光纖太陽電池

本刊 賈旭平

傳統(tǒng)的晶片太陽電池通常都是制作在剛性基底上。最近，一支來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師、化學(xué)家、物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)發(fā)明出一款光纖太陽電池。這款電池比頭發(fā)還細(xì)，具有柔性，且發(fā)電能力與普通太陽電池相比毫不遜色。美國軍方對(duì)這項(xiàng)技術(shù)非常感興趣，已經(jīng)準(zhǔn)備把這種光纖維織到軍裝里，這樣士兵們就真正擁有了一件可穿戴的電源。

其實(shí)，這款光纖產(chǎn)品最初就是由普通的玻璃光學(xué)纖維制作的。之后，科學(xué)家才使用高壓化學(xué)氣相沉積法（HPCVD）將n，i和p型硅注入到纖維中，制作成電池。從功能上講，這種摻雜了硅的光纖維與傳統(tǒng)太陽電池是一樣的，都可以通過光伏效應(yīng)發(fā)電。但是目前市場(chǎng)上的太陽電池幾乎都是2D結(jié)構(gòu)，即在剛性或易碎玻璃基板上制作的平面非晶硅電池。而這種光纖維太陽電池具有3D截面，能保持光纖維的本來柔性。

本研究的帶頭人John Badding說：“目前研究小組已經(jīng)制作出了幾米長(zhǎng)的纖維。如果采用我們的新技術(shù)，那么就有可能制作出長(zhǎng)度超過10米的可彎曲硅太陽電池纖維?！比绻饫w太陽電池的長(zhǎng)度能達(dá)到這個(gè)量級(jí)的話，剩下的問題就是將其織入織物之中了。Badding說：“目前軍方對(duì)設(shè)計(jì)士兵可穿戴電源非常感興趣，但遺憾的是我們還沒能看到混織光纖太陽電池的織物。”雖然太陽電池纖維看起來柔韌性很好（從圖1中可以看出），但是它是否能接受隨意角度的彎曲還未得到證實(shí)，且材料的耐磨性還未能得到測(cè)試，畢竟衣服是隨身穿戴的，軍裝的耐磨性要求更高。

未來，柔性可織造太陽電池的應(yīng)用潛力非常巨大。從目前看，我們可以將太陽電池織成棒球帽或T恤，這樣就可以邊走邊為我們的手機(jī)充電。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，仿生器官和其他生物醫(yī)藥裝置都迫切需要一種可穿戴的電源，而光纖維太陽電池正好可以滿足這種需求。

另外，這種光纖維還有其他兩個(gè)令人興奮的性能，不過還需要進(jìn)一步的研究。由于這種纖維具有3D截面，因此可從任意角度吸收陽光，不會(huì)出現(xiàn)隨著角度的變化呈現(xiàn)效率衰減的趨勢(shì)。而傳統(tǒng)2D太陽電池在太陽低于某個(gè)角度時(shí)，效率就會(huì)降低。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的另外一名成員Pier Sazio透露，他們使用同樣的硅注入工藝將光電探測(cè)器植入到光纖維中。Sazio沒有具體描述這樣可能產(chǎn)生的結(jié)果，但是我們可以充分地發(fā)揮想象力：一個(gè)可穿戴的電腦，可實(shí)現(xiàn)太陽能充電，且擁有高速網(wǎng)絡(luò)。

