大面积单结集成型a－Si:H太阳电池的结构设计与制备分析
西安交通大学杨宏王鹤（西安710049）
哈尔滨—克罗拉太阳能电力公司辛士宇于化丛刘明义（哈尔滨150046）
摘要：大面积单结集成型a－Si:H太阳电池的结构设计技术，并分析了制备工艺对其性能的影响。
关键词：太阳电池设计分析
Structural Device and PreparaTIon Analysis of Large Area
Single JuncTIon Integrated a－ Si:H Solar Cells
Abstract: This psper reports structural device of large area single juncTIon integrated amorphous silicon solar cells,and analyses influence on performance by preparaTIon.
Keywords:Solar Cell Device Analysis
1引言
a－Si:H太阳电池的出现，犹如一道曙光，照亮了太阳电池大规模地面向应用的道路，经过十几年的发展，其制备工艺日趋稳定和成熟，它巧妙的结构设计和廉价的制备工艺向人们说明：太阳能要从补充能源走向替代能源，这种结构设计技术和制备方法是必须采纳的，否则太阳电池昂贵的价格将会成为其发展的瓶颈。本文阐述了a－Si:H太阳电池的结构设计与制备分析，同时对影响其性能的工艺参数进行了讨论。
2大面积单结集成型a－Si:H太阳电池的结
构设计
2．1a－Si:H太阳电池的结构
a－Si:H太阳电池是在玻璃基板上利用辉光放电沉积形成非晶硅PIN结构的平板式光电换能器件，单电池的结构如图1所示，当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生电子－空穴对，在光电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的两端出现异性电荷积累，即产生光生电压，若在两侧引出电极并接上负载，则负载中就有光生电流流过，从而获得功率输出。图2示出了a－Si:H太阳电池的等效电路。IL为光生电流，Id为二极管的暗电流，Rsh为并联电阻，Rs为串联电阻，RL为负载电阻。
目前，a－Si:H单电池的开路电压Uoc约为0.8V，工作电压Um约为0.55V,短路电流密度Jsc约为13.4mA/cm2,工作电流密度Jm约为11mA/cm2。这么小的电能输出基本上没有用处，若要输出较高的电压和较大的电流，就必须在结构上采取有效的串并联措施。
图1a－Si:H单电池结构 图2a－Si:H太阳电池的等效电路
2．2集成型a－Si:H太阳电池的结构设计
为了获得一定的功率输出，就必须把众多的a－Si:H太阳电池有效地串并联起来，然而，a－Si:H太阳电池是一种薄膜器件，靠外引线串联既不可靠也不方便，因而在制备时就必须考虑在内部集成。图3示出了它的内部集成结构图。图中1、2、3、4为四个单电池，组合形式为串联，电流流动方向如图中所示。
图3集成型a－Si:H太阳电池的内部结构图
若要设计一个给6V、4AhVRLA蓄电池充电的a－Si:H太阳电池组件，那么所需的太阳电池组件的工作电压为：
Um≥3×UT＋Ud=8V
式中:UT为VRLA蓄电池的过充阈值电压，Ud为防反充二极管的正向压降。
由于单节a－Si:H太阳电池的工作电压约为0.55V，则至少需15节电池串联，若按C/10的电流充电，则所需的a－Si:H太阳电池组件的输出电流至少应大于400mA，那么单节太阳电池的面积至少应大于37cm2,考虑到内部串联布线所占的面积，最后单节太阳电池的面积取为1×51cm2。
因此所要求的a－Si:H太阳电池组件为15节单电池面积为1×51cm2的太阳电池串联。
3大面积单结集成型a－Si:H太阳电池的制备分析
a－Si:H太阳电池由多层薄膜有机结合而成，制备时按图4的工艺顺序制作。
图4a－Si:H太阳电池工艺顺序
3．1TCO的制备
TCO为绒面SnO2:F薄膜，它可由化学气相沉积（CVD）工艺来制备，制备选用平直度好、透射率高、新鲜、无污染、无水腐蚀的浮法玻璃做衬底，将其切割成上述计算的面积大小，洗涤烘干后送入CVD炉开始沉积，发生的化学反应如下：
SnCl4＋O2=SnO2＋2Cl2
SnCl4＋2H2O=SnO2＋4HCl
沉积完后将其放在钇钕石榴石激光器的平台上进行激光刻划，刻划的多少由所要求的串联电池数决定。
3.2P层的制备
P层成份为a－Si:H:B:C,制备工艺为等离子增强型化学气相沉积（PECVD），它是一种高频（13.56MHz）辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术，此法的优点是沉积速率快，成膜质量好，针孔少，不易龟裂，沉积的气源为SiH4，CH4，B2H6和He的混合气体。B2H6用来实现材料搀杂，He用作稀释气体，CH4的搀入是为了改善P层的光学性质。通过改变沉积过程中的气体分压比，就可以获得含C量不同的P层（a－Si:H:B:C）薄膜，而不同的含C量，就有不同的光电性质。
3．3I层的制备
I层成份为a－Si:H，制备工艺仍为PECVD，沉积的气源为SiH4和H2。本征层是光生电流的产生区，因而其成膜质量直接影响到a－Si:H太阳电池的性能，其性能主要由制备时的放电功率、基体温度、反应压力和气体流量来决定。成膜过程中，在保持一定的成膜速率下，尽量采用低的放电功率以提高薄膜的光电子学性能。
3．4N层的制备
N层为a－Si:H:P，沉积的气源为SiH4、PH3、H2和He的混合气体，其中PH3用来实现材料搀杂。a－Si:H:P薄膜的结构和光电性能同基体温度、气源配比、反应压力、放电功率和气体流量等因素紧密相关。
在制备上述各层薄膜的过程中，反应压力、放电时间、气体流量和反应室温度均由计算机自动监测和控制，所需的控制参数由软件来实现。
各层薄膜制备完毕后，将组件放到机械梳刻台上械梳，刻线线宽应小于0.2mm，硅刻线应紧贴在激光刻线的近旁，两者的公差为0.2～0.7mm,刻透率应大于80％,目的是形成各单电池的非晶硅层,并使Al与TCO良好接触。
3．5蒸铝
采用真空蒸发的方法制做Al电极，在集成型a－Si:H太阳电池中，铝不但用作各子电池的负极，而且它将各单电池在结构上串联起来。除此之外，铝薄膜还可反射没有被非晶硅合金层吸收的长波限光子，增加太阳电池对光的利用率。
按上述要求设计制备出的集成型a－Si:H太阳电池组件，在美国CHRONAR公司的太阳电池测试台上测出的电池输出特性如图5所示。测试条件为：标准光强，AM1.5，100mW/cm2,25℃。从结果来看，达到了设计要求。
图5实验集成型a－Si:H太阳电池的输出特性
4结论
集成型a－Si:H太阳电池结构简单，制备工艺成本较低，容易设计成不同的形式以满足不同的用户需求。它的出现，极大的促进了整个太阳电池行业的发展。