當(dāng)前，提高薄膜太陽(yáng)能電池的效率是大家所關(guān)注的研究課題。除了表面絨化和抗反射層外，金屬納米圖形對(duì)于增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)能電池的吸收已引起更多的注意。以前的研究表明，不同直徑的金屬納米點(diǎn)能在800nm處將光電子流提高數(shù)倍。為了研究金屬納米點(diǎn)對(duì)增強(qiáng)吸收的作用，納米點(diǎn)的尺寸和分布必須均勻。有幾種方法已用于制造金屬納米圖形，例如常規(guī)的光刻和自組裝技術(shù)。但是，這些方法有一些缺點(diǎn)，如產(chǎn)出低或設(shè)備成本高。采用陽(yáng)極氧化的超薄氧化鋁（AAO）膜作為淀積掩膜被認(rèn)為是低成本制作納米圖形的潛在方法，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖竺娣e上的面密度高，且尺寸分布窄。本研究中，我們用超薄AAO模板在玻璃襯底上制備了Ag納米點(diǎn)，研究了氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜因這些Ag納米圖形而增強(qiáng)的光吸收。

實(shí)驗(yàn)
AAO模板是在0.3M草酸(C2H2O4)溶液通過(guò)鋁片的二步法陽(yáng)極氧化工藝制作的。陽(yáng)極氧化處理前，鋁片用丙酮進(jìn)行脫脂處理，然后在H2SO4和H3PO4的混合溶液中進(jìn)行電化學(xué)拋光。第一次陽(yáng)極氧化是在固定電壓40V下進(jìn)行的，用冷卻系統(tǒng)把電解液溫度保持為0℃。然后把陽(yáng)極氧化的Al片浸沒(méi)在6wt%H3PO4中，除去在第一次陽(yáng)極氧化時(shí)形成的氧化鋁層。在與第一次陽(yáng)極氧化工藝相同的條件下進(jìn)行第二次陽(yáng)極氧化步驟，不過(guò)時(shí)間短一些。留下的Al箔和底部的阻擋層分別在基于CuSO4溶液和6wt%H3PO4中刻蝕。

得到了通孔AAO膜，接著轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。用電子束蒸發(fā)通過(guò)AAO模板制備Ag納米點(diǎn)。然后用3M NaOH溶液將AAO模板刻蝕掉，在玻璃襯底表面留下Ag納米微粒。接著，用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)在Ag圖形玻璃襯底上生長(zhǎng)a-Si:H薄膜，再在玻璃背面涂Ag膜。為了比較，也在玻璃上淀積a-Si:H薄膜，而沒(méi)有Ag納米點(diǎn)。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察AAO膜和Ag納米點(diǎn)的表面形貌，確定它們的特性。用UV-VIS-NIR分光光度計(jì)研究如此淀積的Ag納米點(diǎn)和Si:H薄膜的光學(xué)性質(zhì)。

結(jié)果和討論
圖1是孔徑約80nm的AAO膜表面形貌和截面圖的SEM圖像。由于AAO是用二步法陽(yáng)極氧化制備的，可以得到孔徑及孔間間距分布窄的有序孔結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1(a)。從圖1(b)可以證實(shí)，在AAO膜底部的氧化鋁阻擋層已徹底除去，這使膜能用作真空蒸發(fā)時(shí)的遮蔽掩膜。AAO的孔徑及厚度可以分別用調(diào)節(jié)孔加寬處理和第二次陽(yáng)極氧化的加工時(shí)間控制。本研究中用的AAO膜的厚度為500nm。

圖2是Ag納米點(diǎn)的SEM圖像，其相應(yīng)的淀積Ag厚度為20nm。由于陰影效應(yīng)，Ag納米點(diǎn)直徑稍小于AAO膜的納米點(diǎn)直徑。根據(jù)測(cè)出的Ag納米點(diǎn)直徑，平均直徑約70nm。玻璃襯底上Ag納米點(diǎn)的吸收譜示于圖3。Ag納米點(diǎn)的表面等離子共振(SPR)效應(yīng)可以用SPR波長(zhǎng)確定，它與譜圖的主峰相應(yīng)。如圖3所示，Ag 納米點(diǎn)SPR波長(zhǎng)峰值在454nm處。與淀積在玻璃襯底上無(wú)Ag 納米點(diǎn)的a-Si:H膜比較(見(jiàn)圖3)，在Ag圖形化襯底上的a-Si:H膜在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)(>600nm)上有更高的光吸收。盡管有些光吸收可能來(lái)自金屬納米微粒本身，我們認(rèn)為Ag納米點(diǎn)是有效地增強(qiáng)了a-Si:H膜的光吸收。吸收的增強(qiáng)可能與Ag納米結(jié)構(gòu)的等離子體增強(qiáng)光散射有關(guān)。入射光以a-Si:H光活性層的陷波波導(dǎo)模式被共振散射，通過(guò)襯底上Ag納米點(diǎn)與表面等離子體的相互作用，顯著增加了光在a-Si:H層中的光學(xué)路徑。

總之，我們成功地用基于AAO模板淀積在玻璃襯底上制作了Ag納米點(diǎn)陣列。玻璃上Ag納米點(diǎn)陣列的存在提高了a-Si:H光活性層在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的光吸收。

