非晶硅

非晶硅(a-Si)是用于太阳能电池和LCD中的薄膜晶体管的非晶硅形式。

用作a-Si太阳能电池或薄膜硅太阳能电池的半导体材料,它以薄膜形式沉积在各种柔性基板上,例如玻璃,金属和塑料。 非晶硅电池通常具有低效率,但是是最环保的光伏技术之一,因为它们不使用任何有毒的重金属,例如镉或铅。

作为第二代薄膜太阳能电池技术,非晶硅曾一度有望成为快速增长的全球光伏市场的主要贡献者,但由于传统晶体硅电池和其他薄型电池的激烈竞争而失去其重要性。电影技术,如CdTe和CIGS。

非晶硅不同于其他同素异形变化,例如单晶硅 – 单晶硅和多晶硅,其由小晶粒(也称为微晶)组成。

描述
硅是四重配位原子,通常四面体键合到四个相邻的硅原子上。 在晶体硅(c-Si)中,这种四面体结构在很大范围内持续,从而形成良好有序的晶格。

在非晶硅中,不存在这种长程有序。 相反,原子形成连续的随机网络。 而且,并非非晶硅内的所有原子都是四重配位的。 由于材料的无序性质,一些原子具有悬空键。 在物理上,这些悬空键表示连续随机网络中的缺陷并且可能导致异常电气行为。

该材料可以被氢钝化,氢键与悬空键结合并且可以将悬空键密度降低几个数量级。 氢化非晶硅(a-Si:H)具有足够少的缺陷,可用于诸如太阳能光伏电池的器件中,特别是在原晶生长方案中。 然而,氢化与光诱导的材料降解有关,称为Staebler-Wronski效应。

非晶硅和碳
硅和碳的非晶态合金(非晶碳化硅,也是氢化的,a-Si1-xCx:H)是一种有趣的变体。 碳原子的引入为控制材料的性质增加了额外的自由度。 该薄膜也可以对可见光透明。

增加合金中的碳浓度扩大了导带和价带之间的电子间隙(也称为“光学间隙”和带隙)。 这可以潜在地提高由非晶碳化硅层制成的太阳能电池的光效率。 另一方面,由于原子网络中的无序增加,作为半导体(主要是电子迁移率)的电子特性受到合金中碳含量增加的不利影响。

在科学文献中发现了几项研究,主要研究了沉积参数对电子质量的影响,但仍然缺乏非晶碳化硅在商业设备中的实际应用。

属性
非晶硅的密度在300K下计算为4.90×1022原子/ cm3(2.285g / cm3)。这是使用薄(5微米)非晶硅条带完成的。 该密度在300K时比结晶Si的密度低1.8±0.1%。硅是少数在冷却时膨胀的元素之一,其固体密度低于液体密度。

氢化非晶硅
未氢化的a-Si具有非常高的缺陷密度,这导致不希望的半导体特性,例如差的光电导性,并且防止掺杂,这对于设计半导体特性是至关重要的。 通过在制造非晶硅期间引入氢,光电导率得到显着改善并且掺杂成为可能。 氢化非晶硅a-Si:H首先由Chittick,Alexander和Sterling在1969年通过使用硅烷气体(SiH4)前体的沉积制造。 由于杂质,所得材料显示出较低的缺陷密度和增加的导电性。 对a-Si:H的兴趣来自于(1975年),LeComber和Spear发现了使用磷化氢(n型)或乙硼烷(p型)取代a-Si:H的能力。 哈佛的保罗小组证实了氢在减少缺陷中的作用,他们通过红外振动发现氢浓度约为10原子%,对于Si-H键,其频率约为2000 cm-1。 从20世纪70年代开始,a-Si:H由RCA在太阳能电池中开发,2015年效率稳步攀升至约13.6%。

CVD PECVD 催化CVD 溅射
电影的类型 的a-Si:H 的a-Si:H 的a-Si:H 的a-Si
独特的应用 大面积电子产品 无氢沉积
室温 600C 30-300C 30-1000C
有效元件温度 2000C
室压力 0.1-10托 0.1-10托 0.001-0.1托
物理原理 热解 血浆诱导的解离 热解 Si源的电离
主持人 W / Ta加热线 氩阳离子
典型的驱动电压 RF 13.56 MHz; 0.01-1W / cm 2
Si源 SiH 4气体 SiH 4气体 SiH 4气体
基板温度 可控制 可控制 可控制 可控制

应用
虽然a-Si与c-Si相比具有较低的电子性能,但它在其应用中更加灵活。 例如,可以使a-Si层比c-Si薄,这可以节省硅材料成本。

另一个优点是a-Si可以在非常低的温度下沉积,例如低至75摄氏度。 这不仅可以沉积在玻璃上,还可以沉积在塑料上,使其成为卷对卷加工技术的候选者。 一旦沉积,a-Si可以以类似于c-Si的方式掺杂,以形成p型或n型层并最终形成电子器件。

