉｓｈｉｏｋａ等人［１５］利用Ｈ等离子体对多晶Ｓｉ薄膜的晶粒和晶界同时进行钝化，有效地提高了晶粒中载流子的扩散长度和降低了晶界处载流子的复彭英才等：提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的途径
合速度，扩散长度从钝化前的３０￣３５μｍ增加到钝
化后的４０～４５μｍ。与此同时，复合速度从钝化前的１５０００￣２００００ｃｍ／ｓ减少到钝化后的５０００￣１００００ｃｍ／ｓ。
１．２．２利用ＳｉＮｘ：Ｈ膜层钝化
由ＳｉＮ
ｘ
：Ｈ薄膜的高温快速退火实现的Ｈ退火已由Ｈ．Ｆ．Ｗ．Ｄｅｋｋｅｒｓ等人［１６］完成。实验发现，当多
晶Ｓｉ薄膜太阳电池由ＳｉＮ
ｘ
：Ｈ膜覆盖后，由于Ｈ的钝化作用，其陷阱态密度由钝化前的（０．４￣２）×１０１５ｃｍ－３减少到钝化后的１０１３ｃｍ－３，即减少了大约两个数量级，从而使得电池性能得到明显改善。而Ｓ．Ｍａｒｔｉｎｕｚｚｉ等人［１７］采用富Ｈ的ＳｉＮｘ：Ｈ薄膜的等离子体化学气相沉积并经后退火处理，发现少数载流子扩散长度从Ｈ＋钝化前的１４０μｍ增加到Ｈ＋钝化后的２６０μｍ，这是由于晶粒边界处的缺陷和位错，在经Ｈ＋钝化和退火处理后急剧减少的缘故。Ａ．Ｓｌａｏｕｉ等人［１８］采用电子自旋共振（ＥＣＲ）方法将Ｈ
引入ＳｉＮ
ｘ膜中，形成了富Ｈ的ＳｉＮ
ｘ
：Ｈ高质量钝化
层。由于Ｈ原子对ＳｉＮ
ｘ
层中缺陷的有效钝化，不仅使其载流子寿命得以提高，而且也进一步减小了表面反射，因此使开路电压由Ｈ等离子体处理前的０．１９Ｖ增加到０．４２Ｖ。
高质量的热生长ＳｉＯ
布鞋套
２
膜，化学气相沉积的ＳｉＮｘ膜和ＳｉＯ２／ＳｉＮｘ复合介质层，在多晶Ｓｉ太阳电池的钝化中获得了成功应用。Ｊ．Ｙ．Ｌｅｅ等人［１９］的研
究证实，当单独采用ＳｉＯ
２膜和ＳｉＮ
ｘ
膜进行钝化时，
其载流子寿命分别为３０６μｓ和８９８μｓ，而当采用ＳｉＯ２／ＳｉＮｘ复合层进行钝化时，其载流子寿命可达１３６１μｓ，因此大幅度提高了多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的性能，其开路电压为０．６７５Ｖ，短路电流密度为３５．１ｍＡ／ｃｍ２。
１．３设计ｐ－ｉ－ｎ结构
如前所述，薄膜多晶Ｓｉ太阳电池可以直接利用化学气相沉积方法在各种衬底上进行制备，具有工艺灵活和成本低廉的优点。然而，由于单ｐ－ｎ结的膜层较薄，所以对阳光中的红外光吸收特性较差，尤其是对于间接带隙的Ｓｉ材料而言更是如此。为了克服这一不足，人们发展了各种方法增加光吸收，借以改善多晶Ｓｉ薄膜的光伏特性，其中，采用ｐ－ｉ－ｎ结构就是一种行之有效的方法。在这种结构中，由于ｉ层的加入，可以显著提高ｐ－ｎ界面电荷载流子的收集效率，并使其有效迁移率进一步增加，从而使太阳电池的开路电压和短路电流等特性参数大幅度提高［２０］。
Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ等人［２１－２２］利用ＰＥＣＶＤ方法在玻
璃衬底上制备了ｐ－ｉ－ｎ多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，其中的ｉ层是２μｍ厚的多晶Ｓｉ薄膜，它充当着一个“陷光”作用的有源区，有效地改善了电池的光生载流子收集特性，获得了开路电压为０．５３９Ｖ、短路电流密度为２５．８ｍＡ／ｃｍ２和本征效率为１０．７％的光伏性能。Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ等人［２３］利用表面织构的ＺｎＯ／Ａｇ／ＳｎＯ
２
／
玻璃作为衬底，以ＳｉＨ
４
