非晶/微晶相變區(qū)硅基薄膜太陽能電池研究進展

范閃閃,楊彥斌,于威,傅廣生

(1.河北工業(yè)大學 理學院，天津 300000；2.河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定 071002)

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非晶/微晶相變區(qū)硅基薄膜太陽能電池研究進展

范閃閃1,楊彥斌2,于威2,傅廣生2

(1.河北工業(yè)大學 理學院，天津 300000；2.河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定 071002)

綜述了非晶/微晶相變區(qū)硅基薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光電特性及其在太陽能電池中的應用進展.穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的寬帶隙初始晶硅薄膜處于非晶/微晶相變區(qū)的非晶硅一側(cè)，其相比于非晶硅具有更高的中程有序性和更低的光致衰退特性.低缺陷密度的窄帶隙納米晶硅薄膜處于非晶/微晶相變區(qū)的微晶硅一側(cè)，有效鈍化的納米硅晶粒具有較高的載流子遷移率和較好的長波響應特性.基于上述相變區(qū)硅薄膜材料的疊層電池已經(jīng)達到13.6%的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率.摻鍺制備的硅鍺薄膜可進一步降低薄膜的帶隙寬度，引入相變區(qū)硅鍺合金薄膜后，三結(jié)疊層電池初始效率已經(jīng)達到16.3%，四結(jié)疊層太陽能電池理論效率可以超過20%.

非晶/微晶相變區(qū)；中程有序性； 光致衰退；疊層電池

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和能源危機等問題日益突出，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，清潔可再生能源已經(jīng)成為調(diào)整當前能源結(jié)構(gòu)重要發(fā)展方向.中國地域面積大，蘊藏著巨大的太陽能資源，每年的太陽能接收量相當于17 000億噸標準煤[1].太陽能光伏發(fā)電以其無污染、總量大、應用形式多樣等優(yōu)點，已成為各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分.中國的光伏產(chǎn)業(yè)處在快速發(fā)展中，2015年新增光伏發(fā)電裝機約15 GW，同比增長逾40%，全國光伏發(fā)電累計裝機量達到約43 GW，超越德國成為全球光伏累計裝機量最大的國家.在“領跑者”計劃和電價下調(diào)等政策驅(qū)動下，預計2016年中國全年光伏裝機市場將達到20 GW以上[2].目前光伏市場主要是基于傳統(tǒng)晶硅電池的大型電站建設[3]，分布式光伏電站發(fā)展則剛剛起步.隨著城市節(jié)能減排和綠色環(huán)保需求的日益增加，以光伏建筑一體化為特征的分布式光伏電站已經(jīng)成為光伏應用的重要領域.在此方向，具有柔性、輕質(zhì)為主要特征的薄膜太陽能電池將迎來重要的發(fā)展機遇.

硅基薄膜太陽能電池作為技術(shù)發(fā)展較為成熟的薄膜電池之一，具有材料消耗少、成本低、便于大面積制備等優(yōu)勢；當以柔性材料為襯底時，光伏組件的可卷曲、不易破碎、易于與當前屋頂和幕墻結(jié)合等優(yōu)點，在光伏建筑一體化方面具有廣闊發(fā)展前景[4-6].硅基薄膜太陽能電池主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)和非晶硅鍺(a-SiGe)薄膜電池，分別采用不同帶隙的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜和非晶硅鍺合金薄膜作為本征吸光層.硅基薄膜太陽能電池面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是如何提高光電轉(zhuǎn)換效率.高穩(wěn)定性低缺陷的硅基薄膜材料以及基于不同帶隙吸收層材料優(yōu)化設計的高效電池結(jié)構(gòu)是提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的關鍵.

研究發(fā)現(xiàn)在非晶硅向微晶硅轉(zhuǎn)變的相變區(qū)附近可制備得到高質(zhì)量硅基薄膜材料.穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的寬帶隙初始晶硅薄膜處于非晶/微晶相變區(qū)的靠近非晶硅的一側(cè)，具有更高的中程有序性和較低的光致衰退特性.低缺陷密度的納米晶硅薄膜處于非晶/微晶相變區(qū)的靠近微晶硅的一側(cè)，納米晶硅薄膜表現(xiàn)出更高的載流子遷移率和增強的長波響應.通過引入不同帶隙的硅及硅鍺本征層吸收材料，合理設計多結(jié)疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)，可以獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率.本文對國內(nèi)外在非晶/微晶相變區(qū)硅及硅鍺薄膜材料以及上述材料在太陽能電池方面的應用進行了總結(jié).

