太陽(yáng)電池基礎(chǔ)

1、2 太陽(yáng)電池基礎(chǔ).txt35溫馨是大自然的一抹色彩，獨(dú)具慧眼的匠師才能把它表現(xiàn)得盡善盡美；溫馨是樂(lè)譜上的一個(gè)跳動(dòng)音符，感情細(xì)膩的歌唱者才能把它表達(dá)得至真至純 本文由kbill1987貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 2太陽(yáng)電池基礎(chǔ) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽(yáng)電池。本章分別對(duì)太陽(yáng)電池發(fā)展歷史、半導(dǎo)體 材料與理論、硅片的生產(chǎn)、太陽(yáng)電池原理、太陽(yáng)電池工藝、太陽(yáng)電池理論分析、太陽(yáng)電池 表征、太陽(yáng)電池分類和太陽(yáng)電池的發(fā)展等有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。鑒于目前占生產(chǎn)、市場(chǎng)和應(yīng) 用主導(dǎo)地位的是晶體硅太陽(yáng)電池，本書(shū)按以上章節(jié)的編排順序，主要是對(duì)晶體硅太陽(yáng)

2、電池 原理、工藝和發(fā)展進(jìn)行比較系統(tǒng)、全面的描述。 2.1. 太陽(yáng)電池發(fā)展歷史 從 1839 法國(guó)科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏現(xiàn)象）算起，太 陽(yáng)電池已經(jīng)經(jīng)過(guò)了 160 多年漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史1。 從總的發(fā)展來(lái)看， 基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起 到了積極推進(jìn)的作用。對(duì)太陽(yáng)電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科 學(xué)家關(guān)于單晶硅太陽(yáng)電池的研制成功， 在太陽(yáng)電池發(fā)展史上起到了里程碑的作用2。 至今為 止，太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒(méi)有改變，太陽(yáng)電池后來(lái)的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)， 如非晶硅太陽(yáng)電池、CIS太陽(yáng)電池、CdTe太陽(yáng)電池和納米敏化太陽(yáng)電池等，此外主要的是生 產(chǎn)

3、技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝的成功開(kāi)發(fā)，特別是氮化硅薄膜的 減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等?；仡櫄v史有利于我們了解光伏技 術(shù)的發(fā)展歷程，按時(shí)間的發(fā)展順序，將與太陽(yáng)電池發(fā)展有關(guān)的歷史事件匯總?cè)缦拢?-1839 法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng),簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)； -1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽(yáng)電池； -1883 美國(guó)發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽(yáng)電池的原理； -1904 Hallwachs 發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅 (Cu/Cu2O) 結(jié)合在

4、一起具有光敏特性；德國(guó)物理 學(xué)家愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文； -1918 波蘭科學(xué)家 Czochralski 發(fā)展生長(zhǎng)單晶硅的提拉法工藝； -1921 德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦由于 1904 年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾 （Nobel）物理獎(jiǎng)； -1930 B. Lang 研究氧化亞銅/銅 (Cu/Cu2O) 太陽(yáng)電池，發(fā)表“新型光伏電池”論文； W.Schottky 發(fā)表“新型氧化亞銅 (Cu2O) 光電池”論文； -1932 Audobert 和 Stora 發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)象； 33 -1933 L.O. Grondahl 發(fā)表“

5、銅-氧化亞銅 (Cu-Cu2O) 整流器和光電池”論文； -1951 生長(zhǎng) p-n 結(jié)，實(shí)現(xiàn)制備單晶鍺電池； -1953 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich 博士完成基于太陽(yáng)光譜的具有不同帶隙寬度的各 類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算； -1954 RCA 實(shí)驗(yàn)室的 P.Rappaport 等報(bào)道硫化鎘(CdS) 的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國(guó)無(wú)線電公司)； 貝爾 (Bell ) 實(shí)驗(yàn)室研究人員 D. M. Chapin，C. S. Fuller 和 G. L. Pearson 報(bào)道 4.5%效率的單晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)月

