在石油能源枯竭的叫喊声中，正在进行着各种各样代用能源的开发性研究，太阳光发电技术是最有希望的候补者之一。一方面，太阳能具有取用不尽，无公害污染，地区偏向性小，完全免费供给等巨大优越性；另一方面，它有单位能量密度低，受天气和昼夜影响的缺点。太阳光发电就是将太阳能直接转换成最容易应用的电能，但主要问题在于太阳电池的价格太高而未能广泛采用。然而，由于太阳电池的工作原理是以半导体的量子效率为基础，工作部分无机械运动，操作管理容易，能量转换效率也不随电源规模大小而变，因此已作为小型独立电源，实际应用于无人灯塔，气象观测及人造卫星等的电源。
太阳光发电技术的开发研究，起源于日本的阳光研究计划，在美国和欧洲，各国都相继列入了发展计划。这几年进展迅速，正在获得丰硕成果。
从太阳电池所使用的材料来看，大致分为单晶硅、多晶硅、硅带及非晶硅（以下略称a-Si）等统称为硅系太阳电池，以及砷化镓、硫化镉、硒等化合物半导体太阳电池。作为地面用的太阳电池，从资源、批量生产和无公害等方面考虑，以硅系电池为主。现在实际应用的电力用太阳电池，几乎都是单晶硅和多晶硅型的。但最近，a-Si太阳电池的实用化，正迅速进入民用领域，本文着重介绍以高效率为目标的a-Si太阳电池的技术动向和高速的滚筒卷绕式生产a-Si太阳电池。
a-Si太阳电池的发展进程
a-Si的研究，开始于1975年，根据英国的W. E. Speare等的报告，用硅烷（SiH4）的等离子反应生成的a-Si，含有大量氢填充在其局域态能级，可以控制由掺杂产生的P-n结。1976年美国无线电公司（RCA）的D、E、Carlson等报告了用硅烷气体辉光放电获得的a-Si:H制成了P-i-n型电池的效率2.3%和铂肖特基型电池的效率为5.5%的a-Si太阳电池。此后，各国以此为开端，迅速地进行了这方面的研究。1978年由大阪大学滨川研制的P-i-n电池效率达4.5%，还有美国能量转换器件公司的Ovshinsky等报告了含氢外还含氟的a-Si:F:H与只含氢的相比，局域态能级又降低一个数量级。其后，人们主要着力于膜的生长过程和材料物理性质方面的研究，自1980年RCA的D. E. Carlson等揭晓了不锈钢衬底生长的所谓逆式n-i-p电池效率为6%，以及S. R. Ovshinsky等揭晓含氟电池效率达6.3%以后，发表提高效率的文章急速地增长起来。
最近，报道了用a-Si:C:H作“窗口”材料的顺式电池效率超过8%，用μC-Si作“窗口”材料的逆式电池效率超过7%，串级型电池效率达到8.5%，而且，第一个达到10%效率的里程碑也是由RCA完成的。另一方面，大面积电池效率也超过7%。
太阳电池生产量的急剧增长
1981年美国生产4200 K峰瓦，欧洲1300 K峰瓦，其中大部分作为电力用。另外日本的生产量1979年度86 K峰瓦，1980年290 K峰瓦，1981年1000 K峰瓦，达到了所谓1兆峰瓦大关。电力用和民用都大大增加了，但民用的增加特别显著。1981年度用途分类中电力用占30%，研究用占10%，民用比例大至60%。民用的大部分是用于像电子计算器这类的用途。另一方面，从材料分类来看，结晶型硅太阳电池占有很大比例，如单晶硅型占60%，多晶硅型占20%。非晶硅太阳电池却占20%，但已经以显著地位引起注目。而且可以预料到，a-Si太阳电池的比例随着今后研究开发的进展和应用领域的扩大将越发增加。
以高效率为目标的研究方向
