硅基薄膜太阳能电池

这篇简短的介绍介绍了光伏转换的概况强调薄膜太阳能电池的可能用途。

本章简要回顾了光伏转换的一般原理以及不同类型的薄膜太阳能电池。目的是展示设备如何从经典Si p-n结由于其物理限制限制了器件的转换效率其中更高的光吸收率和改进的结构设计导致更高的转换率效率。现在大家都认识到，这些器件必须基于薄膜结构。作为一个因此，我们必须能够设计整个叠层薄膜结构，并且在这个结构中，每个薄膜必须具有明确的性能。可以使用几种沉积技术，以及我们将很快讨论所谓的等离子体增强化学气相沉积（PECVD），考虑到电影结构的演变。

等离子体增强化学气相沉积技术在基于非晶和微晶硅薄膜的太阳能电池的发展。这个沉积过程强烈依赖于等离子体中的物理和化学相互作用。随后，薄膜特性取决于不同的参数，如功率和频率、基底温度、气压和成分、幅度和气流模式、电极几何形状等。本章的目的是讨论所有这些参数的影响。

溅射是最广泛使用的薄膜沉积技术之一。这个本章回顾了等离子体溅射的物理基础及其在薄膜的沉积。介绍了不同的溅射技术及其优点和缺点被强调。

分子束外延（MBE）是一种广泛应用的生长技术半导体薄膜和多层膜生长的基础研究结构。MBE与其他生长技术的主要区别在于外延过程中涉及的所有参数的精确再现性远离热力学平衡的条件和控制动力学的可能性外延膜最外层的演变。如今，MBE也用于增长和研究纳米半导体材料，这些材料对光伏非常有趣未来的应用。

本章专门介绍傅里叶变换红外（FTIR）和拉曼光谱。这两种技术的理论都得到了简要的阐述，并且是最广泛使用的实验描述了该装置。FTIR和拉曼光谱用于表征硅基薄膜和微晶太阳能电池参数优化已报告应用程序。特别是，已经表明，通过傅里叶变换红外光谱可以检测微晶硅中的氧杂质，个性化器件级微晶太阳能电池用硅的制备及其热退火相变研究非晶硅碳合金（a-Si_1倍C类_x个：H）和a-Si_1倍C类_x个：H/SiC多层膜。此外，它还有已证明拉曼光谱可用于优化J-V参数微晶硅太阳电池，用于研究硼掺杂对晶体体积的影响微晶硅碳中的分数，用于研究由非晶硅中的热退火_1倍C类_x个：H/SiC多层膜，用于确定碳合金化的影响以及纳米结构硅碳薄膜中晶体体积分数上的衬底，最后，对纳米晶硅的中程有序性进行了研究。

本章致力于材料的表面和结构特征用于光伏应用，用于确定地形/形态和结构特性。

在扫描电子显微镜（SEM）一章的第一部分中，透射电子对显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）进行了说明，特别强调工作原理。在第二部分中，一些应用示例介绍了硅基薄膜太阳能电池的这些技术。最近的和重要的对这些领域中获得的实验结果进行了检查和讨论，显示了他们提供的信息。

半导体、电介质和金属的光学特性在薄膜太阳能电池的发展。虽然这些设备属于光子光电探测器，但光的光子和波动性质影响其性能。其中一些问题在中进行了讨论本章。光产生自由载流子的效率及其空间考虑了分布。这种分布受到光干扰的强烈影响许多薄膜的结构。太阳能电池可能存在的几何和光学不均匀性对其结构进行了讨论。确定表面和平均总膜厚的几种方法给出了半导体材料的折射率。确定不同还报道了半导体中光吸收的成分。光学方法示例用于确定半导体的基本参数（例如，光能隙、载流子扩散长度和电子态参数）。

