太阳能光伏技术：非晶硅材料光学电学性质

1）非晶硅材料的光吸收

非晶态半导体材料的吸收谱与晶态半导体材料相比，存在明显区别，如图7．4所示。

图7．4　非晶硅（a－Si）和单晶硅（c－Si）的光吸收曲线［4］

从图中可以看到，非晶硅材料的光吸收谱有明显不同的三个区域。我们将三个区域分别标记为A区、B区、C区。它们分别对应于不同的吸收情况。其中：

A区：为位于近红外区的低能吸收，对应于电子在定域态间的跃迁，比如费米能级附近的隙态向带尾态EA的跃迁。由于有关状态按能量分布的密度较小，相应的吸收系数α较低，大多在1～10cm－1以下，这个区域的吸收被称作非本征吸收，其特点是α随光子能量的变化较平缓。

B区：为指数吸收区，该区的典型特征是吸收系数α与光子能量的关系是指数关系，这个区域的吸收对应于电子从价带边扩展态到导带尾定域态的跃迁，以及电子从价带尾定域态到导带边扩展态的跃迁。该吸收区的能量范围通常只有半个电子伏左右，而吸收系数α的变化通常达到两、三个数量级，甚至更多，高限一般在104 cm－1左右。

C区：为高吸收区，这个区域的吸收对应于电子的带－带跃迁，即从价带内部向导带内部的跃迁。该区的吸收系数α较大，一般在104 cm－1左右。

B区和C区是材料的本征吸收区。其他许多半导体材料的吸收曲线都与a－Si：H材料的B，C段近似。非晶硅的吸收系数α与制备方法及工艺条件有关，制备方法不同，或用同样制备方法，但工艺条件不同，材料的光吸收系数α也会不相同。

在晶态半导体材料的吸收过程中，光子能量必须满足下列条件：

式中：Eg为材料的禁带宽度。对于非晶态半导体，也有类似的本征吸收。但由于非晶态半导体不具有原子排列的长程有序性，跃迁过程也不再受动量守恒定则的限制，所以，也没有“直接跃迁”和“间接跃迁”之分。对于理想的非晶态半导体材料，具有图7．5所示的带隙模型。

图7．5　理想的非晶态半导体的能带模型［2］

如果导带底和价带顶附近的隙态密度Nc，Nv与能量的关系服从简单的幂指数规律：(www.xing528.com)

式中：A1和A2均为常数，则这时的带隙Eopt可以表示为

如果知道了N（E）的具体形式，即可求得吸收系数和吸收边，并算出带隙Eopt。但是，N（E）的具体形式往往是不知道的。因此，通常使用实验方法先得到某材料的本征吸收谱，然后再分析、计算得到Eopt。为了区别于从电导率得到的禁带宽度，所以，从光吸收求得的Eopt又叫作光学带隙。

2）非晶硅材料的电导［5，6］

由于非晶硅材料原子排列的长程无序性，使得原子势场高低起伏，电子自由程及波函数的相关长度只在—个原子间距的量级。因此，在非晶硅当中的电子输运特性与在单晶硅中的电子输运特性相比是明显不同的。即使在扩展态内，电子和空穴在传输当中也会遭到散射。所以它们的迁移率是很低的。一般在1～5cm2 V－1S－1。电子在带隙内缺陷态上的迁移，是一种借助声子帮助的跳跃电导，其迁移率更低，约为10－2 cm2 V－1S－1。

非晶硅材料中的直流电导可以分为以下四种：禁带中费米能级附近的定域态近程跳跃电导和变程跳跃电导，带尾定域态中的跳跃电导、扩展态电导。利用lnσ与1／T的关系曲线可以求得各种不同导电机制的激活能。图7．6表示非晶半导体材料的lnσ与1／T的关系曲线。

图7．6　非晶半导体材料的lnσ与1／T的关系曲线

图7．6中a，b，c三段分别对应扩展态电导率、带尾定域态电导率和带隙中缺陷定域态电导率三种不同的导电机制，即在不同的温度区间往往表现出以某种导电机制为主。极低温度下的d段反映了带隙定域态的变程跳跃导电情况。

3）Staebler－Wronski效应

1977年，D．L．Staebler和C．R．Wronski首先发现，用辉光放电法制备的含氢非晶硅薄膜样品，经过长时间光照以后，样品的光电导和暗电导都会逐渐减小，特别是暗电导，要比光照前减小3～4个数量级。但是，这种样品在160～200℃的温度下，经过2小时的退火处理后，光电导和暗电导又恢复到原来的数值，这种现象被称为Staebler－Wronski效应，简称S－W效应。由于非晶硅太阳电池的吸收层材料就是a－Si：H，所以，S－W效应同样会在电池性能中显现出来。这就是我们常说的非晶硅太阳电池的早期衰退现象。

a－Si：H薄膜采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法，在200℃左右沉积。研究表明，氢稀释技术不仅可以改变薄膜材料的结构，而且在增强非晶硅材料抵抗光致衰退方面有重要作用。采用合适的工艺技术，可以使非晶硅太阳电池的光电转换效率的衰退率从25%降低到20%以下。