1 非晶/微晶相變區(qū)硅薄膜

1.1 非晶/微晶相變區(qū)非晶硅側(cè)的初始晶硅薄膜

非晶硅是由硅原子構(gòu)成的短程有序而長程無序網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的半導體材料，該結(jié)構(gòu)含有大量的未飽和懸鍵，氫可以填補其中的懸鍵缺陷，降低禁帶中薄膜的缺陷態(tài)密度，目前所提到的非晶硅薄膜通常指該氫化非晶硅薄膜.非晶硅薄膜的帶隙比晶體硅寬，具有良好的短波段響應、大的吸收系數(shù)和高的光敏性，然而，由于含有大量的未飽和懸鍵，其較大的光致衰退效應(SW效應)[7]導致薄膜具有非常差的穩(wěn)定性.1981年Guha等[8]采用高氫氣稀釋的SiH4制備了氫化非晶硅薄膜，證明了該薄膜在長時間光照后的高光電穩(wěn)定性特征.研究表明，位于非晶/微晶相變邊緣處的非晶硅薄膜具有更低的缺陷密度和更高的光電穩(wěn)定性.由于該薄膜位于非晶/微晶相變邊緣靠近非晶相一側(cè)，該結(jié)構(gòu)薄膜通常稱為氫化初始晶硅薄膜(Proto-Si:H)[9].

Tsu等[10]采用高分辨透射電子顯微鏡對不同氫稀釋率條件下所制備的非晶/微晶硅的相變特征進行了分析，結(jié)果表明，在非晶/微晶相變區(qū)域，Proto-Si:H薄膜呈現(xiàn)為鑲嵌有微晶硅的非晶硅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其中微晶硅具有寬幾納米長幾十納米的線狀特征.Mahan等[11]的紅外吸收光譜特性分析揭示，非晶、微晶相變區(qū)邊緣非晶相一側(cè)薄膜中存在納米尺度的微小硅晶粒，而氫原子主要分布在這些晶粒的表面.張世斌等[12]對該類薄膜的拉曼散射特性分析揭示，微晶硅顆粒的出現(xiàn)有利于非晶硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)改善，Proto-Si:H薄膜相對非晶硅和微晶硅均表現(xiàn)出了更高的中程有序度.

與非晶硅薄膜相比，Proto-Si:H中缺陷較少導致其具有更高的光電穩(wěn)定性.Guha 等[13]采用激勵電平電容方法研究了Proto-Si:H薄膜缺陷與光電導特性關系，揭示了薄膜的光致衰退主要起源于光照引起的深能級缺陷態(tài)增加.郝會穎等[14]對非晶硅薄膜的瞬態(tài)I-V特性分析揭示，光照穩(wěn)定性與載流子傳輸特性緊密相關—關聯(lián)于載流子傳輸特性的改善，與普通非晶硅相比，Proto-Si:H薄膜的遷移率壽命乘積提高了2個量級以上.王巖等[15]對非晶硅/微晶硅的相變區(qū)薄膜的電導率進行理論模擬及實驗分析的結(jié)果表明，在非晶/微晶相變邊緣靠近非晶相側(cè)的非晶硅具有較高的光電穩(wěn)定性，如圖1所示.相對普通非晶硅，Proto-Si:H薄膜具有較高的光吸收特性和最高的光敏性.郝會穎等[16]對非晶硅/微晶硅的相變區(qū)薄膜的光電特性分析也已揭示，非晶/微晶相變區(qū)的Proto-Si:H薄膜兼具較高的光敏性和更高的穩(wěn)定性.

