非晶硅的前世今生！

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非晶硅的前世今生！

2013-06-06 10:25:00Solarzoom7742

非晶硅（a-Si）就是非晶体结构的硅。在薄膜技术中得到了最为广泛的运用，在市场上已经超过15年了。它被广泛运用在小型的计算器、以及一些需要供电的场所，如：个人家庭、建筑物、以及一些移动的设施上。UniSolar是非晶硅应用领域的鼻祖，目前仍然是制造业的先行者，另外还有日本的夏普和三洋。

　　如何制造？

　　非晶硅面板是通过气相沉积的方式在玻璃或者金属的基板上形成的1微米厚度的硅材料。非晶硅可以在很低的温度下生成，如75摄氏度下可以在塑料材质上沉积。最为简单的电池结构就是P-I-N单一排列。但是单一排列的结构存在比较大的功率衰减（大于15-35%），这一衰减机制被称作SW效应（Staebler-WronskiEffect），是以其发现者的名字命名的。

　　越好的稳定性需要薄膜层越薄，来加强穿过材料的电场强度。但是薄层减薄使得光吸收削弱，影响电池转换率。工业界的做法是将两个甚至是三个P-I-N结构堆垛起来以形成良好的光电转换效率。Uni-Solar是运用非晶硅制造太阳能电池的鼻祖，他们使用三层结构（如下图）优化对太阳光全光谱段的吸收。

　　从上图可以看出来，这种结构的电池厚度只有1微米，仅仅是单晶硅电池厚度的1/300。

　　转换效率

　　晶体硅电池的效率已经达到18%或者更高，但是晶体硅电池的效率仍然在7%左右徘徊。这样低的效率部分是由于SW效应，在阳光中暴晒一小时后仍然可以保持自身的效率不变，但是最终的结果就是随着时间的推移非晶硅模组的效率从10%降低到7%，这一衰减是非常显著的。

　　来自德国的一名科学家研究出一种方法可以将非晶硅电池的效率从7%提升到9%左右。在他的博士论文中，他发现了一种制程改良的方式，不需要对制程做出大的变化，仅仅是在制程中使用了硅烷来减少SW效应带来的衰减。这是一个极大的突破。UniSolar目前已经把电池的效率提高到了8.2%，但是他们希望在2011年度的第一季度就能超过10%，这种方案使用了三层结构技术。依靠陷光、高速沉积、纳米氢化等技术的发展，UniSolar预期在2012年达到12%的效率，并且会不断提高到20%的工业量产效率。

　　优势

　　非晶硅太阳能电池最大的优势在于生产制造的成本低廉，基于这一点与其他类型的太阳能电池相比较具有很强的竞争力。与晶体硅太阳能电池相比，非晶硅最大的优点在于可以生产制造大面积均匀的电池。尽管非晶硅存在比较多的缺陷、自身的或者引入的，比如纯度，但是这并不影响大尺寸面积上的整体性质。

　　非晶硅可以制造任意形状、尺寸的电池（如：圆形、方形、六边形已经任意复杂图形）。这决定了非晶硅可以运用在许多方面，比如小型计算器、太阳能手表、院子里等、以及给汽车部件供电等等。小型计算器上的太阳能电池已经出现很多年了。不像晶体硅电池那样需要切割，然后再组装起来，非晶硅电池在制造过程中可以根据需要直接连接起来，可以很方便地制作各种需求的产品（如：太阳能电池充电装置）。

　　人眼对光线的感应波段在400纳米到700纳米之间。非晶硅对光线的感应波段恰好也是这一区间，这就决定了作为太阳能电池的非晶硅同样具有感光能力（如：户外的感应灯）。

　　一些非晶硅模组具有防遮挡技术、或者多通路技术，这样即便是一部分电池被遮挡住的时候依然可以工作，这种技术非常有用，比如安装在船顶上就非常有好处。制造的过程考虑到在搬运和安装过程中会产生一些损伤，可以降低光伏系统的安装和投资的风险。另外一个优势在于这种技术有很好的热阻。根据NREL的一项研究，观察到非晶硅太阳能的输出功率随温度上升而增加。

　　缺点

　　如前文提到，非晶硅组件的光电转换效率低于晶体硅太阳能组件，甚至比多晶硅太阳能组件的效率还要低。为了提高效率，尝试运用多结或者与鍺形成合金体以减小带隙以提高光吸收，或者运用其他更为复杂的结构。这样看来这些制造的成本和复杂程度并不低，何谈成本低廉呢？

　　非晶硅模组的使用寿命比晶体硅短得多，尽管低多少还不清楚，特别是技术还在发展进步。从文献中查阅到，希望将来的使用寿命同样在25年以上。例如：UniSolar给自己制造的144瓦组件做担保，10年内衰减低于8%，20年内衰减低于16%，25年内衰减低于20%。

　　一项有趣的研究：混合技术

　　三洋研制出一种混合电池，在单晶硅上镀非晶硅材料（如下图）。这就是传说中的本征层异质结电池（HIT），可以达到20.2%的光电转换效率。很据研究机构IMSResearch的报告，三洋在2010年兆瓦级的制造商中排名第10，很大一部分的产能来自于混合式电池的生产制造。