圖1 用高壓化學(xué)氣相沉積制備毛細(xì)管硅p-i-n結(jié)纖維

光纖太陽電池的制造

用高壓化學(xué)氣相沉積法將n+，i，p+層非晶硅按順序沉積在直徑為5～15 μm的纖維孔中，結(jié)晶后就會(huì)形成共軸p-i-n結(jié)構(gòu)纖維，長(zhǎng)度可達(dá)1.5 m[見圖1(a)(b)]。通過選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，材料之間因熱膨脹引起的機(jī)械應(yīng)變就會(huì)降至最低，這對(duì)制作共軸p-i-n結(jié)構(gòu)纖維非常重要。融入到非結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜中的氫氣在結(jié)晶過程中會(huì)逸出，所以還要避免因體積收縮引起的機(jī)械應(yīng)變。通過選擇工藝條件，即不允許過多的氫氣融入到非晶硅薄膜中，這種應(yīng)變就可以避免。p+和n+層的摻雜濃度非常高，約為1020cm-3，這可以從反應(yīng)混合物中摻雜劑前驅(qū)體的分壓力判斷出來。i層不會(huì)進(jìn)行刻意摻雜，但是會(huì)含有少量的n型層，自由電子的濃度約為1016cm-3，這可通過場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)量值確定。因此，這里制作的結(jié)嚴(yán)格意義上講是p+-n--n+，不過這里稱其為p-i-n結(jié)。將孔用層填滿是可能的，因?yàn)闅錃夥磻?yīng)的副產(chǎn)品可以通過二氧化硅毛細(xì)管壁擴(kuò)散[如圖1(b)]。

Si p-i-n線可在機(jī)械性能強(qiáng)大的二氧化硅毛細(xì)管模版內(nèi)部應(yīng)用或蝕刻出來。在蝕刻時(shí)，他們不僅柔性好，而且強(qiáng)壯，還具有多晶特性。他們可容易地打結(jié)成環(huán)，可承受的應(yīng)力估計(jì)會(huì)大于1%(Si p-i-n線直徑與彎曲環(huán)直徑的比值)。摻雜層的結(jié)構(gòu)可從激光顯微拉曼光譜儀檢測(cè)出來，從圖1(e)和(f)可以看出有陡峭的n+-i和i-p+界面。實(shí)驗(yàn)中，研究人員注意到如果將Si p-i-n線在高溫下退火較長(zhǎng)時(shí)間(如950℃12 h)可導(dǎo)致?lián)诫s劑有非常明顯的相互擴(kuò)散。不過如果能謹(jǐn)慎選擇結(jié)制作流程，這種情況也是可以避免的。

p-i-n纖維與智能纖維一樣具有光伏效應(yīng)和光電子功能。長(zhǎng)度1 cm的p-i-n纖維具有明顯的結(jié)面二極體特性，整流I-V曲線見圖2。在AM1.5條件下測(cè)試?yán)w維結(jié)的光伏響應(yīng)，開路電壓為0.22 V，短路電流密度為2 mA/cm2，填充因子為0.55，總的轉(zhuǎn)換效率為0.5%。造成纖維效率低的一個(gè)原因是光吸收效率低，因?yàn)楸狙芯恐衟-i-n結(jié)中的摻雜層和本征層的厚度沒有經(jīng)過優(yōu)化。以圖3為例，最外面的0.5 μm層其實(shí)只吸收短波光線，而大部分的能量都以熱的形式浪費(fèi)掉。由于摻雜度較高(大約為1020cm-3)和多晶結(jié)構(gòu)，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度非常短(大約小于100 nm)。另一個(gè)原因是1 μm厚的i層由于太薄，所以不能有效吸收用于光伏轉(zhuǎn)換的長(zhǎng)波段光線。克服這一難題的辦法就是將n+層做得更薄，將i層做得更厚。

圖2 硅結(jié)光伏和光檢測(cè)纖維

圖3 Si結(jié)纖維的高速光電控測(cè)

光纖太陽電池的前景

基于光纖的太陽電池已經(jīng)引起了越來越多人的興趣，因?yàn)樗型鼙恢瞥奢p質(zhì)、柔性的材料，如紡織品，具有經(jīng)濟(jì)、便攜，甚至是可穿戴的性能。由于其圓形的截面和獨(dú)立的特性使其能吸收來自各個(gè)方向的光線，因此它可用漫射光和反射光發(fā)電。相反，傳統(tǒng)剛性基底的平面太陽電池只能吸收一面的光線。目前，光纖太陽電池的研究主要集中在有機(jī)和聚合物材料上，但是由于Si儲(chǔ)量豐富、可靠性高、制造容易和潛在的高性能，所以Si光纖太陽電池更具吸引力。由于光纖太陽電池具有結(jié)晶硅結(jié)構(gòu)，所以使得纖維可作為高性能光電子器件，而這一優(yōu)點(diǎn)又是有機(jī)或非晶光電子器件所不具備的。