半导体电性能的准确测量是任何电子设备的设计和正确操作。任何设备的电气性能都会这取决于载流子在半导体晶格中的运动方式。电阻率的测量浅态和深态的浓度、电荷载流子迁移率等，允许设计新的以及先进功能，并用于改进当前设备技术。在本章中，我们将简要概述主要的电子输运系数和用于研究半导体材料和主要太阳能电池参数。我们的注意力局限于最常见和最可靠的技术。我们的工作分为七个部分。第一个第二部分根据任何材料的能带结构来定义其导电性和迁移率并研究了一些半导体特性和材料掺杂。第三节和第四节说明半导体中电荷载流子的主要散射机制和几个实验分别测量薄膜电阻率的技术。第五部分介绍了霍尔效应和定义霍尔系数和霍尔迁移率，并描述一种实验方法测量这些。在第六部分中，我们报告了深状态缺陷的简要分析，并描述了DLTS技术在半导体晶格中显示它们。最后，在第七部分中，我们描述了电流-电压技术常用于测量太阳能电池的主要参数。

非晶/晶体硅异质结太阳能电池吸引了研究人员从一开始就作为一种提高硅基太阳能电池效率和减少光伏成本。事实上，借助异质结可以实现更高的内置电压和更高的电池开路电压。而且很薄非晶薄膜技术，使用低温工艺（低于300°C），原则上允许使用较薄的硅片可能会受到同质结方法对细胞效率的影响。几项研究花费了很多精力小组解决HJ设备与硅表面清洁相关的主要问题，界面缺陷、薄膜掺杂、金属接触和器件结构。从90年开始三洋研究成果的进步推动了科学界实现更高的细胞效率。实际上，三洋已经证明了在厚度小于100μm的c-Si晶片，引领了非晶硅异质结概念朝向薄膜太阳能电池。

在本章中，我们概述了异质结电池的概念，指出了遇到的问题以及当前对基本器件物理的理解，以实现最高效率。

光伏产业正在增长，年增长率远远超过30%过去十年。预计年世界太阳能光伏市场装机容量将达到17.5千兆瓦2010; 然而，光伏对全球发电的贡献仍然微不足道。主要挑战对于一项重大贡献，要求光伏组件的€/Wp成本逐步降低。这个传统的光伏发展是基于晶体硅晶片技术。然而，20世纪70年代初，出现了一种基于以在给定的衬底上形成薄膜。目前使用了几种技术来实现这种沉积，以及它们主要基于化学气相沉积（CVD）技术。而非晶硅基20多年来，光伏组件一直占据薄膜市场的主导地位发展包括基于非晶（a-Si:H）和微晶堆的串联太阳能电池硅（μc-Si:H）薄膜（“微形态细胞”）。一个已经等待答案的基本问题是材料微观结构与固有吸收传输特性之间的联系以及太阳能电池的电气性能。μc-Si:H是一种复杂材料微结构的范围，取决于沉积条件和基底材料。这个本章将报告最新技术和材料性能的几个方面。设备物理还将介绍。

光捕获在太阳能电池中起着关键作用，可以增强光限制，然后增强光细胞内吸收。光损耗的减少反映在光伏太阳能电池中提高效率。为此，可以采用不同的组合策略。首先a必须降低阳光照射到电池上的反射率。然后是细胞表面纹理通过增加反射光反弹的机会，可以非常有助于减少反射回到地面而不是周围的空气中。为此，可以采用不同的方法之后，如基材和/或单层纹理。此外，应特别注意到电池的后侧，在此处引入反射镜可以产生光学效果在宽波长光谱上的路径长度增强。正确组合正面纹理和背面镜像可以将此路径长度提高到设备厚度表示光在电池内多次来回反射进行轻度限制。为此，使用薄膜形成布拉格反射器技术是制造背面反射器最有前途的方法之一。也是多接头通过引入，电池，如串联微晶片，可以受益于光管理两个单元内的内反射器，以增强两个单元之间的光谱分离在亚稳态问题仍然存在的情况下，减小前池厚度。

在这项工作中，我们概述了应用于薄膜电池和硅基电池的所有这些概念它实际上正在迅速向更薄的基底移动，这使得光限制成为一个关键提高电池效率和降低光伏成本。