1.2 非晶/微晶相變區(qū)微晶硅側(cè)的納米晶硅薄膜

典型微晶硅薄膜由非晶、微晶和晶界組成[17-18].圖2給出了不同晶化率的硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖.隨著晶化率增大，薄膜由非晶硅向微晶硅過渡，微晶形貌由圓球狀逐步向柱狀晶粒轉(zhuǎn)變.該相變可通過調(diào)節(jié)薄膜制備過程中的氫氣和SiH4的稀釋比實現(xiàn)，薄膜生長過程中，活性氫可鈍化硅懸鍵，促進硅晶粒的形成和生長，薄膜晶化率隨稀釋比的增大而增強.當晶化率過高時，薄膜中的孔洞比較多；而晶化率太低時，薄膜中非晶成分過多.Guha等[19]認為隨著氫稀釋的提高，非晶硅向微晶硅轉(zhuǎn)化，硅晶粒尺寸變大，產(chǎn)生大量晶粒邊界和孔洞；隨薄膜厚度增加，硅晶粒尺寸進一步增大，晶粒邊界和孔洞隨之增大，雜質(zhì)沿晶界擴散，使薄膜材料更不均勻；處在相變邊緣的納米晶硅，晶粒尺寸小且均勻，所制備的太陽能電池效率較高.

圖1 有效介質(zhì)假設模擬計算結(jié)果Fig.1 Result of effective medium simulation

圖2 不同晶化率硅薄膜結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of Si film with different crystalline fraction

處在非晶/微晶相變邊緣靠近微晶相一側(cè)的硅薄膜也稱為氫化納米晶硅(nc-Si:H)薄膜，其具有相對致密的結(jié)構(gòu)以及高的載流子遷移率，所制備的電池效率和穩(wěn)定性較高[20-22].Vetterl等[20]指出微晶硅向非晶硅轉(zhuǎn)變邊界附近的硅薄膜微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為納米尺度的柱狀晶體顆粒鑲嵌在非晶硅中的混合相結(jié)構(gòu).Schropp等[21-22]發(fā)現(xiàn)納米晶硅層中納米硅顆粒長度在10～20 nm，納米晶硅薄膜晶化率為40%～50%.郝會穎等人[23]認為晶化率為40%～50%的兩相硅薄膜材料是本征層的最佳選擇.Schropp等[22]認為氫氣對納米晶硅晶界缺陷較好鈍化可能是納米晶硅電池效率高的原因.Finger等[17]對不同晶化率的微晶硅材料性能進行研究發(fā)現(xiàn)，高晶化率微晶硅中具有較多的晶界和微孔洞，存在嚴重的后氧化現(xiàn)象和吸附現(xiàn)象，具有一定的非晶成分的納米晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)相對致密，受后氧化影響較小.Houben等[18]研究不同晶化率微晶硅電池的衰退現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)高晶化率微晶硅電池光致衰退嚴重，而具有一定的非晶成分的納米晶硅電池只有很小的衰退.

2 非晶/微晶相變區(qū)硅鍺薄膜

鍺材料具有比硅材料更窄的帶隙，將鍺加入硅中可以得到帶隙范圍0.7～1.7 eV的硅鍺合金薄膜.硅鍺合金薄膜作為中間電池和底電池的本征吸收層，應用于疊層電池中可以有效拓展光譜響應范圍及提高電池的轉(zhuǎn)換效率.Schüttauf 等[24]指出在疊層電池中非晶硅鍺材料存在的光致衰退問題是目前需要解決的主要問題之一，高質(zhì)量硅鍺薄膜可在非晶/微晶相變區(qū)靠近非晶一側(cè)制備得到，將其應用于太陽能電池時可獲得更高的電池開路電壓和填充因子，并可有效抑制光致衰退現(xiàn)象.與非晶硅薄膜類似，人們將非晶/微晶相變靠近區(qū)非晶側(cè)的硅鍺薄膜稱為初始晶硅鍺薄膜(Proto-SiGe:H)[21].

氫稀釋率和鍺含量是影響非晶/微晶相變區(qū)硅鍺薄膜微結(jié)構(gòu)及光電特性的重要因素.Krausea等[25]研究了硅鍺薄膜的微結(jié)構(gòu)和光電特性，結(jié)果揭示，氫稀釋率降低導致薄膜由微晶向非晶轉(zhuǎn)化；隨著鍺含量增加，薄膜受鍺摻入的影響而更容易由微晶相向非晶相轉(zhuǎn)變；非晶相薄膜的鍺含量高于微晶相薄膜的鍺含量，隨鍺含量增加，薄膜暗電導率增加，而光電導率降低；氫稀釋率變化對暗電導的影響高于鍺含量變化引起的影響.Sun等[26]對不同氫稀釋率下硅鍺薄膜的研究發(fā)現(xiàn)，器件級高質(zhì)量微晶硅鍺薄膜位于非晶/微晶相變區(qū)靠近微晶相一側(cè)，非晶/微晶相變區(qū)邊緣的微晶硅鍺薄膜相比于微晶薄膜需要更高的氫稀釋率才可制備得到.