1. a-Si膜层质量的改进：在P-1-n型a-Si太阳电池中，吸收太阳光产生电流的i层膜的质量是决定太阳电池性能的重要因素。以硅烷（SiH4）为主要成分，通过添加氢作稀释气体的等离子辉光放电所生成的含氢a-Si:H膜，其电学、光学性质随制膜时的气体流量、气体混合比、衬底温度、高频输入功率等的不同而起很大的变化。
另外，原料气的纯度也是重要的因素，等离子化学气相淀积装置的泄漏量和反应室内沉积的微量杂质的影响很大。用受污染的反应室制作的太阳电池即使膜层厚薄适宜，但效率还是低。i层的膜质变坏，引起耗尽层变窄，因此减少污染是提高转换效率的重要方向。
—般认为，添加氟的a-Si:F:H膜的局域态能级密度低，耐热性好；但是由于等离子反应中含有的F-离子相当活泼，所以a-Si:H膜对污染很敏感。解决这个问题的方法之一是用各种专用的反应室生长P、i、n、各层，各自采用独立的反应室的方式已获得成功。
人们认为，获得品质优良的i层的一种途径是，对于a-Si:H系统，用100%的纯硅烷作原料气，在低压、低高频输入功率和大流量的条件下，利用辉光放电制膜，膜的质量与各反应室具有的特性有密切的关系。为此，提出了等离子分光的发射光谱效析法，作为综合分析各反应室成膜条件的一种手段。
与改善制膜条件的同时，对a-Si进行物理性质分析是提高性能的重点，瞬态光谱法、场效应法、荧光法和电子自旋共振法等分析手段所提供的a-Si膜的禁带内能级密度和结构等有关数据，对于理解其本质又是一大飞跃。
对于提高P-i-n太阳电池的效率，i层的中性化是重点。由于a-Si膜原来是n-，添加微量硼使它中性化，但又可能变成P-。微量硼的控制相当困难，曾考虑过种种方法。直接加入原料气中的乙硼烷的量低于PPM级，并随等离子放电条件的不同而其值也不同。
2. a-SiC、μC-Si的窗口效应：在仅由a-Si:H膜构成的顺式P-i-n同质结太阳电池中，掺硼的P+层的吸收系数比下面的i层和n+层大，入射光不能有效地利用。为此，人们进一步研究了吸收系数小，禁带宽度大的非晶硅膜，并研制了掺碳的a-Si:C:H膜和微结晶相的μC-Si膜。
a-Si:C:H膜用甲烷（CH4）和乙烷（C2H6）等含碳气体与硅烷辉光放电制作。其禁带宽度与1.7 eV的a-Si:H相比大到2 eV以上，硼的掺杂效应也很满意。奇妙的是这种掺硼膜的σP比未掺碳膜的σP大，含碳窗口材料的禁带宽度和太阳电池的光谱收集效率关系，随禁带宽度增加短波光谱响应不断提高，这种结构的太阳电池效率已达8%以上。
如果原料气中，采用相对于硅烷比例极大的氢，并用比较高的高频输入功率制膜，就可制得含微结晶相的μC-Si膜。掺硼的P+型μC-Si膜，可以作为吸收系数小，电学性能优良的窗口材料。用这种μC-Si P+层的太阳电池效率已超过8%。
3. 串级型太阳电池：a-Si太阳电池的光谱响应范围是4000 A到7000 A。一方面，太阳光谱分布在紫外光区到红外光区的宽广范围内，其中有很大部分光能未利用。把光谱响应范围不同的非晶硅太阳电池做成串联结构以达到提高效率为目的，这就是所谓的串级型太阳电池。
在非晶硅组成的P+/n+结之间，因为费米能级附近的状态密度非常大，因此隧道复合电流大体显示出像流过欧姆结那样的性质。
a-Si的禁带宽度是1.7 ~ 1.8 eV，并正在作为组合式串级型太阳电池材料研究的还有a-Si:N，a-Si:Ge，a-Si:Sn等。其中a-Si:N是短波长用材料，其余为长波长用材料。
目前的问题所在是寻求同a-Si有相同优质的非晶硅膜的制膜条件、电池结构及膜厚等参数的最佳化，这是有待解决的重点问题。
