太陽能電池主要以半導體材料為基礎，利用光電材料吸收光能後發生光電轉換反應從而產生電能。
現如今，薄膜電池的主流產品為硅基薄膜太陽電池。在疊層電池的研究發展過程中，非晶硅鍺主要作為中間電池或底電池，在諸多的研究中都有報道。本文主要通過介紹不同研究機構的主要研究方向，闡述非晶硅鍺電池的研究歷史、研究問題以及發展方向。
1國外非晶硅鍺電池研究現狀
1.1單結非晶硅鍺電池的製備及性能研究
在諸多科研機構的的研究中，Toeldo大學Deng xunming等人成功製備出全球效率最高（截至2015年）的單結非晶硅鍺電池。其P層採用nc-Si材料和hybrid層結構方法，沉積溫度分別採用140℃和70℃。採用該結構及工藝參數製備的P層材料具有較高的光學帶隙，高的透過率，低的界面態密度。通過優化工藝參數製備出全球效率最高的單結非晶硅鍺電池，效率為13.06%。
單結非晶硅鍺電池的研究重點在緩衝層及本徵層結構設計上，國外很多的科研機構對此問題進行了研究，其中：
Ryuji Oshima等人通過在硅片上外延生長（MBE）異質結電池，製備出Si0.58Ge0.42的薄膜材料，通過漸變硅鍺的含量，研究了電學性能參數的變化。
Liu Bofei等人本徵層採用grading profile製備出單結效率9.07%，疊層（a-Si:H/a-SiGe:H）效率達到12.03%的太陽能電池。
Tae Yong Lee等人研究了三種本徵層模型（本徵a-Si:H層，恆定帶隙的a-SiGe:H層，漸變帶隙的a-SiGe:Hlayer+p/i界面的a-Si:Hbuffer層）電池光學和電學性能的不同。研究發現第三種模型有效的降低了光學損耗，與第二種模型相比具有較高的Voc和FF。
Liao xianbo等人採用AMPS計算機模擬技術，研究P層和本徵層之間加入本徵a-Si緩衝層對非晶硅鍺電池性能的影響。本徵材料採用1.40~1.55eV，通過調整非晶硅的帶隙以及厚度，有效地改善了Voc，但FF和Eff有明顯的降低。
德國jülich研究機構的Dietmar Lundszien等人研究了非晶硅鍺緩衝層帶隙結構模型。通過調整工藝參數以及材料厚度，三者均以可製備出具有相同開路電壓、填充因子的非晶硅鍺電池。圖1為三種緩衝層結構模型圖。
B.E.Pieters等人研究了本徵層結構設計對電池性能的影響。通過對比傳統的U型和新型的V型結構，模擬發現V型電池結構會有效的降低本徵層的複合，增加光生載流子的收集。
1.2非晶硅鍺疊層鍺電池的製備
非晶硅電池帶隙在1.7-1.8eV之間，其對光譜的響應主要在可見光的短波區域，對於其他可見光的吸收係數較低。傳統的非晶硅電池由於具有光致衰退效應，導致其具有較強的效率衰減。
為有效地提高對太陽光譜的響應以及對光的吸收，同時提高電池的穩定性，降低本徵層的厚度，人們開始研究疊層太陽能電池。非晶硅鍺材料由於具有帶隙可調，對光譜的響應寬，其成為了疊層電池研究的主流之一。
現如今，硅鍺疊層電池的研究結構主要為：a-Si/a-SiGe；a-Si/a-SiGe/a-SiGe；a-Si/a-SiGe/u-Si；a-Si/a-SiGe/nc-Si。圖2列出了幾種主要的疊層電池框架圖。
國外研究硅鍺疊層電池的主要機構有美國Toledo大學、Unit Solar，日本的Sharp、Sanyo、Fuji等研究機構。製備疊層電池的目的主要是提高電池的主要性能參數，通過測試Voc、Jsc、FF等尋找製備電池的最優參數。歷來學者對硅鍺疊層電池的研究主要涉及以下幾點：