薄膜太陽(yáng)能電池研究的現(xiàn)狀及前景綜述

目前，人們根據(jù)所選用的半導(dǎo)體材料將太陽(yáng)能電池應(yīng)用技術(shù)分為晶硅和薄膜兩大類。晶硅太陽(yáng)能電池在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其成本過(guò)高，限制了其發(fā)展。相比晶硅等其它太陽(yáng)能電池，薄膜太陽(yáng)能電池具有生產(chǎn)成本低、原材料消耗少、弱光性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)。隨著世界能源緊缺，薄膜太陽(yáng)能電池作為一種光電功能薄膜，可以有效地解決能源短缺問(wèn)題，而且無(wú)污染，還可以實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，易于大面積推廣。

CIGS薄膜太陽(yáng)能電池
銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池是20世紀(jì)80年代后期開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型太陽(yáng)能電池，典型結(jié)構(gòu)為如下的多層膜結(jié)構(gòu)。

CIGS具有非常優(yōu)良的抗干擾、耐輻射能力，因而沒(méi)有光輻射引致性能衰退效應(yīng)，使用壽命長(zhǎng)。CIGS是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，因此電池中所需的CIGS薄膜厚度很小(一般在2um左右)。它的吸收系數(shù)非常高達(dá)10-5cm-1，同時(shí)還具有很好的非常大范圍的太陽(yáng)光譜的響應(yīng)特性。通過(guò)調(diào)節(jié)Ga/(In+Ga)可以改變CIGS的帶隙，調(diào)節(jié)范圍為1.04eV~1.72eV。CIGS系電池可以很方便地做成多結(jié)系統(tǒng)，在四個(gè)結(jié)的情況下，從光線入射方向按禁帶寬度由大到小順序排列，太陽(yáng)能電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限可以超過(guò)50%。

制備CIGS薄膜的方法很多，包括真空蒸鍍、電沉積、濺射、化學(xué)浴沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、噴射熱解、封閉空間氣相輸運(yùn)法等。CIGS薄膜在高于500℃的溫度下沉積在涂有Mo的玻璃襯底上，并且與通過(guò)化學(xué)沉積形成的CdS層，組成CdS／CIGS異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。

CdTe薄膜太陽(yáng)能電池
CdTe／CdS異質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)稱CdTe薄膜太陽(yáng)能電池。它是以p型CdTe和n型CdS為異質(zhì)結(jié)。一般標(biāo)準(zhǔn)的CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)為玻璃／TCO／n-CdS／p-CdTe／背接觸層／背電極。

CdTe薄膜太陽(yáng)能電池具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)理想的禁帶寬度。CdTe的禁帶寬度為1.45eV．CdTe的光譜響應(yīng)和太陽(yáng)光譜非常匹配：(2)高光吸收率。CdTe的吸收系數(shù)在可見(jiàn)光范圍高達(dá)10-4cm以上．99％的光子可在lum厚的吸收層內(nèi)被吸收：(3)轉(zhuǎn)換效率高。CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為30％；(4)電池性能穩(wěn)定，一般的CdTe電池的設(shè)計(jì)使用時(shí)問(wèn)為20年以上；(5)電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池
非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率較低，但工藝成熟、成本較晶硅低廉、制備方便，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池主要有兩種:單結(jié)和雙結(jié)。單結(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池僅含一種光吸收功能層，為非晶硅；而雙結(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池含２種光吸收功能層，一般為非晶硅和微晶硅。兩者結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

相對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅薄膜是一種極有希望大幅度降低太陽(yáng)電池成本的材料。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)使之成為一種優(yōu)良的光電薄膜光伏器件。(1)非晶硅的光吸收系數(shù)大，因而作為太陽(yáng)能電池時(shí)，薄膜所需厚度相對(duì)其他材料如砷化鎵時(shí)，要小得多；(2)相對(duì)于單晶硅，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池制造工藝簡(jiǎn)單，制造過(guò)程能量消耗少；(3)可實(shí)現(xiàn)大面積化及連續(xù)的生產(chǎn)；(4)可以采用玻璃或不銹鋼等材料作為襯底，因而容易降低成本；(5)可以做成疊層結(jié)構(gòu)，提高效率。

非晶硅薄膜主要由氣相沉積法制備，目前，普遍采用的是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)。在PECVD法沉積非晶硅薄膜的方法中，一般原料氣采用SiH4和H2，制備非晶硅薄膜疊層電池時(shí)則采用SiH4和GeH4，在沉積過(guò)程中，加入B2H5或PH3?？蓪?shí)現(xiàn)摻雜。SiH4和GeH4在低溫等離子體的作用下分解產(chǎn)生a-Si或a-SiGe薄膜。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池仍存在一些需要解決的問(wèn)題。(1)由于Staebler-Wronski效應(yīng)的存在，使得非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光下長(zhǎng)時(shí)間照射會(huì)產(chǎn)生效率的衰減，從而導(dǎo)致整個(gè)電池效率的降低；(2)沉積速率低，影響非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的大規(guī)模生產(chǎn)；(3)后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問(wèn)題；(4)在薄膜沉積過(guò)程中存在大量的雜質(zhì)，如O2、C等，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的下一步研究主要有以下幾個(gè)方向：其一是采用優(yōu)質(zhì)的底電池i層材料；其二朝疊層結(jié)構(gòu)電池發(fā)展；第三是在保證效率的條件下，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)疊層型非晶硅太陽(yáng)電池模塊技術(shù)；最后使用便宜封裝材料以降低成本。