6、后效率達(dá)到 6%。 -1955 西部電工 (Western Electric) 開(kāi)始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利。 在亞利桑那大學(xué)召開(kāi)國(guó)際太陽(yáng)能會(huì)議，Hoffman 電子推出效率為 2%的商業(yè)太陽(yáng) 電池產(chǎn)品，電池為 14 毫瓦/片，25 美元/片，相當(dāng)于 1785 USD/W ； -1956 P.Pappaport, J.J.Loferski 和 E.G.Linder 發(fā)表“鍺和硅 p-n 結(jié)電子電流效 應(yīng)”的文章； -1957 Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 獲得“太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)； -1958 美

7、國(guó)信號(hào)部隊(duì)的 T. Mandelkorn 制成 n /p 型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻 射能力強(qiáng)，這對(duì)太空電池很重要；Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 9%；第 一個(gè)光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1 號(hào)發(fā)射，光伏電池 100 平方厘米，0.1 W，為 一備用的 5 毫瓦的話筒供電； -1959 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到 10%， 并通過(guò)用網(wǎng)柵電極來(lái)顯著 減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6 號(hào)發(fā)射，共用 9600 片電池列陣，每片 2 平方厘米,共約 20W； -1960 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)到 14%； -1962 第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星 Tel

8、star 發(fā)射，所用的太陽(yáng)電池功率 14 W； -1963 Sharp 公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個(gè)燈塔安裝 242 W 光伏電池列陣， 在當(dāng)時(shí)是世界最大的光伏電池列陣； -1964 宇宙飛船“光輪發(fā)射” ，安裝 470 W 的光伏列陣； -1965 Peter Glaser 和 A. D. Little 提出衛(wèi)星太陽(yáng)能電站構(gòu)思； -1966 帶有 1000 W 光伏列陣大軌道天文觀察站發(fā)射； 34 -1972 法國(guó)人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電； -1973 美國(guó)特拉華大學(xué)建成世界第一個(gè)光伏住宅； -1974 日本推出光伏發(fā)電的 “陽(yáng)光計(jì)劃” Tyco

9、實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)第一塊 EFG 晶體硅帶， mm ； 25 寬，457 mm 長(zhǎng)（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定邊喂膜生長(zhǎng)） ； -1977 世界光伏電池超過(guò) 500 KW；D.E.Carlson 和 C.R.Wronski 在 W.E.Spear 的 1975 年控制 p-n 結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個(gè)非晶硅（a-Si）太陽(yáng)電池； -1979 世界太陽(yáng)電池安裝總量達(dá)到 1 MW； -1980 ARCO 太陽(yáng)能公司是世界上第一個(gè)年產(chǎn)量達(dá)到 1 MW 光伏電池生產(chǎn)廠家；三洋電氣公司 利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計(jì)算器，接著完成了 a-Si 組件批量生產(chǎn)并進(jìn)

10、行 了戶外測(cè)試； -1981 名為 Solar Challenger 的光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行成功； -1982 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 9.3 MW； -1983 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 21.3 MW；名為 Solar Trek 的 1 kW 光伏動(dòng)力汽車(chē)穿 越澳大利亞，20 天內(nèi)行程達(dá)到 4000 公里； -1984 面積為 1 平方英尺（929 cm2）的商品化非晶硅太陽(yáng)電池組件問(wèn)世； -1985 單晶硅太陽(yáng)電池售價(jià) 10 USD/W；澳大利亞新南威爾士大學(xué) Martin Green 研制 單晶硅的太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20%； -1986 6 月，ARCO Solar 發(fā)布 G-4000世界首

11、例商用薄膜電池“動(dòng)力組件” ； -1987 11 月，在 3100 公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV-動(dòng)力 汽車(chē)競(jìng)賽上，GM Sunraycer 獲勝，平均時(shí)速約為 71 km/h； -1990 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 46.5 MW； -1991 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 55.3 MW；瑞士Gr?tzel教授研制的納米TiO2染料敏化 太陽(yáng)電池效率達(dá)到 7%; -1992 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 57.9 MW； -1993 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 60.1 MW； -1994 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 69.4 MW； -1995 世界太陽(yáng)電

