王艷張敏剛柴躍生

（太原科技大學，山西太原030024）

SiGe薄膜太陽能電池的發(fā)展和挑戰(zhàn)★

王艷張敏剛柴躍生

（太原科技大學，山西太原030024）

介紹了SiGe薄膜太陽能電池的制備方法，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點，對磁控濺射制備SiGe薄膜太陽能電池的研究作了評述。

太陽能電池SiGe薄膜磁控濺射

1 太陽能電池的發(fā)展趨勢

由于地球上礦物質的加速消耗造成的能源危機，及傳統(tǒng)能源消耗所產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體對環(huán)境壓力的不斷加重，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略越來越被世界各國所接受。所以開發(fā)新能源、可再生能源、綠色能源已成為人類社會今后研究的重大課題。由于太陽能發(fā)電具有常規(guī)發(fā)電（如，火電、水電等）和其他發(fā)電方式（如，核電）所無法比擬的很多顯著的優(yōu)點，如，安全可靠、無噪音、無污染、能量隨處可得、不消耗燃料、維護簡便、使用壽命長、建設周期短、規(guī)模大小隨意、可以無人值守、也無需架設輸電線路、還可以方便與工業(yè)民用建設相結合等。因此，以太陽能為代表的可再生能源備受人們的青睞。同時，也被認為是21世紀最重要的新能源。其實，人類利用太陽能的想法已經(jīng)很久了，最早是將它轉化為熱能來利用，再后來光伏效應的發(fā)現(xiàn)使太陽能轉化為電能成為可能，以致使太陽能利用的領域更加廣闊。而太陽能電池就是把太陽能直接轉換成電能的一種半導體器件，太陽能電池發(fā)電是基于半導體的光生伏特效應，也即光伏效應（Photovoltaic Effect，縮寫PV）。

太陽能電池的發(fā)展是非常迅速的。最早是在1839年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應。1876年，隨后又發(fā)明了以硒的氧化亞銅為材料的光電池。1954年,在美國貝爾實驗室內(nèi)誕生了第一個實用性的硅太陽電池，在基于Czochralski過程，研制成功了世界上第一塊硅太陽能電池，能量轉換效率達到4%。太陽能電池的問世，標志著太陽能可以通過人工器件轉換為電能，這是世界能源科技的一次重大飛躍。之后，20世紀60年代，太陽能電池進入空間，即被用于人造衛(wèi)星系統(tǒng)上。20世紀70年代進入地面應用，進入20世紀80年代中期，環(huán)境繼能源之后，各國又都把目光集中到解決這兩個問題的交叉點——太陽能光伏發(fā)電上，所以，太陽能電池又成為國際社會普遍關注的焦點之一，從而大大加速了開發(fā)利用的步伐［1，2］。目前，普遍使用的太陽能電池的光電轉換效率最高為20%。然而由于全球燃料價格上漲，而太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格卻迅速下降。在這樣的市場形勢下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)有可能占據(jù)能源市場的大部分份額。其實，太陽能電池技術發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在所用的材料上。對太陽能電池材料的一般要求有：禁帶不能太寬；要有較高的轉換效率；材料對環(huán)境無污染；性能穩(wěn)定；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)?；谶@幾個方面考慮，硅系列是最理想的太陽能電池材料。因為硅不僅儲量豐富，無毒，無污染，技術最成熟，能耗低，而且電池可做在玻璃或塑料襯底上，便于大面積生產(chǎn)和全自動化生產(chǎn)等。因此，在開發(fā)太陽能電池的過程中，為了提高轉換效率、降低成本，出現(xiàn)了薄膜太陽能電池。其中以硅基薄膜太陽能電池工藝最為成熟，發(fā)展有晶體硅太陽能電池，非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜太陽能電池。如今，薄膜太陽能電池的研究重點是解決電池的光致衰退、提高效率和降低成本問題。雖然單晶硅、非晶硅太陽能電池已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，而且在某些方面都各自有自身的優(yōu)勢，在太陽電池生產(chǎn)總成本中也已超過1/2，。但也同時存在薄膜生長速率與光電轉化效率不夠高的問題，而且非晶硅太陽能電池的性能會隨光照不斷退化（S-W效應），進一步提高轉換效率是相當困難的，所以不可否認的是多晶硅系列薄膜太陽能電池是實現(xiàn)高穩(wěn)定、高效率和低成本產(chǎn)品的最可行方案，是太陽能電池發(fā)展的必然選擇。在太陽能的發(fā)展與進步的過程中，研究者們不斷的改進技術，最終發(fā)現(xiàn)：在非晶硅層上加入非晶硅鍺層，這樣不僅能抑制光致衰退而且還能擴展光譜響應帶寬。

2 SiGe薄膜太陽能電池

（1）SiGe薄膜太陽能電池的特點。從太陽能電池研究的歷史和現(xiàn)狀來看，采用多晶硅鍺薄膜作為太陽能電池的研究尚少。由于Si結構的獨特性，所以在Si上自組織生長Si/Ge量子點，被認為是可能實現(xiàn)Si基發(fā)光的一個重要特性，而且Si/Ge應變層超晶格特殊的光電性在光電子和微電子學領域的應用具有潛在的優(yōu)勢，此外Ge與Si的4.2%的晶格失配率可以讓人們制造大小尺寸不同的納米結構，還可滿足其他多種器件的需要，如，單電子晶體管和紅外探測器等［3］。

