ซิลิคอนอสัณฐาน:

• แผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนฟิล์มบางบนหลังคา
• แผนภาพโครงสร้างของซิลิคอนผลึกซิลิคอนอสัณฐาน และซิลิคอนไฮโดรจิเนตอ สัณฐาน
• เครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีเซลล์แสงอาทิตย์ แบบอะมอร์ฟัส (มุมบนขวา) และจอ LCD

ซิลิคอนอสัณฐาน ( a-Si ) คือซิลิคอนในรูปแบบ ที่ไม่มี โครงสร้างผลึกซึ่งใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์และทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางในจอ LCD

ซิลิคอนอสัณฐาน ใช้เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ซิลิคอนอสัณฐาน หรือเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนฟิล์มบางโดยจะถูกเคลือบเป็นฟิล์มบางลงบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้หลากหลายชนิด เช่น แก้ว โลหะ และพลาสติก เซลล์ซิลิคอนอสัณฐานโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพต่ำ

ซิลิคอนอสัณฐาน ซึ่งเป็นเทคโนโลยี เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางรุ่นที่สองเคยถูกคาดหวังว่าจะกลายเป็นส่วนสำคัญใน ตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก ที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วแต่ต่อมาได้สูญเสียความสำคัญไปเนื่องจากการแข่งขันที่รุนแรงจาก เซลล์ ซิลิคอนผลึก แบบดั้งเดิม และเทคโนโลยีฟิล์มบางอื่นๆ เช่นCdTeและCIGSซิลิคอนอสัณฐานเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับ องค์ประกอบ ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) ของจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) และสำหรับเครื่องถ่ายภาพรังสีเอกซ์

ซิลิคอนอสัณฐานแตกต่างจาก รูปแบบ ผลึก อื่นๆ เช่นซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซึ่งเป็นผลึกเดียว และซิลิคอนผลึกหลายเม็ดซึ่งประกอบด้วยเม็ดเล็กๆ หรือที่เรียกว่าผลึกย่อย

ซิลิคอนเป็นอะตอมที่มีการประสานงานแบบสี่เหลี่ยม ซึ่งโดยปกติจะ เชื่อมต่อ แบบทรงสี่หน้ากับอะตอมซิลิคอนข้างเคียงสี่อะตอม ในซิลิคอนผลึก (c-Si) โครงสร้างทรงสี่หน้านี้ยังคงต่อเนื่องไปในวงกว้าง จึงก่อให้เกิดโครงผลึกที่มีระเบียบดี

ในซิลิคอนอสัณฐานนั้น ไม่มีระเบียบระยะยาวเช่นนี้อยู่ แต่กลับกัน อะตอมจะก่อตัวเป็นเครือข่ายแบบสุ่มต่อเนื่อง ยิ่งไปกว่านั้น อะตอมทั้งหมดในซิลิคอนอสัณฐานไม่ได้มีการประสานงานแบบสี่เท่า เนื่องจากลักษณะที่ไม่เป็นระเบียบของวัสดุ อะตอมบางส่วนจึงมีพันธะที่ขาด หายไป ใน ทางกายภาพ พันธะที่ขาดหายไปเหล่านี้แสดงถึงข้อบกพร่องในเครือข่ายแบบสุ่มต่อเนื่อง และอาจทำให้เกิดพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่ผิดปกติได้

วัสดุสามารถถูกทำให้เฉื่อยได้ด้วยไฮโดรเจน ซึ่งจะจับกับพันธะที่ขาดหายไปและสามารถลดความหนาแน่นของพันธะที่ขาดหายไปได้หลายลำดับขนาด ซิลิคอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจน (a-Si:H) มีข้อบกพร่องในปริมาณที่ต่ำเพียงพอที่จะใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบอบการเติบโตแบบโปรโตคริสตัลไลน์^{[ 1 ]}อย่างไรก็ตาม การเติมไฮโดรเจนเกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพของวัสดุที่เกิดจากแสง ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ Staebler– Wronski ^{[ 2 ]}

โลหะผสมอสัณฐานของซิลิคอนและคาร์บอน (ซิลิคอนคาร์ไบด์ อสัณฐาน หรือไฮโดรจิเนต a-Si C :H) เป็นรูปแบบที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง การเติมอะตอมคาร์บอนทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของวัสดุได้มากขึ้น ฟิล์มนี้ยังสามารถทำให้โปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้ อีกด้วย

การเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนในโลหะผสมจะทำให้ช่องว่างอิเล็กตรอนระหว่างแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์กว้างขึ้น (เรียกอีกอย่างว่า "ช่องว่างทางแสง" และช่องว่างแถบ ) ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพการรับแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากชั้นซิลิคอนคาร์ไบด์อสัณฐาน ในทางกลับกัน คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ในฐานะสารกึ่งตัวนำ (โดยเฉพาะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ) จะได้รับผลกระทบในทางลบจากปริมาณคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นในโลหะผสม ซึ่งคาดว่าเกิดจากความไม่เป็นระเบียบที่เพิ่มขึ้นในเครือข่ายอะตอม^{[ 3 ]}