作为反应气体，采用超高频等离子体化学气相沉积（ＶＨＦ－ＰＥＣＶＤ）方法分别制作了单结和具有ｐ－ｉ－ｎ结构的多晶Ｓｉ薄膜太阳电池。结果发现，当在ｎ区和ｐ区之间加入一个层厚为２．５￣３μｍ的本征多晶Ｓｉ薄膜后，其转换效率为８．２２％，这意味着该太阳电池具有０．５１７Ｖ的开路电压、２２．４ｍＡ／ｃｍ２的短路电流密度和０．７１的填充因子，而单结太阳电池的转换效率仅为７．３７％。澳大利亚新南威尔士大学的Ａ．Ｇ．Ａｂｅｒｌｅ［２４］采用Ａｌ诱导晶化离子辅助沉积（ＡＬＩＣＩＡ）方法，在玻璃衬底上制备了ｐ－ｉ－ｎ结构多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，其本征吸收层厚度为１．５￣２μｍ。他们预测，如果采用绒面结构衬底，利用Ｈ钝化措施和最佳组合工艺条件，这种电池的转换效率可超过１０％。最近，Ｍ．Ｎ．Ｄｏｎｋｅｒ等人［２５］采用ｐ－ｉ－ｎ结构，实现了开路电压超过０．６Ｖ的微晶Ｓｉ（μｃ－Ｓｉ）薄膜太阳电池。该太阳电池是结合热丝ＣＶＤ（ＨＷ－ＣＶＤ）和ＶＨＦ－ＰＥＣＶＤ制作的，其ｉ层厚度为１￣１．５μｍ，由于ｉ层的引入，提高了电荷载流子的收集效率，致使光伏性能得以改善，其转换效率可达９．８％。
１．４采用纳米结构
采用多量子阱和量子点等纳米结构作为本征层，以改善其光生载流子收集效率和光激发特性是一个可行的选择［２６－２８］。据报道，某些半导体材料的量子点，在被来自于光谱末端的蓝光和紫外光线等高能光子轰击时，能释放出两个以上的光子。虽然目前人们所研制的纳米结构太阳电池的转换效率比较低，但理论估计，如果进一步调整量子点的界面特性和改进点与点之间的电子传输过程，那么基于量子点技术的光伏器件，最高效率可达４２％，此值远高于晶体硅太阳能电池理论上３１％的效率。Ｇ．Ｚ．Ｙｕｅ等人［２９］以纳米Ｓｉ薄膜（ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ）为本征层，制备了α－Ｓｉ：Ｈｉ／ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ／ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ三结太阳电池，
彭英才等：提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的途径
由于这样的电池结构把不同禁带宽度的材料有效地组合在一起，提高了电池的光谱响应范围，同时又减少了电池的光致衰退效应，从而使其具有较高的转换效率（１３．２％）和较低的输出功率衰减特性。Ｌ．Ｒａｎｉｅｒｏ等人［３０］以ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ为本征层制作了纳米
结构太阳能电池，获得了０．９５Ｖ的开路电压、１４．９６ｍＡ／ｃｍ２的短路电流密度、０．６７的填充因子和９．５２％的转换效率。而Ｂ．Ｚ．Ｔｉａｎ等人［３１］采用同轴ｐ－ｉ－ｎ硅纳
米线结构作为有源区制作了太阳能电池，实现了０．２６Ｖ的开路电压，０．５０３ｎＡ的短路电流和０．５５的填充因子，其最大输出功率为７２ｐＷ。１．５选择不同衬底
除了上述几种工艺措施之外，衬底材料的选择对于改善多晶Ｓｉ薄膜太阳电池性能也是十分重要的，合适的衬底材料可以使电池获得低制造成本和良好的化学与机械稳定性、降低表面沾污和热膨胀系数匹配等优势。除了太阳级Ｓｉ衬底之外，蓝宝石、陶瓷、高温玻璃、Ａｌ
２
Ｏ３、ＳｉＮｘ、ＳｉＡｌＯＮ以及３Ａｌ２Ｏ３－２ＳｉＯ２等，原则上都可以用于制作多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的衬底材料。
Ａ．Ｓｌａｏｕｉ等人［３２－３３］采用３Ａｌ２Ｏ３－２ＳｉＯ２作为衬底，采用快速热化学气相沉积（ＲＴＣＶＤ）工艺，以５μｍ／ｍｉｎ的生长速率制备了晶粒尺寸为５μｍ和层厚为２０μｍ的多晶Ｓｉ薄膜。以该多晶Ｓｉ膜为有源区制作的太阳电池，其短路电流密度为２６．１ｍＡ／ｃｍ２，最好的转换效率为８．２％。Ｌ．Ｇａｒｎｅｌ等人［３４］在陶瓷衬底上，利用ＰＥＣＶＤ工艺制备了多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，其开路电压高达０．５２Ｖ，这表明高转换效率的多晶Ｓｉ薄膜太阳电池可以由陶瓷一类衬底实现。Ｄ．Ａｒａｉ等人［３５］以低成本ＴＣＯ（ＳｎＯ２：Ｆ）为衬底，制
