非晶硅鍺薄膜電池研究進(jìn)展及發(fā)展方向

　　本文主要介紹硅基薄膜電池中非晶硅鍺電池的研究，總結(jié)國(guó)內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)和單位研究方向及研究結(jié)論。結(jié)合對(duì)硅鍺電池的諸多研究介紹單結(jié)非晶硅鍺電池以及疊層電池的研究現(xiàn)狀。根據(jù)最新的研究問(wèn)題分析預(yù)測(cè)硅鍺薄膜電池的發(fā)展方向。

　　太陽(yáng)能電池主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。現(xiàn)如今太陽(yáng)能作為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，根據(jù)所用光電材料的種類(lèi)的不同可分為：1)硅太陽(yáng)能電池;2)Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物電池;3) 功能高分子材料太陽(yáng)能電池;4)納米晶太陽(yáng)能電池等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為諸多的太陽(yáng)能電池材料具有相同的特點(diǎn)：如禁帶不能太寬、較高的光電轉(zhuǎn)換效率、材料無(wú)污染、便于工業(yè)化生產(chǎn)、材料性能穩(wěn)定等。

　　現(xiàn)如今薄膜電池的主流產(chǎn)品為硅基薄膜太陽(yáng)電池，主要因其成本低、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率較高、便于大規(guī)模生產(chǎn)，成為國(guó)際上研究最多，發(fā)展最快的薄膜電池。為了提高薄膜電池的穩(wěn)定性以及電池效率，結(jié)合非晶硅鍺材料具有較低的帶隙，更寬的光譜響應(yīng)范圍。早在20 世紀(jì)80 年代，人們就已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代后，BP Solar，Sanyo，F(xiàn)uji Electric以及United Solar四個(gè)機(jī)構(gòu)取得了很大的研究進(jìn)展，且已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變。在疊層電池的研究發(fā)展過(guò)程中，非晶硅鍺主要作為中間電池或底電池，在諸多的研究中都有報(bào)道。本文主要通過(guò)介紹不同研究機(jī)構(gòu)的主要研究方向闡述非晶硅鍺電池的研究歷史、研究問(wèn)題以及發(fā)展方向。

　　1、國(guó)外非晶硅鍺電池研究現(xiàn)狀

　　1.1、單結(jié)非晶硅鍺電池的制備及性能研究

　　迄今為止，在諸多科研機(jī)構(gòu)的的研究中，Toeldo 大學(xué)Deng xunming等人成功的制備出全球效率最高的單結(jié)非晶硅鍺電池。其P 層采用nc-Si材料和hybrid 層結(jié)構(gòu)方法，沉積溫度分別采用140 ℃和70 ℃。采用該結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)制備的P層材料具有較高的光學(xué)帶隙，高的透過(guò)率，低的界面態(tài)密度。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)制備出全球效率最高的單結(jié)非晶硅鍺電池，效率為13.06%。

　　單結(jié)非晶硅鍺電池的研究重點(diǎn)在緩沖層及本征層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，國(guó)外很多的科研機(jī)構(gòu)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。其中Ryuji Oshima等人通過(guò)在硅片上外延生長(zhǎng)(MBE)異質(zhì)結(jié)電池，制備出Si0.58Ge0.42的薄膜材料，通過(guò)漸變硅鍺的含量，研究了電學(xué)性能參數(shù)的變化。Liu Bofei等人本征層采用gradingprofile 制備出單結(jié)效率9.07%，疊層(a-Si:H/a-SiGe:H)效率達(dá)到12.03%的太陽(yáng)能電池。Tae Yong Lee等人研究了三種本征層模型(本征a-Si：H 層，恒定帶隙的a-SiGe：H 層，漸變帶隙的a-SiGe：H layer+p/i界面的a-Si：H buffer 層)電池光學(xué)和電學(xué)性能的不同。研究發(fā)現(xiàn)第三種模型有效的降低了光學(xué)損耗，與第二種模型相比具有較高的Voc 和FF。Liaoxianbo等人采用AMPS 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，研究P層和本征層之間加入本征a-Si 緩沖層對(duì)非晶硅鍺電池性能的影響。本征材料采用1.40~1.55 eV，通過(guò)調(diào)整非晶硅的帶隙以及厚度，有效地改善了Voc，但FF 和Eff 有明顯的降低。德國(guó)Jülich 研究機(jī)構(gòu)的Dietmar Lundszien等人研究了非晶硅鍺緩沖層帶隙結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)以及材料厚度，三者均以可制備出具有相同開(kāi)路電壓、填充因子的非晶硅鍺電池。圖1 為三種緩沖層結(jié)構(gòu)模型圖。

圖1 非晶硅鍺電池三種緩沖層結(jié)構(gòu)模型對(duì)比圖

　　B.E. Pieters等人研究了本征層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池性能的影響。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的U 型和新型的V 型結(jié)構(gòu)，模擬發(fā)現(xiàn)V 型電池結(jié)構(gòu)會(huì)有效的降低本征層的復(fù)合，增加光生載流子的收集。

　　3、研究新方向

　　3.1、納米硅鍺材料的研究

　　由于nc-Si：H 薄膜的量子尺寸效應(yīng)，其表現(xiàn)出諸多不同于a-Si：H 和μc-Si：H 的特異性能，如光學(xué)能隙寬化、光致、電致發(fā)光、共振隧穿等。關(guān)于納米硅鍺的研究主要體現(xiàn)在以下方面：高氫稀釋?zhuān)�襯底溫度、RF 功率。對(duì)鍺薄膜材料的性能研究，主要從晶體結(jié)構(gòu)以及晶體類(lèi)型研究合適的制備工藝條件。Cao Xinmin等人研究了熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)制備出的納米硅鍺薄膜材料性能， 制備的納米硅鍺材料對(duì)600~900 nm 波段的光具有更高的吸收系數(shù)，厚度采用500 nm 時(shí)，上、中、下三層子電池電流匹配較好，有效降低了電池的厚度。

　　3.2、微晶硅鍺材料的制備

　　Tang zeguo等研究了微晶硅鍺材料，結(jié)果顯示材料具有更低的帶隙，對(duì)長(zhǎng)波段有更好的光譜吸收。換用新型氣源采用H2/Ar 混合氣體，研究以不同比例下鍺含量對(duì)材料的性能影響。此外，T. Matsuia研究發(fā)現(xiàn)低溫制備工藝下微晶硅鍺本征層材料能改善載流子的收集性能;Hiromi Kawauchia等人研究了微晶硅鍺中氫自由基對(duì)材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ar 對(duì)硅鍺薄膜電學(xué)性能有較好的改善作用。

　　4、結(jié)論

　　非晶硅鍺電池由于具有較低的光學(xué)帶隙，良好的光譜響應(yīng)已經(jīng)在越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)中引起重視。幾十年的發(fā)展使得非晶硅/ 非晶硅鍺/非晶硅鍺疊層電池的量產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。全球最大的薄膜太陽(yáng)能公司漢能集團(tuán)已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)三疊層電池的量產(chǎn)化。隨著科技的發(fā)展，非晶硅鍺疊層電池在現(xiàn)實(shí)生活中有越來(lái)越多的應(yīng)用。未來(lái)高速生長(zhǎng)以及薄膜電池穩(wěn)定性成為產(chǎn)業(yè)化研究的重點(diǎn)。