12、池年產(chǎn)量超過(guò) 77.7 MW；光伏電池安裝總量達(dá)到 500 MW； -1996 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 88.6 MW; -1997 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 125.8 MW； 35 -1998 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 151.7 MW；多晶硅電池產(chǎn)量首次超過(guò)單晶硅； -1999 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 201.3 MW； 美國(guó) NREL 的 M.A.Contreras 等報(bào)道銅銦錫 （CIS） 電池效率達(dá)到 18.8%；非晶硅電池占市場(chǎng)份額 12.3%； -2000 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 287.7 MW，安裝超過(guò) 1000 MW，標(biāo)志太陽(yáng)能時(shí)代到來(lái)； -2001 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò)

13、399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等報(bào)道碲化鎘 （CdTe）電池效率達(dá)到 16.4%；單晶硅太陽(yáng)電池售價(jià)約為 3 USD/W； -2002 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 540 MW；多晶硅太陽(yáng)電池售價(jià)約為 2.2 USD/W； -2003 太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 760 MW；德國(guó) Fraunhofer ISE 的 LFC（Laserfired contact） 晶體硅太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20%; -2004 太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 1200 MW； 德國(guó) Fraunhofer ISE 多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20.3%; 非晶硅電池占市場(chǎng)份額 4.4%,降為 1999 年

14、的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%； -2010 通過(guò)技術(shù)突破，太陽(yáng)電池成本進(jìn)一步降低，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德 國(guó)可再生能源發(fā)電達(dá)到 12.5%； -2020 太陽(yáng)電池發(fā)電成本與化石能源相接近，德國(guó)可再生能源占 20%； -2030 太陽(yáng)電池發(fā)電達(dá)到 10-20%；德國(guó)將關(guān)閉所有的核電站； -2050 世界太陽(yáng)能利用將占有世界能源總能耗 30-50%份額。 -2100 以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類主要利用太陽(yáng)能、氫能、 風(fēng)能和生物質(zhì)能等潔凈可再生能源。人類從利用“昨日陽(yáng)光”完全過(guò)渡到利用 “今日陽(yáng)光”3。 我國(guó)太陽(yáng)電池發(fā)展簡(jiǎn)史：19

15、58 年我國(guó)開(kāi)始研制太陽(yáng)電池，1959 年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo) 體研究所研制成功第一片有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)電池；1971 年 3 月在我國(guó)發(fā)射的第二顆人 造衛(wèi)星-科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐 1 號(hào)上首次應(yīng)用由天津電源研究研制的太陽(yáng)電池；1973 年 天津港的海面航標(biāo)燈上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制太陽(yáng)電池，航標(biāo)燈上應(yīng)用 14.7 W 的太陽(yáng)電池；1979 年我國(guó)開(kāi)始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)電池； 1980-1990 年期間我國(guó)引進(jìn)國(guó)外太陽(yáng)電池關(guān)鍵設(shè)備和成套生產(chǎn)線及技術(shù)，先后建立單 晶硅電池生產(chǎn)企業(yè)，如寧波太陽(yáng)能電源廠、開(kāi)封半導(dǎo)體廠、云南半導(dǎo)體廠、秦皇島華 美太陽(yáng)電池廠等。 到上世紀(jì) 80 年代后期，