มีการศึกษาหลายชิ้นในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ โดยส่วนใหญ่เป็นการศึกษาผลกระทบของพารามิเตอร์การตกตะกอนต่อคุณภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่การประยุกต์ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์อสัณฐานในอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ยังคงขาดอยู่

ความหนาแน่นของ a-Si ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการเตรียม ตัวอย่างเช่น สำหรับฟิล์มที่ระเหยด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ความหนาแน่นจะขึ้นอยู่กับความหนา อุณหภูมิการเติบโต และอัตราการเติบโต โดยมีค่าตั้งแต่ 3.90×10 ²²ถึง 4.95×10 ²²อะตอม/cm ³ (1.82 ถึง 2.31 g/cm ³ ) ^{[ 4 ]}ในขณะที่ a-Si ที่ฝังไอออนนั้นถูกกำหนดไว้ที่ 4.90×10 ²²อะตอม/cm ³ (2.29 g/cm ³ ) ที่ 300 K ^{[ 5 ]}ซิลิคอนเป็นหนึ่งในธาตุไม่กี่ชนิดที่ขยายตัวเมื่อเย็นตัวลงและมีความหนาแน่นต่ำกว่าในสถานะของแข็งเมื่อเทียบกับในสถานะของเหลว

ซิลิคอนอสัณฐานที่ปราศจากไฮโดรเจนมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงมาก ซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การนำไฟฟ้าด้วยแสงที่ไม่ดี และขัดขวางการเจือปน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ การเติมไฮโดรเจนในระหว่างการผลิตซิลิคอนอสัณฐาน ช่วยปรับปรุง การนำไฟฟ้าด้วยแสงได้อย่างมากและทำให้สามารถเจือปนได้ ซิลิคอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจน (a-Si:H) ถูกผลิตขึ้นครั้งแรกในปี 1969 โดย Robert Carnegie Chittick, Alexander และ Sterling โดยวิธีการตกตะกอนโดยใช้ก๊าซไซเลน (SiH₄ เป็นสารตั้งต้น วัสดุที่ได้แสดงให้เห็นถึงความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ต่ำกว่าและการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากสิ่งเจือปน ความสนใจใน a-Si:H เกิดขึ้นเมื่อ (ในปี 1975) LeComberและSpearค้นพบความสามารถในการเจือปนแบบแทนที่ของ a-Si:H โดยใช้ฟอสฟีน (ชนิด n) หรือไดโบเรน (ชนิด p) ^{[ 6 ]}บทบาทของไฮโดรเจนในการลดข้อบกพร่องได้รับการยืนยันโดยกลุ่มของพอลที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ซึ่งพบความเข้มข้นของไฮโดรเจนประมาณ 10 อะตอมเปอร์เซ็นต์ ผ่านการสั่นสะเทือนของ IR ซึ่งสำหรับพันธะ Si-H มีความถี่ประมาณ 2000  cm ^{−1 [ 7 ]}ตั้งแต่ช่วงปี 1970 เป็นต้นมา a-Si:H ได้รับการพัฒนาในเซลล์แสงอาทิตย์โดยDavid E. Carlsonและ CR Wronski ที่ห้องปฏิบัติการ RCA ^{[ 8 ]}ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงประมาณ 13.6% ในปี 2015 ^{[ 9 ]}

แม้ว่า a-Si จะมีประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ต่ำกว่าc-Siแต่ก็มีความยืดหยุ่นในการใช้งานมากกว่า ตัวอย่างเช่น ชั้น a-Si สามารถทำให้บางกว่า c-Si ซึ่งอาจช่วยประหยัดต้นทุนวัสดุซิลิคอนได้

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือ a-Si สามารถตกตะกอนได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก เช่น ต่ำถึง 75 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้สามารถตกตะกอนได้ไม่เพียงแต่บนกระจกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงบนพลาสติกหรือแม้แต่กระดาษด้วย^{[ 10 ] [ 11 ]}ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับ เทคนิค การประมวลผลแบบม้วนต่อม้วนเมื่อตกตะกอนแล้ว a-Si สามารถเจือปนได้ในลักษณะที่คล้ายกับ c-Si เพื่อสร้าง ชั้น p-typeหรือn-typeและในที่สุดก็สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือสามารถวาง a-Si ลงบนพื้นที่ขนาดใหญ่ได้โดยใช้PECVDการออกแบบระบบ PECVD มีผลอย่างมากต่อต้นทุนการผลิตแผงดังกล่าว ดังนั้นซัพพลายเออร์อุปกรณ์ส่วนใหญ่จึงมุ่งเน้นไปที่การออกแบบ PECVD เพื่อให้ได้ผลผลิตที่สูงขึ้น ซึ่งนำไปสู่ต้นทุนการผลิต ที่ต่ำลง ^{[ 12 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการนำซิเลนกลับมาใช้ใหม่^{[ 13 ]}

