圖4. 標準電池與減反層電池的結構；（A）：一般電池結構，（B）：帶有TiO2減反層的電池結構，（C）帶有TiO2-ZnO的電池結構示意圖
圖5. 上圖4中三種結構的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電池的窗口層實現電池的轉化效率為7.1%。p型a-SiC:H的光學帶隙大約為2.0eV，具有優(yōu)良的導電性能與透光率，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摻雜，p型的微晶硅薄膜具有高的電導率，同時對可見光的吸收系數遠小于非晶硅的，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等人使用熱絲化學氣相沉積技術在低溫下制備了高電導、高透過率的c-SiC:H材料，霍爾系數測量發(fā)現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、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鍵因素。圖6為c-SiC:H的吸收系數，可以看到在高能端，c-SiC:H的吸收系數遠小于n型微晶硅和非晶硅的吸收系數。
圖6 n型的a-Si、c-Si以及c-SiC:H的吸收系數比較
(二) 薄膜硅電池疊層技術
在單結薄膜電池中由于S-W效應的存在會使電池效率衰退15%-30%，同時在大面積產業(yè)化中非晶硅組件的效率只有5%-7%，嚴重影響了產業(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。Fuji公司在1cm2的小面積上實現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構使其對長波光幾乎沒有響應，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雙結或者a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結疊層結構。目前，Sanyo公司的小面積（1cm2）a-Si/a-SiGe電池實現10.9%的穩(wěn)定效率。USSC公司的小面積（0.25cm2）a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結疊層電池的初始轉換效率可達到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技術沉積微晶硅薄膜太陽能電池，電池的轉化效率超過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，并使疊層電池的轉化效率達到9.1%。圖7的左圖為a-Si/mc-Si的結構示意圖，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，兩者結合比較靠近理想的疊層電池結構。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開始大規(guī)模產業(yè)化。
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