16、我國(guó)太陽(yáng)電池生產(chǎn)能力達(dá)到 4.5 MW/年， 初步形成我國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)。目前有些企業(yè)關(guān)閉，有些得到發(fā)展擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模和能 力，出現(xiàn)了一些新廠，還有些企業(yè)正在籌建。2004 年我國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量超過(guò)印度，年 36 產(chǎn)量達(dá)到 50 MW 以上。預(yù)計(jì)在 2005-2006 年期間，我國(guó)大陸包括正在建設(shè)的太陽(yáng)電池 或太陽(yáng)電池組件產(chǎn)量可達(dá)到 10 MW 以上的廠家有：無(wú)錫尚德，保定天威英利，寧波太 陽(yáng)能，南京中電光伏，上海太陽(yáng)能科技，云南天達(dá)和常州天合等。我國(guó)將成為世界重 要的光伏工業(yè)基地之一，特別是長(zhǎng)江三角洲太陽(yáng)電池與組件生產(chǎn)、河北、遼寧硅片與 太陽(yáng)電池生產(chǎn)、天津非晶硅電池、四川多晶硅材料，珠江三角洲光

17、伏應(yīng)用產(chǎn)品、包括 非晶硅、晶硅電池等，將在我國(guó)初步形成一個(gè)光伏工業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。 我國(guó)的“可再生能源法”的頒布，將有力促進(jìn)我國(guó)太陽(yáng)能工業(yè)發(fā)展，特別是光伏 行業(yè)，可以預(yù)見(jiàn)，從現(xiàn)在起，我國(guó)光伏工業(yè)發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)新的高潮，在 3-5 年內(nèi)我 國(guó)在太陽(yáng)電池研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將在東部沿海地區(qū)形成一個(gè)世界級(jí)的產(chǎn)業(yè)基 地，將在國(guó)際太陽(yáng)能光伏工業(yè)占有重要的地位。 2.2. 半導(dǎo)體材料與理論 太陽(yáng)電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件。至今為 止，與集成電路一樣，占絕對(duì)主導(dǎo)市場(chǎng)的太陽(yáng)電池也是以硅材料為主的。為了全面、 系統(tǒng)了解太陽(yáng)電池，有必要對(duì)半導(dǎo)體材料，特別是硅材料作必要的了解。 按

18、導(dǎo)電性強(qiáng)弱，材料一般可分為三大類，即導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的電阻 率一般在 10-4 ?cm以下，如金、銀、銅、鋁等金屬和合金材料；絕緣體是不易導(dǎo)電的 物質(zhì)，如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等，電阻率一般在 109 ?cm以上；而半導(dǎo)體的電阻 率一般在 10-4 -109 ?cm之間，如鍺、硅、砷化鎵等。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能具有以下 一般基本特性4-6： - 摻雜特性：摻入微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱摻雜）能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含 量改變能引起載流子濃度變化，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料 中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料； - 溫度特性：溫度也能顯著改變半導(dǎo)

19、體材料的導(dǎo)電性能。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能 力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具 有正的溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢； - 環(huán)境特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象） 。此外，半 導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和氣氛的作用等而變化； 8 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性可用半導(dǎo)體的能帶理論來(lái)說(shuō)明7 。物質(zhì)由原子組成，而原子 37 為一帶正電的原子核和一定數(shù)量的繞核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子組成。原子核的正電荷數(shù) 與核外電子的電荷數(shù)相同。如典型的半導(dǎo)體材料硅的原子核有 14 個(gè)正電荷，核周?chē)?14 個(gè)電子。不同軌道電子離原子核的距離不同，則

20、所受的引力也不同，因而能量也不 同。離原子核近的電子所受的約束力強(qiáng)，電子自身具有的能量??；而最外層軌道電子 受約束力最弱，電子具有的能量大，因此容易受到外界作用，而掙脫原子核的約束成 為自由電子。 硅原子的最外層有四個(gè)電子。可將每一電子殼層看作一個(gè)電子能級(jí)。最里層的有 2 個(gè)量子態(tài)，其次層有 8 個(gè)量子態(tài)，最外層也有 8 個(gè)量子態(tài)。但硅最外層只有 4 個(gè)電 子，故還有 4 個(gè)空量子態(tài)或空能級(jí)。一旦內(nèi)層電子得到能量就可能躍遷到這些空能級(jí) 上去。 硅材料通常是晶體，從晶體能帶可見(jiàn)，由于晶體中原子的電子軌道的交迭和電子 的共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子的N個(gè)相同能級(jí)在晶體中分裂成N個(gè)能量略有差別的不同能 級(jí)

