光纤太阳电池

本刊 贾旭平

传统的晶片太阳电池通常都是制作在刚性基底上。最近，一支来自美国宾夕法尼亚州立大学的工程师、化学家、物理学家组成的团队发明出一款光纤太阳电池。这款电池比头发还细，具有柔性，且发电能力与普通太阳电池相比毫不逊色。美国军方对这项技术非常感兴趣，已经准备把这种光纤维织到军装里，这样士兵们就真正拥有了一件可穿戴的电源。

其实，这款光纤产品最初就是由普通的玻璃光学纤维制作的。之后，科学家才使用高压化学气相沉积法（HPCVD）将n，i和p型硅注入到纤维中，制作成电池。从功能上讲，这种掺杂了硅的光纤维与传统太阳电池是一样的，都可以通过光伏效应发电。但是目前市场上的太阳电池几乎都是2D结构，即在刚性或易碎玻璃基板上制作的平面非晶硅电池。而这种光纤维太阳电池具有3D截面，能保持光纤维的本来柔性。

本研究的带头人John Badding说：“目前研究小组已经制作出了几米长的纤维。如果采用我们的新技术，那么就有可能制作出长度超过10米的可弯曲硅太阳电池纤维。”如果光纤太阳电池的长度能达到这个量级的话，剩下的问题就是将其织入织物之中了。Badding说：“目前军方对设计士兵可穿戴电源非常感兴趣，但遗憾的是我们还没能看到混织光纤太阳电池的织物。”虽然太阳电池纤维看起来柔韧性很好（从图1中可以看出），但是它是否能接受随意角度的弯曲还未得到证实，且材料的耐磨性还未能得到测试，毕竟衣服是随身穿戴的，军装的耐磨性要求更高。

未来，柔性可织造太阳电池的应用潜力非常巨大。从目前看，我们可以将太阳电池织成棒球帽或T恤，这样就可以边走边为我们的手机充电。从长远看，仿生器官和其他生物医药装置都迫切需要一种可穿戴的电源，而光纤维太阳电池正好可以满足这种需求。

另外，这种光纤维还有其他两个令人兴奋的性能，不过还需要进一步的研究。由于这种纤维具有3D截面，因此可从任意角度吸收阳光，不会出现随着角度的变化呈现效率衰减的趋势。而传统2D太阳电池在太阳低于某个角度时，效率就会降低。据研究团队的另外一名成员Pier Sazio透露，他们使用同样的硅注入工艺将光电探测器植入到光纤维中。Sazio没有具体描述这样可能产生的结果，但是我们可以充分地发挥想象力：一个可穿戴的电脑，可实现太阳能充电，且拥有高速网络。

图1 用高压化学气相沉积制备毛细管硅p-i-n结纤维

光纤太阳电池的制造

用高压化学气相沉积法将n+，i，p+层非晶硅按顺序沉积在直径为5～15 μm的纤维孔中，结晶后就会形成共轴p-i-n结构纤维，长度可达1.5 m[见图1(a)(b)]。通过选择适当的热处理工艺，材料之间因热膨胀引起的机械应变就会降至最低，这对制作共轴p-i-n结构纤维非常重要。融入到非结晶半导体薄膜中的氢气在结晶过程中会逸出，所以还要避免因体积收缩引起的机械应变。通过选择工艺条件，即不允许过多的氢气融入到非晶硅薄膜中，这种应变就可以避免。p+和n+层的掺杂浓度非常高，约为1020cm-3，这可以从反应混合物中掺杂剂前驱体的分压力判断出来。i层不会进行刻意掺杂，但是会含有少量的n型层，自由电子的浓度约为1016cm-3，这可通过场效应管的测量值确定。因此，这里制作的结严格意义上讲是p+-n--n+，不过这里称其为p-i-n结。将孔用层填满是可能的，因为氢气反应的副产品可以通过二氧化硅毛细管壁扩散[如图1(b)]。

Si p-i-n线可在机械性能强大的二氧化硅毛细管模版内部应用或蚀刻出来。在蚀刻时，他们不仅柔性好，而且强壮，还具有多晶特性。他们可容易地打结成环，可承受的应力估计会大于1%(Si p-i-n线直径与弯曲环直径的比值)。掺杂层的结构可从激光显微拉曼光谱仪检测出来，从图1(e)和(f)可以看出有陡峭的n+-i和i-p+界面。实验中，研究人员注意到如果将Si p-i-n线在高温下退火较长时间(如950℃12 h)可导致掺杂剂有非常明显的相互扩散。不过如果能谨慎选择结制作流程，这种情况也是可以避免的。

p-i-n纤维与智能纤维一样具有光伏效应和光电子功能。长度1 cm的p-i-n纤维具有明显的结面二极体特性，整流I-V曲线见图2。在AM1.5条件下测试纤维结的光伏响应，开路电压为0.22 V，短路电流密度为2 mA/cm2，填充因子为0.55，总的转换效率为0.5%。造成纤维效率低的一个原因是光吸收效率低，因为本研究中p-i-n结中的掺杂层和本征层的厚度没有经过优化。以图3为例，最外面的0.5 μm层其实只吸收短波光线，而大部分的能量都以热的形式浪费掉。由于掺杂度较高(大约为1020cm-3)和多晶结构，所以少数载流子的扩散长度非常短(大约小于100 nm)。另一个原因是1 μm厚的i层由于太薄，所以不能有效吸收用于光伏转换的长波段光线。克服这一难题的办法就是将n+层做得更薄，将i层做得更厚。

图2 硅结光伏和光检测纤维

图3 Si结纤维的高速光电控测

光纤太阳电池的前景

基于光纤的太阳电池已经引起了越来越多人的兴趣，因为它有望能被制成轻质、柔性的材料，如纺织品，具有经济、便携，甚至是可穿戴的性能。由于其圆形的截面和独立的特性使其能吸收来自各个方向的光线，因此它可用漫射光和反射光发电。相反，传统刚性基底的平面太阳电池只能吸收一面的光线。目前，光纤太阳电池的研究主要集中在有机和聚合物材料上，但是由于Si储量丰富、可靠性高、制造容易和潜在的高性能，所以Si光纤太阳电池更具吸引力。由于光纤太阳电池具有结晶硅结构，所以使得纤维可作为高性能光电子器件，而这一优点又是有机或非晶光电子器件所不具备的。