3 非晶/微晶相變區(qū)硅基疊層太陽能電池

多結(jié)疊層太陽能電池設計被認為是提高硅基薄膜電池效率的有效方法.太陽光譜能量分布較寬，將太陽光譜分為連續(xù)的若干部分，采用帶隙與這些光譜部分具有最佳匹配的吸收材料制備成子電池，并沿光入射方向按禁帶寬度從大到小的順序疊合起來構(gòu)成疊層太陽能電池[27]，優(yōu)先讓波長最短的光被寬帶隙材料電池利用，再讓波長較長的光能夠透射進去被較窄禁帶寬度材料電池利用.初始晶硅薄膜具有帶隙較寬、短波響應強和光吸收系數(shù)高等特點，作為本征吸光層時所需厚度較薄，可以作為頂電池材料；微晶硅薄膜在長波區(qū)域吸收系數(shù)高，可以作為中間電池或底電池材料；硅鍺薄膜帶隙可調(diào)，可得到帶隙最低為0.7 eV的窄帶隙材料，可以作為中間電池或底電池材料，進一步拓展長波響應范圍.

位于非晶/微晶相變區(qū)的初始晶硅薄膜、微晶硅薄膜及硅鍺薄膜已廣泛應用于多結(jié)疊層太陽能電池[28-29].Schropp等[21]研究了a-Si/a-SiGe/nc-Si:H三結(jié)疊層太陽能的制備，該結(jié)構(gòu)的太陽能電池的底層電池本征層為納米晶硅薄膜，由于采用相變區(qū)硅和硅鍺薄膜材料作為本征層，在柔性不銹鋼襯底上電池的穩(wěn)定效率達到11%，電池表現(xiàn)出了較好的光致衰退穩(wěn)定性.Yang等[30，19]研究了a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)疊層太陽能電池的制備，為使電池效率達到最高，每個子電池中的本征層均采用了相變區(qū)靠近非晶相一側(cè)的過渡材料，優(yōu)化后不銹鋼柔性襯底上電池初始效率為14.6%，經(jīng)光照1 000 h后電池穩(wěn)定效率達到13%.為進一步提高電池的穩(wěn)定性，Sai等[31]制備了短路電流由高穩(wěn)定性μc-Si:H中間子電池限制的a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H三節(jié)疊層電池，穩(wěn)定效率達到了13.6%.

硅薄膜太陽能電池的摻雜層采用相變區(qū)硅薄膜也可有效提升光電轉(zhuǎn)換效率.美國Uni-Solar公司Yan等[32]制備了a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H結(jié)構(gòu)的柔性三結(jié)疊層電池，初始效率達15.4%.圖3給出了采用不同P型材料提升開路電壓的示意圖，可以看出在選取非晶/微晶相變區(qū)邊緣材料作為頂電池的P型窗口層時，可有效提高頂電池開路電壓到1.055 V.2011年Yan等[33]將N型氫化納米晶硅氧薄膜材料引入a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H結(jié)構(gòu)的三結(jié)NIP結(jié)構(gòu)電池中，納米晶硅氧材料兼具作為電池n型層和內(nèi)反射層的雙重功能.圖4給出給出了該結(jié)構(gòu)太陽能電池的J-V曲線及量子效率曲線，可以看出該三結(jié)電池效率提高到16.3%，并且具有較佳的填充因子及覆蓋不同太陽光譜段的較高光譜響應.

Isabella等[34]模擬設計了四結(jié)高效硅基薄膜太陽能電池，對結(jié)構(gòu)為NIP型的a-Si:H/a-SiGe:H/ nc-Si:H/nc-SiGe:H電池，各子電池本征吸光層材料分別采用帶隙1.9 eV的非晶硅、1.5 eV的非晶硅鍺、1.12 eV的納米晶硅和0.95 eV的納米晶硅鍺，在優(yōu)化的光管理條件下，模擬獲得的最高電池初始效率可以接近20%.