แผงโฟโตไดโอด a-Si ขนาดเล็ก (ต่ำกว่า 1  มม. x 1  มม.) บนกระจก ถูกนำมาใช้เป็นเซนเซอร์รับภาพ แสงที่มองเห็นได้ ในเครื่องตรวจจับแบบแผงเรียบ บางชนิด สำหรับ ฟ ลูออโรสโคปีและรังสีวิทยา

เซลล์แสงอาทิตย์

ซิลิคอนอสัณฐานไฮโดรเจน (a-Si:H) ถูกนำมาใช้เป็น วัสดุ เซลล์แสงอาทิตย์สำหรับ อุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานน้อยมาก เช่นเครื่องคิดเลข พกพา เนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ เซลล์แสงอาทิตย์ ซิลิคอนผลึก (c-Si) ทั่วไปนั้นได้รับการชดเชยอย่างมากด้วยกระบวนการเคลือบลงบนพื้นผิวที่ง่ายกว่าและต้นทุนต่ำกว่า นอกจากนี้ ความต้านทานขนานที่สูงกว่ามากของอุปกรณ์แบบพินหมายความว่าสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ในระดับแสงน้อยมากเครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์ เครื่องแรก มีวางจำหน่ายแล้วในช่วงปลายทศวรรษ 1970 เช่น Royal Solar 1 , Sharp EL-8026และTeal Photon

เมื่อไม่นานมานี้ การพัฒนาเทคนิคการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบ a-Si:H ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีความน่าสนใจมากขึ้นสำหรับการใช้งานในเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าโดยธรรมชาติของเซลล์เหล่านี้ได้รับการชดเชยอย่างน้อยบางส่วนด้วยความบางของเซลล์ – สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้โดยการวางเซลล์ฟิล์มบางหลายชั้นซ้อนกัน โดยแต่ละชั้นได้รับการปรับแต่งให้ทำงานได้ดีที่ความถี่แสงเฉพาะ วิธีนี้ใช้ไม่ได้กับเซลล์ c-Si ซึ่งมีความหนาอันเป็นผลมาจากช่องว่างพลังงานทางอ้อมและจึงทึบแสงเป็นส่วนใหญ่ ทำให้แสงไม่สามารถส่องไปถึงชั้นอื่นๆ ในชั้นซ้อนกันได้

สาเหตุของประสิทธิภาพต่ำของเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนอสัณฐานส่วนใหญ่เกิดจากความคล่องตัวของรูที่ ต่ำ ของวัสดุ^{[ 14 ]}ความคล่องตัวของรูที่ต่ำนี้เกิดจากหลายปัจจัยทางกายภาพของวัสดุ รวมถึงการมีพันธะแขวนลอย (ซิลิคอนที่มี 3 พันธะ) ^{[ 15 ]}พันธะลอยตัว (ซิลิคอนที่มี 5 พันธะ) ^{[ 16 ]}ตลอดจนการจัดเรียงพันธะใหม่^{[ 17 ]}แม้ว่าจะมีการทำงานมากมายเพื่อควบคุมสาเหตุของความคล่องตัวต่ำเหล่านี้ แต่หลักฐานชี้ให้เห็นว่าข้อบกพร่องที่โต้ตอบกันจำนวนมากอาจนำไปสู่การจำกัดความคล่องตัวโดยธรรมชาติ เนื่องจากการลดข้อบกพร่องประเภทหนึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของข้อบกพร่องประเภทอื่น^{[ 18 ]}

ข้อได้เปรียบหลักของ a-Si:H ในการผลิตขนาดใหญ่ไม่ใช่ประสิทธิภาพ แต่เป็นต้นทุน เซลล์ a-Si:H ใช้ซิลิคอนเพียงเศษเสี้ยวของที่จำเป็นสำหรับเซลล์ c-Si ทั่วไป และต้นทุนของซิลิคอนเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อต้นทุนของเซลล์มาโดยตลอด อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้นเนื่องจากโครงสร้างหลายชั้นทำให้ a-Si:H ไม่น่าสนใจในปัจจุบัน ยกเว้นในบทบาทที่ความบางหรือความยืดหยุ่นเป็นข้อได้เปรียบ^{[ 19 ]}