高壓強。高速沉積（High-rate deposition）製備工藝。主要通過增加壓強的方式，實驗中採用2~4Torr，或8Torr的壓強工藝獲取不同窄帶隙的本徵層材料。
氫稀釋率研究。H.Povolny等人通過固定GeH4和Si2H6的比例調整氫稀釋率R（Hydrogen Dilution）=（H2）/（GeH4+Si2H6），在本徵吸收層採用graded bandgap（靠近P層具有較小的帶隙），氫稀釋率R=120時製備出具有較高Voc的電池。在進一步的研究中，Chandan Das等人研究了有源層漸變氫稀釋（hydrogen dilution grading in active layer）對a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三疊層電池性能的影響。氫稀釋率的漸變，提高了電池的整體性能，電池穩定性增強。
鍺含量多少與電池性能關係研究。Pratima Agarwal等人研究了電池性能參數的變化與本徵層材料中鍺含量多少的關係。通過增加GeH4的含量，降低了本徵層帶隙，使得Jsc隨著鍺含量的增加有較明顯的增大，但是隨著本徵層材料缺陷態的密度增加，Voc和FF下降。
本徵層結構設計及優化。Fan Qihua等人採用漸變本徵吸收層（graded absorber layer）方法制備出初始效率為12.94%的a-Si/a-SiGe疊層電池。研究中發現，在採用耗盡條件（depletion condition）製備高速沉積速率的a-Si和a-SiGe電池時，a-Si電池性能有較大的改善，然而a-SiGe電池的性能改善不明顯。測試顯示由於鍺的加入使得材料存在較多缺陷態，晶化受到抑制，故而a-Si電池未表現出較好整體性能。Jeffrey Yang等人研究了非晶硅鍺本徵層結構與電池的光學和電學性能的關係。電池帶隙結構如圖3所示，通過分析（a）、（b）、（c）三種帶隙結構模型的優缺點，設計出（d）結構以克服前三種存在的問題，提高電池的性能。
材料性能及分解機理研究。國內外學者以及研究機構做了大量研究。在M.Günes等的研究中，從退火（annealed）以及光吸收態（light soaked）兩個方面研究ηµξ隨含鍺量的不同變化規律。G.Gangulya等人研究了電池對氧純度（oxygen Impurity）的敏感性，發現電池在光照後衰退更加明顯。此外G.H.Wang等人在研究退火溫度非晶硅鍺電池性能研究中，發現退火有助於改善薄膜的結構，當溫度為190℃時，電池性能最佳。
電流匹配（current matching）探究。M.Zeman等人採用模擬和實驗兩種方法研究和論證了電流本徵層厚度與電流的關係。在研究a-Si:H/a-SiGe:H疊層電池中，頂底電池的厚度分別採用100nm和150nm，電池採用superstrate和substrate兩種結構。通過調整製備出具有高電流密度，電池厚度大大降低的疊層電池。
隧穿結複合研究。為解決界面之間載流子的複合，避免N-P材料結合產生的載流子複合，子電池之間需採用歐姆接觸以確保產生的電子能夠有效的到達頂電池N層區域，產生的空穴能夠到達底電池P層區域。同時N-P形成高的反向電場，有利於載流子朝著隧穿結中的缺陷態輸送。通過存在的缺陷態使得載流子有效複合。為形成歐姆接觸一般採用微晶材料（至少有一層是微晶）。此外亦可通過在子電池界面間植入薄的氧化物薄膜以提高複合效率。通過上述措施，能夠有效的提高電池的Voc（子電池電壓之和），子電池的優化最終提高整個疊層電池的性能。