21、，從而形成能帶。各個(gè)能帶與單個(gè)原子的各個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)。能量較低的能帶常被電 子填滿。凡是被電子填滿的能帶成為滿帶。滿帶中能量最高的，即價(jià)電子填滿的能帶 成為價(jià)帶?？諑е心芰孔畹偷?，即離價(jià)帶最近的能帶稱為導(dǎo)帶。各能帶間存在的能帶 區(qū)域稱為禁帶。通常所說(shuō)的禁帶是導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂間的能量間隔，它們的能量差稱為 禁帶寬度(Eg), 簡(jiǎn)稱帶隙，它反映了使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的能量。從能帶 理論來(lái)看，金屬的禁帶很窄或價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊，而絕緣材料的禁帶很寬，一般在 5 eV 以上，而常用的半導(dǎo)體材料的禁帶一般在 5 eV以下。 純硅是半導(dǎo)體，即是與具有良好導(dǎo)電性的金屬（銀、銅，鋁等）相比導(dǎo)電率很低 的材料。

22、這種材料的導(dǎo)電性非常明顯的與溫度有關(guān)。硅原子在外電子層具有四個(gè)電子， 即本質(zhì)上決定物理和化學(xué)性能的價(jià)電子。在晶體中每個(gè)硅原子通過(guò)四個(gè)價(jià)電子和四個(gè) 相鄰的原子鍵合形成結(jié)合，即共價(jià)鍵。由于鍵合外層電子被固定在相對(duì)有序的狀態(tài)， 在晶體中不能用于傳輸電荷。在絕對(duì)零度附近，即 0 K = -273 ，純硅是絕緣體。通 過(guò)輸入能量（如熱量，光）電子結(jié)合可被破壞，以至于在較高的溫度時(shí)電子被釋放并 在晶體中在一定范圍移動(dòng)，可在晶體中形成電流。 通過(guò)用雜質(zhì)原子，如加入硼或者磷有控制的摻雜，就可達(dá)到改變純硅導(dǎo)電性的目 的。一個(gè)晶體硅片在一面要用磷原子，如以一個(gè)磷原子對(duì)一百萬(wàn)個(gè)硅原子的比例關(guān)系 進(jìn)行摻雜。磷原子在外

23、電子層有 5 個(gè)電子，在與硅晶體鍵合僅需要四個(gè)電子。第 5 個(gè) 38 電子是準(zhǔn)自由的，在晶體中能夠移動(dòng)而形成電流。通過(guò)有目的的改變摻雜的濃度，載 流子的數(shù)目和由此引起的摻雜硅的導(dǎo)電性將在本質(zhì)上由晶體中雜質(zhì)的數(shù)目來(lái)確定。因 為此時(shí)負(fù)的(negative)載流子（電子）移動(dòng)形成電流，所以用磷或其它的 5 價(jià)原子摻 雜的硅被稱為 n 型硅。 相對(duì)類似的硅片的另一面應(yīng)當(dāng)用硼來(lái)?yè)诫s：硼是 3 價(jià)的原子，在外電子層只有 3 個(gè)電子。硼原子在硅晶格中缺少一個(gè)電子與第四個(gè)相鄰硅原子結(jié)合。這個(gè)空缺的位子 的被稱為“空穴”或“缺陷電子” 。一個(gè)空穴或缺陷電子的行為與 n 型導(dǎo)電硅中的多余 電子完全類似：它在晶體中