备了玻璃／ＳｎＯ
２
：Ｆ／α－ＳｉＣ：Ｈ（Ｐ）／（α－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）／ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ））ｎ／α－Ｓｉ：Ｈ（ｎ）／ＸｎＯ／Ａｇ结构太阳电池，获得了７．３９％的稳定转换效率。在这种结构中，本征的ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ薄膜起着主要载流子吸收层的重要作用。除了采用不同衬底材料之外，通过化学气相刻蚀（ＣＶＥ）对Ｓｉ表面进行处理，形成通常人们所说的“绒面结构”，可以增强对太阳光的吸收，这是一条提高太阳电池转换效率的有效途径。Ｍ．Ｂ．Ｒａｂｈａ等人［３６］利用这种方法制备了多晶Ｓｉ薄膜太阳电池，其转换效率为９．２％，而不采用绒面表面结构制作的太阳电池，其转换效率仅为７．７％。２结语
多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的优异光伏特性，有可能使其在未来的新能源产业竞争中占据重要的一席
之地。不过，若使其真正进入商业化应用，仍有诸多问题需要解决。为了增加多晶Ｓｉ薄膜材料对太阳光的吸收效率，除了采用常规的腐蚀工艺制作各种绒面结构以外，尝试采用不同结构形式或不同材料类型的减反射膜层技术应当受到足够的重视，如采用双层减反射膜、多层减反射膜或具有渐变折射率的减反射膜等，通常采用的减反射膜包括ＴｉＯ
２
、ＳｉＮｘ：Ｈ、ＳｉＯ２以及它们的复合层。另外，电池结构的改善对高转换效率多晶Ｓｉ薄膜太阳电池的制作也是一个不容忽视的问题，因为太阳电池的输出取决于它所能够吸收的光子数量、有源区产生的光生载流子数量以及可到达电极处的光生载流子数量，因此电池结构的设计需要统筹考虑上述各种因素。
通常所采用的透明导电膜层为ＺｎＯ、ＳｎＯ
２
以及ＩＴＯ等，其中，由于ＺｎＯ的成本低，制备时不需较高
工艺温度，因而在太阳电池的应用中比ＳｎＯ
２
和ＩＴＯ更具有吸引力。
我国的太阳能资源十分丰富，１９７１—２０００年，太阳年总辐照量平均在１０５０￣２４５０ｋＷ·ｈ／ｍ２，大于１０５０ｋＷ·ｈ／ｍ２的地区占国土面积的９６％以上。中国陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于１．７万亿吨标准煤［３７］，从全国来看，绝大多数地区年平均日辐射量超过
４ｋＷ·ｈ／ｍ２，西藏最高达７ｋＷ·ｈ／ｍ２，与同纬度的其他国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。
集飞行器
我国的光伏发电应用始于２０世纪７０年代，开始时主要用于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。在“六五”（１９８１—１９８５）和“七五”（１９８６—１９９０）期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的太阳电池工业得到了巩固，并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。党的十六大确立了“利用可再生资源，走可持续发展道路”的方针，将可再生能源的发展列为国策之一。２００６年初，国家又出台了《可再生能源法》，极大地促进了光彭英才等：提高多晶Ｓｉ薄膜太阳电池转换效率的途径
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