光譜的有效利用研究。通過採用疊層電池結構，將太陽光譜分為特定的幾部分利用寬或窄帶隙的吸收層，提升對光譜的吸收。對於寬帶隙的本徵吸收層能夠轉換具有高能的聲子，具有較高的Voc；而對於窄帶隙的本徵吸收層能夠吸收近紅外區域的光。根據此理論，人們研究了a-Si：H/a-Si:H疊層電池，製備出穩定效率為10.1%的疊層電池。後續的研究採用帶隙為1.1eV的µc-Si:H作為底電池。隨著鍺含量的增加電學性能惡化；帶隙低於1.4eV且光電性能優異的材料很難製備。在採用不同的材料時，界面之間帶隙不匹配，典型的a-SiC:H採用1.95eV，而硅鍺材料採用1.45eV，這對於光生載流子的收集是個很大的障礙。為解決此問題，S.Guha等人採用複雜的模型研究了界面間載流子的輸運。
通過諸多機構的研究硅鍺電池的工藝參數以及製備原理已經漸漸清晰，到目前為止非晶硅鍺疊層電池的最高效率為United Solar公司報道的16.3%，電池結構為a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H。
2國內研究現狀
我國研究非晶硅鍺電池起步較晚，但是研究進展順利。早在上世紀90年代，我國的王文靜、周雪梅等人已經開始研究非晶硅鍺疊層電池，其製備的疊層電池效率已經達到12.7%，結構採用a-Si/a-SiGe:H/a-SiGe:H。南開大學王廣才等人早在上世紀90年代初就已經開始研究非晶硅鍺材料及電池的性能。在最新的文獻報道中，劉伯飛等人研究了非晶硅界面緩衝層對非晶硅鍺電池的性能影響，製備出單結效率為8.72%的非晶硅鍺電池，同時採用優化設計，製備出效率為9.36%的a-Si:H/a-SiGe:H疊層電池（不含減反射層）。
3研究新方向
3.1納米硅鍺材料的研究
由於nc-Si:H薄膜的量子尺寸效應，其表現出諸多不同於a-Si:H和µc-Si:H的特異性能，如光學能隙寬化、光致、電致發光、共振隧穿等。關於納米硅鍺的研究主要體現在以下方面：
高氫稀釋，襯底溫度、RF功率。對鍺薄膜材料的性能研究，主要從晶體結構以及晶體類型研究合適的製備工藝條件。Cao Xinmin等人研究了熱絲化學氣相沉積（HWCVD）製備出的納米硅鍺薄膜材料性能，製備的納米硅鍺材料對600~900nm波段的光具有更高的吸收係數，厚度採用500nm時，上、中、下三層子電池電流匹配較好，有效降低了電池的厚度。
3.2微晶硅鍺材料的製備
Tang zeguo等研究了微晶硅鍺材料，結果顯示材料具有更低的帶隙，對長波段有更好的光譜吸收。換用新型氣源採用H2/Ar混合氣體，研究以不同比例下鍺含量對材料的性能影響。此外，T.Matsuia研究發現低溫製備工藝下微晶硅鍺本徵層材料能改善載流子的收集性能；Hiromi Kawauchia等人研究了微晶硅鍺中氫自由基對材料性能的影響，發現Ar對硅鍺薄膜電學性能有較好的改善作用。
4結論
非晶硅鍺電池由於具有較低的光學帶隙，良好的光譜響應已經在越來越多的研究機構中引起重視。幾十年的發展使得非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺疊層電池的量產成為現實。全球最大的薄膜太陽能公司漢能集團已經成功地實現三疊層電池的量產化。隨著科技的發展，非晶硅鍺疊層電池在現實生活中有越來越多的應用。未來高速生長以及薄膜電池穩定性成為產業化研究的重點。
本文發表於《真空》雜誌2015年第1期
作者：杜鵬1，張軍芳1，李同楷2，薛俊明3，鄭永春1
作者單位：1.衡水學院；2.石家莊鐵道大學；3.河北漢盛光電科技有限公司
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