24、移動(dòng)并形成電流。嚴(yán)格地講，當(dāng)然不是空穴移動(dòng)，而是一 個(gè)電子從相鄰鍵合處跳到空穴處，而在它原來(lái)的位子形成一個(gè)空穴。那么這個(gè)空穴的 運(yùn)動(dòng)方向與電子相反，因而空穴被稱為正的（positive）載流子。類似地人們稱這樣 摻雜的硅為 p 型硅。將 p 型硅與 n 型硅結(jié)合在一起，形成了所謂的“p-n 結(jié)” ，p-n 結(jié) 附近的電子和空穴的將發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：n 型區(qū)域中的電子向 p 型區(qū)域擴(kuò)散相對(duì)于 p 型 區(qū)域的空穴向 n 型區(qū)域擴(kuò)散。p-n 結(jié)是半導(dǎo)體器件也是太陽(yáng)電池的核心，在以下的章 節(jié)中將會(huì)進(jìn)一步解釋。 根據(jù)太陽(yáng)光譜實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的需求，由理論分析得知，一般太陽(yáng)電池最常用的半 導(dǎo)體材料的帶隙在 1-2

25、 eV 之間，而在 1.4 eV 左右可獲得最高的光電轉(zhuǎn)化效率。半導(dǎo) 體材料分為直接帶隙和間接帶隙。直接帶隙的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)相同的動(dòng) 量值，為此，電子從導(dǎo)帶向價(jià)帶的躍遷無(wú)需動(dòng)量的變化。直接帶隙半導(dǎo)體材料的光吸 收系數(shù)大，而間接帶隙的光吸收系數(shù)小，通俗地講就是，吸收同樣多的太陽(yáng)光，間接 帶隙的半導(dǎo)體材料的厚度要求比直接帶隙要厚的多。如對(duì)于直接帶隙的半導(dǎo)體砷化鎵 而言，吸收全部的太陽(yáng)光僅需要微米級(jí)的厚度，而晶體硅材料必須 100 m 以上才有可 能。 晶體硅材料是間接帶隙材料，帶隙的寬度(1.12 eV)與 1.4 eV 有較大的差值，嚴(yán) 格來(lái)說(shuō)，硅不是最理想的太陽(yáng)電池材料。但是，硅是

26、地殼表層除了氧以外的豐度排在 第二位的元素，本身無(wú)毒，主要是以沙子和石英狀態(tài)存在，易于開(kāi)采提煉，特別是借 助于半導(dǎo)體器件工業(yè)的發(fā)展，晶體硅生長(zhǎng)、加工技術(shù)日益成熟等等因素，晶體硅成了 太陽(yáng)電池的主要材料。盡管如此，人類一直沒(méi)有放棄尋找和合成更合理更價(jià)廉的材料。 高純硅材料的制備過(guò)程耗能耗時(shí)，特別是晶體硅生長(zhǎng)技術(shù)要求高，導(dǎo)致硅材料價(jià)格昂 貴。從太陽(yáng)電池的實(shí)際要求來(lái)看，不需要像半導(dǎo)體集成電路或分立器件那樣對(duì)硅材料 39 的純度和結(jié)晶有那樣高的要求。 理想的太陽(yáng)電池材料應(yīng)當(dāng)具有以下條件： - 直接帶隙，帶隙寬度在 1.1 eV-1.7 eV 之間，接近 1.4 eV 可達(dá)到最大光電轉(zhuǎn)換效率； - 無(wú)毒

27、，在地球上豐度高； - 較好的力學(xué)性能，便于加工； - 較高的光電轉(zhuǎn)換效率； - 性能穩(wěn)定，耐候性好，具有較長(zhǎng)的使用壽命； - 便于制備，特別是能適合大面積、薄膜化生產(chǎn)。 2.3. 硅片的生產(chǎn) 太陽(yáng)電池產(chǎn)品需要高純的原料，對(duì)于太陽(yáng)電池要求硅材料的純度至少是 99.99998%，即在 1 千萬(wàn)個(gè)硅原子中最多允許 2 個(gè)雜質(zhì)原子存在。而對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)要求 的純度還要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。硅材料是用二氧化硅（SiO2）作為生產(chǎn)原料，將此熔化并 除去雜質(zhì)就可制取粗級(jí)硅也稱冶金級(jí)硅7。類似于半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)品，必要的材料提 純處理相當(dāng)昂貴和生產(chǎn)成本很高：金屬合金需要的冶金級(jí)硅（雜質(zhì)約 1-2%）大約 8-10 元/

