非晶硅锗薄膜电池研究进展及发展方向

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)衡水学院 作者:杜鹏

  本文主要介绍硅基薄膜电池中非晶硅锗电池的研究,总结国内外不同机构和单位研究方向及研究结论。结合对硅锗电池的诸多研究介绍单结非晶硅锗电池以及叠层电池的研究现状。根据最新的研究问题分析预测硅锗薄膜电池的发展方向。

  太阳能电池主要以半导体材料为基础,利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应从而产生电能。现如今太阳能作为一个庞大的产业,根据所用光电材料的种类的不同可分为:1)硅太阳能电池;2)Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物电池;3) 功能高分子材料太阳能电池;4)纳米晶太阳能电池等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为诸多的太阳能电池材料具有相同的特点:如禁带不能太宽、较高的光电转换效率、材料无污染、便于工业化生产、材料性能稳定等。

  现如今薄膜电池的主流产品为硅基薄膜太阳电池,主要因其成本低、质量轻、转换效率较高、便于大规模生产,成为国际上研究最多,发展最快的薄膜电池。为了提高薄膜电池的稳定性以及电池效率,结合非晶硅锗材料具有较低的带隙,更宽的光谱响应范围。早在20 世纪80 年代,人们就已经对其进行了广泛的研究。进入20 世纪90 年代后,BP Solar,Sanyo,Fuji Electric以及United Solar四个机构取得了很大的研究进展,且已经成功的实现了产业化转变。在叠层电池的研究发展过程中,非晶硅锗主要作为中间电池或底电池,在诸多的研究中都有报道。本文主要通过介绍不同研究机构的主要研究方向阐述非晶硅锗电池的研究历史、研究问题以及发展方向。

  1、国外非晶硅锗电池研究现状

  1.1、单结非晶硅锗电池的制备及性能研究

  迄今为止,在诸多科研机构的的研究中,Toeldo 大学Deng xunming等人成功的制备出全球效率最高的单结非晶硅锗电池。其P 层采用nc-Si材料和hybrid 层结构方法,沉积温度分别采用140 ℃和70 ℃。采用该结构及工艺参数制备的P层材料具有较高的光学带隙,高的透过率,低的界面态密度。通过优化工艺参数制备出全球效率最高的单结非晶硅锗电池,效率为13.06%。

  单结非晶硅锗电池的研究重点在缓冲层及本征层结构设计上,国外很多的科研机构对此问题进行了研究。其中Ryuji Oshima等人通过在硅片上外延生长(MBE)异质结电池,制备出Si0.58Ge0.42的薄膜材料,通过渐变硅锗的含量,研究了电学性能参数的变化。Liu Bofei等人本征层采用gradingprofile 制备出单结效率9.07%,叠层(a-Si:H/a-SiGe:H)效率达到12.03%的太阳能电池。Tae Yong Lee等人研究了三种本征层模型(本征a-Si:H 层,恒定带隙的a-SiGe:H 层,渐变带隙的a-SiGe:H layer+p/i界面的a-Si:H buffer 层)电池光学和电学性能的不同。研究发现第三种模型有效的降低了光学损耗,与第二种模型相比具有较高的Voc 和FF。Liaoxianbo等人采用AMPS 计算机模拟技术,研究P层和本征层之间加入本征a-Si 缓冲层对非晶硅锗电池性能的影响。本征材料采用1.40~1.55 eV,通过调整非晶硅的带隙以及厚度,有效地改善了Voc,但FF 和Eff 有明显的降低。德国Jülich 研究机构的Dietmar Lundszien等人研究了非晶硅锗缓冲层带隙结构模型。通过调整工艺参数以及材料厚度,三者均以可制备出具有相同开路电压、填充因子的非晶硅锗电池。图1 为三种缓冲层结构模型图。

非晶硅锗薄膜电池研究进展及发展方向

图1 非晶硅锗电池三种缓冲层结构模型对比图

  B.E. Pieters等人研究了本征层结构设计对电池性能的影响。通过对比传统的U 型和新型的V 型结构,模拟发现V 型电池结构会有效的降低本征层的复合,增加光生载流子的收集。

  3、研究新方向

  3.1、纳米硅锗材料的研究

  由于nc-Si:H 薄膜的量子尺寸效应,其表现出诸多不同于a-Si:H 和μc-Si:H 的特异性能,如光学能隙宽化、光致、电致发光、共振隧穿等。关于纳米硅锗的研究主要体现在以下方面:高氢稀释,衬底温度、RF 功率。对锗薄膜材料的性能研究,主要从晶体结构以及晶体类型研究合适的制备工艺条件。Cao Xinmin等人研究了热丝化学气相沉积(HWCVD)制备出的纳米硅锗薄膜材料性能, 制备的纳米硅锗材料对600~900 nm 波段的光具有更高的吸收系数,厚度采用500 nm 时,上、中、下三层子电池电流匹配较好,有效降低了电池的厚度。

  3.2、微晶硅锗材料的制备

  Tang zeguo等研究了微晶硅锗材料,结果显示材料具有更低的带隙,对长波段有更好的光谱吸收。换用新型气源采用H2/Ar 混合气体,研究以不同比例下锗含量对材料的性能影响。此外,T. Matsuia研究发现低温制备工艺下微晶硅锗本征层材料能改善载流子的收集性能;Hiromi Kawauchia等人研究了微晶硅锗中氢自由基对材料性能的影响,发现Ar 对硅锗薄膜电学性能有较好的改善作用。

  4、结论

  非晶硅锗电池由于具有较低的光学带隙,良好的光谱响应已经在越来越多的研究机构中引起重视。几十年的发展使得非晶硅/ 非晶硅锗/非晶硅锗叠层电池的量产成为现实。全球最大的薄膜太阳能公司汉能集团已经成功的实现三叠层电池的量产化。随着科技的发展,非晶硅锗叠层电池在现实生活中有越来越多的应用。未来高速生长以及薄膜电池稳定性成为产业化研究的重点。

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