另一个优点是可以通过PECVD在大面积上沉积a-Si。 PECVD系统的设计对这种面板的生产成本具有很大影响,因此大多数设备供应商将注意力集中在PECVD的设计上以获得更高的产量,这导致更低的制造成本,特别是当硅烷被回收时。

玻璃上的小(1mm×1mm)a-Si光电二极管阵列用作一些平板探测器中的可见光图像传感器,用于荧光透视和放射线照相。

光伏
非晶硅(a-Si)已被用作光伏太阳能电池材料,用于需要很少功率的器件,例如袖珍计算器,因为它们与传统晶体硅(c-Si)太阳能电池相比性能较低,它们简化并降低了在基板上沉积的成本。 第一批太阳能计算器已于20世纪70年代末上市,如Royal Solar 1,Sharp EL-8026和Teal Photon。

最近,a-Si构造技术的改进使得它们对于大面积太阳能电池的使用也更具吸引力。 在这里,它们较低的固有效率至少部分地由它们的薄度构成 – 通过将多个薄膜电池堆叠在彼此之上可以达到更高的效率,每个薄膜电池都被调谐为在特定频率的光下工作良好。 这种方法不适用于c-Si电池,c-Si电池由于其间接带隙而很厚,因此很大程度上是不透明的,阻挡光到达堆叠中的其他层。

非晶硅光伏器件的低效率的来源主要是由于材料的低空穴迁移率。 这种低空穴迁移率归因于材料的许多物理方面,包括悬空键(具有3个键的硅),浮动键(具有5个键的硅)以及键重构。 虽然已经做了很多工作来控制这些低移动性的来源,但有证据表明,大量相互作用的缺陷可能导致移动性本身受到限制,因为减少一种类型的缺陷会导致形成其他缺陷。

a-Si在大规模生产中的主要优点不是效率,而是成本。 a-Si电池仅使用典型c-Si电池所需的一小部分硅,并且硅的成本历来是电池成本的重要贡献者。 然而,迄今为止,由于多层结构而导致的较高制造成本使得a-Si没有吸引力,除了它们的薄度或柔韧性是有利的。

通常,非晶硅薄膜电池使用pin结构。 将p型层放置在顶部也是由于较低的孔移动性,允许孔穿过较短的平均距离以便收集到顶部接触。 典型的面板结构包括正面玻璃,TCO,薄膜硅,背面接触,聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和背面玻璃。 Uni-Solar是Energy Conversion Devices的一个部门,生产一种柔性背衬,用于滚涂屋顶产品。 然而,世界上最大的非晶硅光伏制造商不得不在2012年申请破产,因为它无法与传统太阳能电池板的快速下降价格竞争。

微晶和非晶硅
微晶硅(也称为纳米晶硅)是非晶硅,但也含有小晶体。 它吸收更广泛的光谱并且具有灵活性。 微晶硅模块技术在顶部和底部光伏电池中结合了两种不同类型的硅,非晶硅和微晶硅。 夏普使用该系统生产细胞,以便更有效地捕获蓝光,在没有直射阳光照射的情况下提高细胞的效率。 原晶硅通常用于优化a-Si光伏电池的开路电压。

大规模生产
Xunlight公司已获得超过4000万美元的机构投资,已完成安装其首个用于生产薄膜硅光伏组件的25兆瓦宽幅卷对卷光伏制造设备。 安威科技还在河南完成了其首个40兆瓦a-Si薄膜太阳能电池板制造工厂的安装,该工厂采用内部设计的多基板多室PECVD设备。

光伏热混合太阳能集热器
光伏热混合太阳能集热器(PVT)是将太阳辐射转换成电能和热能的系统。 这些系统将太阳能电池与太阳能集热器相结合,太阳能电池将电磁辐射(光子)转换为电能,太阳能集热器捕获剩余能量并从太阳能光伏组件中去除废热。 由于电阻增加,太阳能电池的温度上升导致效率下降。 大多数这样的系统可以设计成将热量带离太阳能电池,从而冷却电池,从而通过降低电阻来提高其效率。 虽然这是一种有效的方法,但与太阳能集热器相比,它会使热部件性能不佳。 最近的研究表明,具有低温度系数的a-Si:H PV允许PVT在高温下操作,产生更共生的PVT系统并且将a-Si:H PV的性能提高约10%。

薄膜晶体管液晶显示器
非晶硅已成为薄膜晶体管(TFT)中有源层的首选材料,薄膜晶体管最广泛用于大面积电子应用,主要用于液晶显示器(LCD)。

薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)显示出与半导体产品类似的电路布局工艺。 然而,不是由形成晶体硅晶片的硅制造晶体管,而是由沉积在玻璃面板上的非晶硅薄膜制成。 通常使用PECVD工艺沉积用于TFT-LCD的硅层。 晶体管仅占据每个像素面积的一小部分,并且硅膜的其余部分被蚀刻掉以允许光线容易地穿过它。

多晶硅有时用于需要更高TFT性能的显示器中。 示例包括小型高分辨率显示器,例如投影仪或取景器中的显示器。 非晶硅基TFT是迄今为止最常见的,因为它们的生产成本较低,而多晶硅TFT更昂贵且更难以生产。