多晶硅鍺比多晶硅優(yōu)越，用多晶硅鍺取代多晶硅作為太陽能材料，性價比很高，如，光吸收率高、光譜響應范圍可拓寬、工藝溫度低、禁帶寬度可調(diào)、性能更穩(wěn)定、與太陽能電池工藝完全兼容以及可以同非晶或多晶硅薄膜形成疊層結構［4-7］等。

SiGe是近年來興起的新型的半導體材料，它有許多獨特的物理性質和重要的技術應用價值，并與硅的微電子技術兼容，被認為是第二代硅材料。SiGe材料在電子和光電子半導體器件中得到了廣泛的應用。然而Si和Ge的晶格失配率高達4.2%，在磁控濺射提供的低能濺射條件下，使Si和Ge的共度生長成為超晶格制備制備過程中的一大難題，而且膜層受濺射技術的影響，其均勻性不令人滿意。

（2）SiGe薄膜的研究方法。長期以來，制膜技術和方法越來越多，如離子束濺射沉積、真空蒸發(fā)和沉積、化學氣相沉淀（CVD）和分子束外延（MBE）等，這些方法都各具特色，在一定程度上得到了應用。常用的有等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、直流和射頻濺射［8］、輝光放電分解法、磁控濺射法等。其中，磁控濺射的鍍膜方法在近幾年中越來越普遍，被認為是鍍膜技術中最突出的成就之一。它與MBE和CVD相比，具有工藝簡單、沉積溫度低、濺射率高、方向性強、膜—基結合力好、致密性高、低成本、易于工業(yè)化等優(yōu)點而成為鍍膜工業(yè)應用領域的首選方案。并且能濺射包括半導體、導體和絕緣體在內(nèi)的所有材料［9］，是制備各類光學薄膜的一種重要工藝手段［10］。磁控濺射技術現(xiàn)已制備了許多性能良好的硅、鍺薄膜［11，12］。從文獻來看，目前國內(nèi)用磁控濺射制備Si/Ge薄膜的研究的不是很多，但是有的高校已經(jīng)從影響薄膜質量與性能的主要參數(shù)，如：濺射溫度、濺射時間、周期［13］、Ge含量對Si結晶的影響［14，15］、退火溫度與時間以及偏壓［16］和壓強［17］等方面作了大量的實驗，而且許多實驗結果已經(jīng)同理論相結合應用于實際。然而這種太陽能電池經(jīng)過長時間的強光照射，S-W現(xiàn)象也會發(fā)生，所以遠達不到我們要求低成本、高效率的目的。磁控濺射同CVD相比，用CVD制備的Si/Ge薄膜中都摻雜了H元素，而H可以飽和Si中的懸掛鍵，使其缺陷態(tài)密度大大下降，又可以提高光轉化效率，但在國內(nèi)有關磁控濺射的文獻中一直未見有摻雜H的研究。據(jù)國外文獻報道，在RF中，當H2與Ar的配比為0.5時，H能導致沉積層的非結晶化和結晶度的退化，但是到目前還沒有明確的研究說明H2與Ar的配比對RF/DC的影響［18］。所以在今后的實驗過程中，這將是一個突破點。

（3）SiGe薄膜所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。我國是以煤為主要能源消耗的國家，但我國的煤只能開采不到50 a了，且隨著現(xiàn)代化的進程，我國已成為第二大石油消耗國和輸入國，能源壓力將日趨嚴重，能源安全問題早已提到議事日程上，因此，大力加強發(fā)展綠色可再生能源硅光伏產(chǎn)業(yè)及其基礎材料（高純半導體硅，多晶，單晶片），已成為當務之急。未來隨著中國太陽能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，多晶SiGe薄膜在太陽能電池中的應用比例將不斷擴大?？傊?，多晶SiGe太陽能電池是一個非常重要的研究方向。緊緊圍繞提高光電轉化效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標的各種新型太陽能電池的研究工作，一直在各發(fā)達國家及一些發(fā)展中國家積極進行。因此，可以預測SiGe薄膜太陽能電池的發(fā)展在我國將有著相當好的前景與機遇，但同時也會帶來嚴竣的挑戰(zhàn)。

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（編輯：苗運平）

Abstract：The preparation that the SiGe thin film solar cells were introduced,and the advantages and disadvantages of various preparation methods were analyzed.The preparation of SiGe thin film solar cells on the magnetron sputtering was reviewed.

Key words:solar cells，SiGe film，magnetron sputtering

SiGe Thin Film Solar Cell Development and Challenges

WANG Yan ZHANG Mingang CHAI Yuesheng
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

TM914.4+2

A

2011－01－11

1672-1152（2011）01-0008-02

山西省自然科學基金（2010011032-1）

王艷（1985-），女，現(xiàn)在太原科技大學讀碩士，研究方向是低維半導體的合成與制備。Tel：13453402586，E-mail:anqierwjlss2008@163.com

張敏剛，教授，博士生導師。Tel：0351－8560790，E-mail:malab@yeah.net