图6.4为薄膜硅p-i-n结太阳电池示意图^[14]，其中“i”代表“本征”或未掺杂层。p-i-n结构会允许p-n结的电势梯度扩展至整个本征硅吸收层。正如在3.2.2节中讨论所述，电势梯度一出现在吸收层中就会导致光生电子空穴对的即时分离。该类电池的制造始于镀有透明导电氧化物的玻璃片。p型硅层为20～40nm，未掺杂硅层约为1μm，n型硅层为20～40nm，它们在多腔室等离子体增强化学气相沉积系统中依次沉积。硅源是硅烷（SiH₄），p型和n型掺杂剂分别是乙硼烷（B₂ H₆）和磷化氢（PH₃）。另一层透明导电氧化物和银作为背反射层，铝层作为背面电极。它们依次在硅p-i-n结构上通过溅射沉积获得。将多层结构通过光刻划分为单个电池。在第一层透明导电氧化物上制备银电极作为前电极。阳光从底部进入，即从玻璃侧入射。

图6.4 薄膜硅p-i-n太阳电池示意图。透明导电氧化物传统上是氧化铟锡，它需要被地球上高丰度材料替代。银背反射层和前电极需要被铝取代。太阳光来自于底部也就是玻璃侧

当前的薄膜硅太阳电池技术达到太瓦级水平存在着一些绊脚石和瓶颈。由于主要是基于真空制造工艺，所以薄膜硅太阳电池成本较高。薄膜硅太阳电池的效率也比较低，只有晶体硅太阳电池的大约一半。更重要的是，当前薄膜硅太阳电池用到一些稀缺材料，这些材料必须用地球上储量丰富的材料去替换。传统的透明导电氧化物是氧化铟锡（ITO），背反射层和前电极是银。银和铟的储量和年产量在表5.3和表5.4中可以看到。薄膜硅电池受铟限制的最大瓦数预计为404GWp，这是2100年能源需求的0.13%。如果能开发出储量丰富的铟替代材料，薄膜硅太阳电池的最大瓦数受制于银储量则为2.5TWp，这是2100年能源需求的0.78%。

对于薄膜太阳电池中使用无铟透明导电氧化物有一些已知的选择，但其性能（方块电阻和透光率）仍不如氧化铟锡^[14]。氧化锌（ZnO）是最有希望的选择之一，它天然是n型材料。未掺杂的氧化锌是高电阻的，要减小其电阻率至低的10^-4 Ω·cm范围需要掺杂。n型氧化锌掺杂元素包括对于锌次晶格的IIIA族元素如铝、镓和铟，以及对于氧次晶格的VIIA族元素如氟和氯。重要的是，掺杂元素需要是在地球上储量丰富的，这样镓和铟就被排除了。此外，也可以对氧化锌进行IIIA族和VIIA族元素的共掺杂，以进一步降低电阻率^[15]。二氧化钛是另一种可能取代氧化铟锡的材料，它满足储量丰富的要求。氟掺杂氧化锡（FTO）已用于商业薄膜硅太阳电池中。但锡的可获取性可能成为掺氟氧化锡的绊脚石，因为锡的储量估计为4900000吨^[1]。(www.daowen.com)

为替代薄膜硅太阳电池中的银，该金属需要具有高反射率、低电阻率以及储量丰富。如表6.1和表6.2所示，根据电阻率和材料储量考虑，能替代银的仅有铜和铝。如果考虑反射率，铝是唯一适合替代银作为背反射层的。对于图6.4中的薄膜硅太阳电池，可以去掉银层并增加铝背电极的厚度从而取代银。铝的反射特性不如银，所以在背面有一些光损耗。而且图6.4中的前银电极也需要用铝来替代。

2014年3月23日作者笔记：2014年3月，作者走访了中国湖南省的一家薄膜硅太阳电池公司并愿与读者分享一下关于这次访问的情况。最新的薄膜硅太阳电池技术几乎完全采用地球上储量丰富的材料。在最新的电池结构中没有铟或氧化铟锡，背反射层不再是银，前电极和背电极不再是金属，银只用于组件引线。一个组件中银的用量非常小，并可以用铜去替代。因此，薄膜硅太阳电池是现今仅有的具有太瓦级应用能力的电池技术。

薄膜硅组件的回收工艺还没有很好地建立起来，目前还没有有效的技术来回收图6.4中那些铝背电极、透明导电氧化物层或硅p-i-n层，这些层中的每一层都有几微米厚。可以回收的只有银和前玻璃板。铝背电极可以化学腐蚀掉，银背反射层和前电极可以通过化学或电解溶解到溶液中，这样溶解的银可以电解还原成金属银。透明导电氧化物层和硅p-i-n层可以化学腐蚀掉，剩下前玻璃面板可以回收。