4 問題與展望

非晶/微晶相變區(qū)兩側(cè)邊緣的硅及硅鍺薄膜材料表現(xiàn)出較高的光照穩(wěn)定性及優(yōu)異的光電特性.處于非晶/微晶相變區(qū)靠近非晶硅一側(cè)的寬帶隙初始晶硅薄膜相對于非晶硅具有更高的中程有序性和更低的光致衰退特性，而處于非晶/微晶相變區(qū)的微晶硅側(cè)的納米晶硅薄膜具有更高的載流子遷移率和更佳的長波響應.基于上述相變區(qū)硅薄膜材料的疊層電池已經(jīng)達到13.6%的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率.通過摻入鍺制備的硅鍺薄膜可進一步降低薄膜的帶隙寬度，拓展長波方向的光譜響應范圍，引入硅鍺合金薄膜子電池后，三結(jié)疊層電池初始效率已經(jīng)達到16.3%，四結(jié)疊層太陽能電池理論效率可以接近20%.

持續(xù)提高硅基薄膜電池轉(zhuǎn)換效率仍是推動硅基薄膜電池大規(guī)模應用的關鍵要素.在提高電池轉(zhuǎn)換效率的基礎上，以柔性輕質(zhì)為主要特征的高效柔性硅薄膜太陽能電池將在未來迎來重要的發(fā)展機遇.通過在材料、工藝技術(shù)等方面的不斷創(chuàng)新將可進一步提高硅基薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率.由于波長700～2 500 nm的光譜波段占太陽光能量的52%，為了更有效的利用太陽光的能量，進一步優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設計和光管理技術(shù)，通過設計全光譜、高效率多結(jié)疊層硅基薄膜太陽能電池實現(xiàn)太陽光譜的高效分段吸收，可有效提高電池效率.

圖3 提高電池開路電壓的不同技術(shù)Fig.3 Improvement of Voc bydifferent technologies

圖4 a.a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三結(jié)疊層電池J-V曲線；b.量子效率曲線Fig.4 a.J-V characteristics;b.QE curves of a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H triple-junction solar cell

[1] 蔡紅軍，趙佳，程偉科.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2013，8:128-129.

[2] 王勃華.光伏行業(yè)2015年回顧與2016年展望[Z].光伏行業(yè)2015年回顧與2016年展望研討會，北京，2016.

[3] CHAPIN D M，F(xiàn)ULLER C S，PEARSON G L.A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power [J].Journal of the Applied Physics，1954，25:676-677.DOI:10.1063/1.1721711.

[4] 劉志全,楊淑利,濮海玲．空間太陽能電池陣的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].航天器工程,2012，21(6):112-118.DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2012.06.018. LIU Z Q，YANG S L，PU H L.Development and trend of space solar array technology[J].Spacecraft Engineering，2012，21(6):112-118.

[5] 董磊．柔性薄膜電池與光伏建筑一體化[J].中國建筑防水，2011，15:27-32.DOI: 10.15901/j.cnki.1007-497x.2011.15.006. DONG L.Flexible thin film silicon solar cells & BIPV[J].China Building Waterproofing，2011，15:27-32.

[6] 李婭莉,趙欲曉,蘇建梅,等．柔性太陽能電池在服裝領域的應用[J].上海紡織科技，2013，41(2):1-4.

[7] SEATBLER D L，WRONSKI C R.Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si [J].Applied Physics Letters，1977，31(4):292 -294.DOI:10.1063/1.89674.

[8] GUHA S，NARASIMHAN K L，PIETRUSZKO S M.On light-induced effect in amorphous hydrogenated silicon[J].Journal of Applied Physics，1981，52(2):859-860.DOI: 10.1063/1.328849.

[9] SCHROPP R E I，VEEN M K van，WERF C H M van der ，et al.Protocrystalline silicon at high rate from undiluted silane[J]. Materials Research Society Symposium Proceeding，2004，808:841-846.

[10] TSU D V，CHAO B S，OVSHINSKY S R.Effect of hydrogen dilution on the structure of amorphous silicon alloys[J].Applied Physics Letters，1997，71:1317-1319.DOI :10.1063/1.119928.