单个P-i-n电池转换效率是6.2%，而a-Si/a-SiGe二层串级电池转换效率可达8.3%，另外还报道了三层串级电池最高效率达到8.5%。
根据理论计算预测，二层型串级电池理论效率为14 ~ 21%，三层型为19 ~ 24%，这种串级化方法被认为是一种高效率化的技术革命。
4. 衬底材料的改良办法：最近，尝试采用高反射率衬底材料（例如镀银衬底）和绒面衬底材料，是积极改良衬底的一种方法，在P-i-n a-Si电池中，因为i层的膜厚太厚，有降低曲线因子和出现光衰减倾向，因此常常使用较薄的i层（ ~ 3000 A）做电池。从相对于膜面倾斜方向入射的光在光学上等于使用等价的厚i层，可提高光的收集效率，而电性能不受斜影影响。采用高反射率衬底，光程增加，光谱响应，特别是长波范围的响应提高，使效率得到提高。如采用绒面衬底的场合，减少表面反射，可望提高10 ~ 20%的效率。
5. 透明导电膜的改善：a-Si太阳电池中，因为掺杂层非常薄仅50 ~ 200 A. ，薄层电阻很高，在受光表面必须设置透明电极。
在玻璃衬底型电池中，因为在透明导电膜上是用等离子放电形成a-Si膜，所以容易使透明导电膜变质并混入a-Si膜中。因此，等离子反应中正在采用坚固的二氧化锡系透明导电膜和掺二氧化锡的铟锡氧化物复合透明导电膜。
非晶硅太阳电池的特性
高速滚筒卷绕式非晶硅太阳电池，是在薄的不锈钢衬底上用等离子化学汽相淀积法形成含氟a-Si膜为基体的二层串级型结构太阳电池。
1. 高可靠性的含氟非晶硅
a-Si材料分为氢系材料（a-Si:H）和氟系材料（a-Si:F:H），F-Si键合能（116千卡/克分子）比H-Si键合能高二倍，是化学稳定性和热稳定性均很好的材料。
2. 富有多样性的不锈钢衬底
薄不锈钢片具有轻而耐气候性能可挠性等特点，是可以大面积连续生产的衬底材料。
3. 二层串级型结构电池
串级型电池基本上是将具有二种不同光谱效应的太阳电池做成串叠结构的器件，不仅可以有效利用广范围的太阳光谱，而且能得到无光衰减现象的高稳定性电池。
制造方法（滚筒卷绕法）
关于a-Si太阳电池的制造方法，通过从不同角度对玻璃衬底、不锈钢衬底各自优缺点透彻研究表明，a、Si太阳电池最合理、最经济的生产方式是采用滚筒卷绕法。
因为构成串级型电池的各种a-Si膜是在各个独立的反应室形成，相互间没有污染，而且不需要从各个等离子反应室取出就能连续地形成多层膜，所以膜层具有优良的半导体性能。这种滚筒卷绕法的重要技术项目是用特殊的排气帘分离工艺，各种反应室结构和气体流动方法等，其中大多数都申请了专利。另外，这种滚筒卷绕法要采用特殊的不锈钢衬底，并正在谋求滚筒卷绕机械装置和配套的辅助设备。再者，市传不锈钢片多在1 mm以上，用于a-Si太阳电池不太适合，须同不锈钢机械加工行业共同研究，获得表面进行特殊加工的a-Si太阳电池用不锈钢片。
在这种滚筒卷绕式等离子化学汽相淀积装置中，从衬底清洗至组装工序，全部过程都是以滚筒卷绕流水作业方式进行批量生产，产品自动检查修艺之后，自动切断。
所期待的应用领域
用作各种电源的不锈钢型太阳电池的特征是：轻、薄、强度大，能卷成筒形和容易加工。因此：
· 可以在规定的位置占孔。
· 可以加工成各种尺寸和形状。
· 也可以加工成立体形状，折曲也不影响性能。这样的电池可在如下领域得到充分应用。
1. 民用：计算器、携带式电源、娱乐用品、充电器、玩具、游艺机、收音机，小型电视机等。
2. 电力用：在建筑物上用（因为呈筒状，可用粘合剂或夹具固定在屋顶或墙面）。
[電子材料（日），1983年，第22卷第1号]