圖4. 標準電池與減反層電池的結(jié)構(gòu)；（A）：一般電池結(jié)構(gòu)，（B）：帶有TiO2減反層的電池結(jié)構(gòu)，（C）帶有TiO2-ZnO的電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖5. 上圖4中三種結(jié)構(gòu)的µc-Si電池的量子效率圖比較
3．窗口層的研究
在薄膜硅太陽能電池中，p型和n型的摻雜層被稱為“死區(qū)”，對光生電流沒有貢獻，為了提高電池的效率，應(yīng)盡量降低摻雜層中的光吸收。除了使摻雜層的厚度盡可能降低外，研究人員常使用寬帶隙材料作為窗口層來減少光的吸收。1981年，Tawada等使用a-SiC:H作為a-Si電池的窗口層實現(xiàn)電池的轉(zhuǎn)化效率為7.1%。p型a-SiC:H的光學(xué)帶隙大約為2.0eV，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能與透光率，常用做a-Si薄膜電池的窗口層。Barua等人在a-Si電池中使用p型a-SiO:H作為窗口層也獲得較好的電池效率。由于微晶硅比非晶硅易實現(xiàn)摻雜，p型的微晶硅薄膜具有高的電導(dǎo)率，同時對可見光的吸收系數(shù)遠小于非晶硅的，被Hattori、Fujikake等人用做a-Si電池的窗口層。在µc-Si薄膜太陽能電池中，本征層對窗口層材料的表面性質(zhì)比較敏感，直接使用a-SiC:H和a-SiO:H作為微晶硅電池的窗口層會導(dǎo)致本征層中有較厚的非晶孵化層。S.Klein、Huang等人使用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在低溫下制備了高電導(dǎo)、高透過率的c-SiC:H材料，霍爾系數(shù)測量發(fā)現(xiàn)c-SiC:H材料顯n型。Huang等人使用c-SiC:H作為窗口層制備了從n面入射的n-i-p型微晶硅薄膜太陽能電池，獲得了26.7mA/cm2的高短路電流與9.2%的電池效率，Huang認為高電導(dǎo)、高透過率的窗口層與本征層中高的空穴遷移率是影響電池性能的關(guān)鍵因素。圖6為c-SiC:H的吸收系數(shù)，可以看到在高能端，c-SiC:H的吸收系數(shù)遠小于n型微晶硅和非晶硅的吸收系數(shù)。
圖6 n型的a-Si、c-Si以及c-SiC:H的吸收系數(shù)比較
(二) 薄膜硅電池疊層技術(shù)
在單結(jié)薄膜電池中由于S-W效應(yīng)的存在會使電池效率衰退15%-30%，同時在大面積產(chǎn)業(yè)化中非晶硅組件的效率只有5%-7%，嚴重影響了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。提高非晶硅薄膜電池效率的一個有效途徑是使用疊層電池技術(shù)。Fuji公司在1cm2的小面積上實現(xiàn)a-Si/a-Si疊層電池的穩(wěn)定效率達到10.1%，使用a-Si/a-Si疊層電池有利一面是可以降低生產(chǎn)成本，不利的一面是電池的效率偏低，因此并不是疊層電池發(fā)展的方向。由于非晶硅的能帶結(jié)構(gòu)使其對長波光幾乎沒有響應(yīng)，因此為了擴展太陽光譜的利用范圍，從上世紀80年代開始，研究人員把比非晶硅帶隙低的a-SiGe與a-Si疊在一起形成a-Si/a-SiGe雙結(jié)或者a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)疊層結(jié)構(gòu)。目前，Sanyo公司的小面積（1cm2）a-Si/a-SiGe電池實現(xiàn)10.9%的穩(wěn)定效率。USSC公司的小面積（0.25cm2）a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)疊層電池的初始轉(zhuǎn)換效率可達到14.6%，穩(wěn)定效率為13.0%。但是由于制造能帶小于1.5eV的器件級質(zhì)量的a-SiGe比較困難，同時GeH4的價格昂貴，研究人員開始選擇另外的材料代替a-SiGe。1994年，Meier等人首次使用VHF技術(shù)沉積微晶硅薄膜太陽能電池，電池的轉(zhuǎn)化效率超過7%，這證明了微晶硅薄膜可以用做電池的吸收層。同年，Meier等人還首次提出a-Si/mc-Si疊層電池概念，并使疊層電池的轉(zhuǎn)化效率達到9.1%。圖7的左圖為a-Si/mc-Si的結(jié)構(gòu)示意圖，右圖為a-Si/a-Si薄膜疊層電池與a-Si/mc-Si薄膜疊層電池的光譜響應(yīng)圖。由于微晶硅的能帶是1.1eV，而非晶硅的能帶是1.7eV左右，兩者結(jié)合比較靠近理想的疊層電池結(jié)構(gòu)。Shah通過計算給出了這種疊層電池的理論效率可達到30%以上。這種新型硅基薄膜太陽電池大大促進了對這種材料和電池的研究。目前大面積a-Si/mc-Si疊層電池作為下一代薄膜電池已經(jīng)開始大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
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