[11] MAHAN A H，YANG J，GUHA S，et al.Structural changes in a-Si:H film crystallinity with high H dilution[J].Physical Review B，2000，61:1677-1680.DOI : 10.1103/PhysRevB.61.1677.

[12] 張世斌,廖顯伯,安龍,等.非晶/微晶過渡區(qū)域硅薄膜的微區(qū)喇曼散射研究[J].物理學報，2002，51(8):1811-1815. ZHANG S B，LIAO X B，AN L，et al.Micro-Raman study on hydrogenated proto-crystalline silicon films[J].Chinese Journal of Physics，2002，51(8):1811-1815.

[13] GUHA S，YANG J，WILLIAMSON D L，et al.Structural，defect，and device behavior of hydrogenated amorphous Si near and above the onset of microcrystallinity[J].Applied Physics Letters，1999，74:1860-1862.DOI:10.1063/1.123693.

[14] 郝會穎,孔光臨,刁宏偉,等.非晶/微晶相變區(qū)硅薄膜遷移率壽命乘積的研究[Z].第八屆光伏會議，深圳，2004.

[15] 王巖，韓曉艷，任慧志,等.相變區(qū)硅薄膜材料的光穩(wěn)定性[J].物理學報，2006，55(2):947-951. WANG Y，HAN X Y，REN H Z，et al.Stability of mixed phase silicon thin film material under light soaking[J].Chinese Journal of Physics，2006，55(2):947-951.

[16] 郝會穎,孔光臨,曾湘波,等.非晶/微晶相變區(qū)硅薄膜及其太陽能電池[J].物理學報，2005，54(7):3327-3331. HAO H Y，KONG G L，ZENG X B，et al.Transition films from amporphous to microcrystalline silicon and solar cells[J].Chinese Journal of Physics，2005，54(7):3327-3331.

[17] TZOLOV M，F(xiàn)INGER F，CARIUS R，et al.Optical and transport studies on thin microcrystalline silicon films prepared by very high frequency glow discharge for solar cell applications[J].J Appl Phys,1997,81:7376.DOI:10.1063/1.365354.

[18] HOUBEN L，SCHOLTEN C，LUYSBERG M，et al.Growth of microcrystalline nip Si solar cells: role of local epitaxy[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2002,299-302:1189-1193.DOI:10.1016/S0022-3093(1)01138-3.

[19] GUHA S.Thin film silicon solar cells grown near the edge of amorphous to microcrystalline transition[J].Solar Energy，2004，77:887-892.DOI:10.1016/j.solener.2004.06.014.

[20] VETTERL O，F(xiàn)INGER F，CARIUS R，et al.Intrinsic microcrystalline silicon: A new material for photovoltaics[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2000，62:97-108.DOI:10.1016/S0927-0248(99)00140-3.

[21] SCHROPP R E I，LI H，F(xiàn)RANKEN R H，et al.Nanostructured thin films for multiband-gap silicon triple junction solar cells[J].Thin Solid Films，2008，516:6818-6823.DOI:10.1016/j.tsf.2007.12.089.

[22] SCHROPP R E I，RATH J K，LI H，et al.Growth mechanism of nanocrystalline silicon at the phase transition and its application in thin film solar cells[J].Journal of Crystal Growth，2009，311:760-764.DOI: 10.1016/ j.jcrysgro.2008.09.155.

[23] 郝會穎，孔光臨，曾湘波，等.非晶/微晶兩相硅薄膜電池的計算機模擬[J].物理學報，2005，52(7):3370-3374. HAO H Y，KONG G L，ZENG X B，et al.Computer simulation of a-Si:H /μc-Si:H diphasic silicon solar cells[J].Chinese Journal of Physics，2005，52(7):3370-3374.

[24] SCHüTTAUFN J W，NIESEN B，L?FGREN L，et al.Amorphous silicon-germanium for triple and quadruple junction thin-film silicon based solar cells[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2015，133:163-169.DOI:10.1016/j.solmat.2014.11.006.

[25] KRAUSEA M，STIEBIG H，CARIUS R，et al.Structural and optoelectronic properties of microcrystalline silicon germanium[J].Journal of Non-Crystalline Solids，2002，299:158-162.DOI: 10.1016/S0022-3093(01)01195-4.