โดยทั่วไป เซลล์ฟิล์มบางซิลิคอนอสัณฐานจะใช้ โครงสร้าง แบบพินการวางชั้น p-type ไว้ด้านบนก็เนื่องมาจากความคล่องตัวของรูที่ต่ำกว่า ทำให้รูสามารถเคลื่อนที่ในระยะทางเฉลี่ยที่สั้นกว่าเพื่อรวบรวมไปยังหน้าสัมผัสด้านบน โครงสร้างแผงทั่วไปประกอบด้วยกระจกด้านหน้าTCOฟิล์มบางซิลิคอน หน้าสัมผัสด้านหลังโพลีไวนิลบิวทิรัล (PVB) และกระจกด้านหลัง Uni-Solar ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของEnergy Conversion Devicesได้ผลิตแผ่นรองหลังแบบยืดหยุ่นที่ใช้ในผลิตภัณฑ์หลังคาแบบม้วน อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิตแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนอสัณฐานรายใหญ่ที่สุดของโลกต้องยื่นล้มละลายในปี 2012 เนื่องจากไม่สามารถแข่งขันกับราคาแผงโซลาร์เซลล์แบบ ดั้งเดิมที่ลดลงอย่างรวดเร็วได้ ^{[ 20 ] [ 21 ]}

ซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์และไมโครมอร์ฟัส

ซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์ (หรือเรียกว่าซิลิคอนนาโนคริสตัลไลน์) คือซิลิคอนอสัณฐาน แต่ก็มีผลึกขนาดเล็กอยู่ด้วย มันดูดซับแสงได้ในช่วงคลื่นที่กว้างกว่าและมีความยืดหยุ่น เทคโนโลยี โมดูลซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์เป็นการผสมผสานซิลิคอนสองชนิดที่แตกต่างกัน คือ ซิลิคอนอสัณฐานและซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์ ในเซลล์แสงอาทิตย์ แบบด้านบนและด้านล่าง บริษัท Sharp ผลิตเซลล์โดยใช้ระบบนี้เพื่อดักจับแสงสีฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ในช่วงเวลาที่ไม่มีแสงแดดส่องลงมาโดยตรง ซิลิคอน โปรโตคริสตัลไลน์มักใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าวงเปิดของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ a-Si

การผลิตขนาดใหญ่

บริษัท Xunlight Corporationซึ่งได้รับการลงทุนจากสถาบันมากกว่า 40 ล้านดอลลาร์สหรัฐได้ติดตั้ง อุปกรณ์การผลิตแผงโซลาร์เซลล์แบบ ม้วนต่อเนื่องขนาด 25 เมกะวัตต์ เครื่องแรก สำหรับการผลิตโมดูล PV ซิลิคอนฟิล์มบาง เสร็จสมบูรณ์แล้ว ^{[ 22 ]}บริษัท Anwell Technologiesยังได้ติดตั้งโรงงานผลิตแผงโซลาร์เซลล์ฟิล์มบาง a-Si ขนาด 40 เมกะวัตต์เครื่องแรกในมณฑลเหอหนาน โดยใช้อุปกรณ์ PECVD แบบหลายซับสเตรตหลายห้องที่ออกแบบเองภายในบริษัท^{[ 23 ]} 

แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบไฮบริดที่รวมพลังงานไฟฟ้าและความร้อน

ระบบเก็บพลังงานแสงอาทิตย์แบบไฮบริด (PVT) คือระบบที่แปลงรังสีจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อนระบบเหล่านี้รวมเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งแปลงรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ( โฟตอน ) เป็นไฟฟ้า เข้ากับตัวเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ซึ่งดักจับพลังงานที่เหลืออยู่และกำจัดความร้อนส่วนเกินจากแผงโซลาร์เซลล์ เซลล์แสงอาทิตย์จะมีประสิทธิภาพลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากความต้านทาน ที่เพิ่มขึ้น ระบบส่วนใหญ่สามารถออกแบบให้ระบายความร้อนออกจากเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ซึ่งจะช่วยระบายความร้อนให้กับเซลล์และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการลดความต้านทาน แม้ว่านี่จะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ แต่ก็ทำให้ส่วนประกอบความร้อนมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ ตัวเก็บ ความร้อนจากแสงอาทิตย์งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าแผงโซลาร์เซลล์แบบ a-Si:H ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำช่วยให้ระบบ PVT ทำงานได้ที่อุณหภูมิสูง สร้างระบบ PVT ที่ทำงานร่วมกันได้ดียิ่งขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์แบบ a-Si:H ได้ประมาณ 10%

• กลุ่มวิจัยอุปกรณ์ซิลิคอนอสัณฐาน มหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู รัฐออนแทรีโอ ประเทศแคนาดา
• ทฤษฎีและการจำลองสถานการณ์ ณ มหาวิทยาลัยโอไฮโอ เมืองเอเธนส์ รัฐโอไฮโอ