[26] SUN J Y，JUN K K，SEONG H L，et al.Phase transition of hydrogenated SiGe thinfilms in plasma-enhanced chemical vapor deposition[J].Thin Solid Films，2013，546:362-366.DOI:10.1016/j.tsf.2013.04.071.

[27] 李毅，胡盛明.非晶硅疊層太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 [J].真空科學與技術(shù)學報，2000，20(3): 222-225.DOI:10.13922/j.cnki.cjovst.2000.03.019. LI Y，HU S M.Development trends in amorphous silicon tandem solar cells[J].Vacuum Science and Technology，2000，20 (3):222-225.

[28] 林鴻生，林罡，段開敏.a-Si/μc-Si 疊層結(jié)構(gòu)太陽能電池中的光誘導性能衰退[J].固體電子學研究與進展，2000，20(8): 313-317. LIN H S，LIN G，DUAN K M.Light-induced degradation in a-Si/μc-Si tandem solar Cells[J].Research & Progress of SSE，2000，20(8): 313-317.

[29] 薛俊明，麥耀華，趙穎，等.薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的研究[J].太陽能學報，2005，26(2): 166-169. XUE J M，MAI Y H，ZHAO Y，et al.Investigation on a-Si/μc-Si tandem solar cells[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2005，26(2): 166-169.

[30] YANG J，BANERJEE A，GUHA S.Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies[J].Applied Physics Letters，1997,70:2975-2977.DOI: 10.1063/1.118761.

[31] SAI H，MATSUI T，KOIDA T.Triple-junction thin-film silicon solar cell fabricated on periodically textured substrate with a stabilized efficiency of 13.6%[J].Applied Physics Letters,2015,106(21):113512.DOI:10.1063/1.4921794.

[32] YAN B J，YUE G Z，YANG J，et al.Correlation of current mismatch and Fill factor in amorphous and nanocrystalline silicon based high efficiency multi-junction solar cells[Z].Photovoltaic Specialists Conference，San Diego,2008.

[33] YAN B J，YUE G Z，SIVEC L，et al.Innovative dual function nc-SiOx:H layer leading to a >16% efficient multi-junction thinfilm silicon solar cell[J].Applied Physics Letters，2011，99: 113512.DOI:10.1063/1.3638068.

[34] ISABELLA O，SMETS A H M，ZEMAN M.Thin-film silicon-based quadruple junction solar cells approaching 20% conversion efficiency[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2014，129:82-89.DOI:10.1016/j.solmat.2014.03.021.

(責任編輯：孟素蘭)

Research progress of amorphous to microcrystalline phase transition silicon thin film solar cell

FAN Shanshan1,YANG Yanbin2,YU Wei2,FU Guangsheng2

(1.School of Science，Hebei University of Technology,Tianjin 300000,China;2.College of Physics Science and Technology，Hebei University,Baoding 071002,China)

The microstructure，optoelectronic property and the application in solar cell of Si films and SiGe alloy films near phase transition from amorphous to microcrystalline are outlined.The proto-crystalline Si films (proto-Si) with improved medium range order are grown at the amorphous phase side of the phase transition region，showing remarkable stability against light soaking.The high quality nano-crystalline Si films (nano-Si) with low defect density are grown just at the microcrystalline phase side of the phase transition region，showing high carrier mobility and higher long wavelength response due to the embedded Si nano-crystals.The triple-junction solar cell has achieved stable efficiency of 13.6% by using proto-Si，nano-Si and microcrystalline Si(uc-Si) as absorber layer.Increasing Ge content can further decrease the optical band gap of SiGe alloy film.By introducing SiGe alloy films as the absorber layer of sub-cell，the triple-junction stacked solar cell attains an initial cell efficiency of 16.3%，and the theoretical conversion efficiency of simulated quadruple junction solar cell can reach 20%.

phase transition from amorphous to microcrystalline；medium range order；light-induced degradation；multi-junction solar cell

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.004

2016-03-10

國家自然科學基金資助項目(60940020) ；河北省應用基礎研究計劃重點基礎研究項目(12963929)

范閃閃(1981—),女，河北石家莊人，河北工業(yè)大學在讀博士研究生，主要從事太陽能電池材料方面研究. E-mail:fanss1981@126.com

O756

A

1000-1565(2016)05-0468-06