28、kg，而太陽(yáng)電池用的硅材料價(jià)格要高幾十倍。一片 100 mm x 100 mm的太陽(yáng)電池要 用硅材料約 10 g左右，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池的電功率為 1.3-1.5 W，這樣的話，1 MW太陽(yáng) 電池需要 13 噸左右的硅材料?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是不管是單晶還是多晶硅太陽(yáng)電池，都 使用大尺寸、超薄的硅片，如 125 mm x 125 mm，150 mm x 150 mm, 而厚度開(kāi)始從 330 m向 240 m、220 m甚至可減少到 100 m以下。德國(guó)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所使用 40 m 超薄硅片，制作的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到 20%。這些技術(shù)的推廣使用將節(jié)省大量 的硅材料，可明顯降低太陽(yáng)電池生產(chǎn)成本，有

29、利促進(jìn)太陽(yáng)電池工業(yè)的發(fā)展。 從二氧化硅到適用于制作太陽(yáng)電池用的硅片，要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，涉及多個(gè) 生產(chǎn)工藝和過(guò)程。一般可大致分為：二氧化硅 冶金級(jí)硅 高純?nèi)葰涔?高 純多晶硅原料 單晶硅棒或多晶硅錠 硅片 太陽(yáng)電池 電池組件。以下對(duì) 各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程作一簡(jiǎn)要描述。 高純的二氧化硅（SiO2）是硅材料的原料。我國(guó)高氧化含量的石英和硅石藏量豐 富，分布很廣，全國(guó)各地幾乎都發(fā)現(xiàn)有高品位的含氧化硅礦，SiO2的含量大都在 99% 以上。工業(yè)上是通過(guò)電弧爐，將SiO2 通過(guò)與還原劑碳反應(yīng)形成初級(jí)硅-也稱冶金級(jí)硅 40 8-9 。其基本反應(yīng)為： SiO2 + 2C = Si + 2CO 在高溫下，二氧化硅

30、與焦碳反應(yīng)，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時(shí)鐵作為催 化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開(kāi)孔可將液相硅收集，凝固后可通過(guò)機(jī) 械粉碎，得到冶金級(jí)硅粉，冶金級(jí)硅粉的純度一般在 97-98%左右，其中含有大量的金 屬雜質(zhì)，如鐵、鎳、銅、鋅等等。冶金級(jí)硅的電能消耗為 12000 冶金級(jí)硅主要用于冶金或化學(xué)工業(yè)。 為了得到高純的硅材料，工業(yè)上是將冶金級(jí)硅經(jīng)過(guò)破碎研磨后成為硅粉，可通過(guò) 酸洗，再通過(guò)化學(xué)反應(yīng)變成硅的氯化物或氫化物，然后通過(guò)化學(xué)或物理提純方法純化 氯化物或氫化物。 最后采用氫還原法或熱分解法，將高純的硅的氯化物或氫化物轉(zhuǎn)變 成高純硅。 高純硅早期的生產(chǎn)是用四氯化硅（SiCl4）作為硅源

31、。SiCl4純化方法主要采用精餾 法和固體吸附法。精餾法是利用SiCl4 混合液中各種化學(xué)組成的沸點(diǎn)不同，將SiCl4同 其它組分分離。固體吸附法是根據(jù)化學(xué)鍵的極性來(lái)對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行分離。 硅烷（SiH4）也是一種硅源。SiH4是硅化鎂和氯化銨反應(yīng)得到一種氣體，濃度高時(shí) 在空氣中易燃易爆，因此，使用時(shí)必須稀釋，即用高純氮?dú)饣驓錃庀♂尩?3-5%沖入鋼 瓶使用。SiH4可通過(guò)減壓精餾、吸附和預(yù)熱分解等方法進(jìn)行純化。 采用流化床工藝，可將硅粉與氯化氫反應(yīng)生成三氯氫硅（SiHCl3）液體，由于液 體可通過(guò)蒸餾去除雜質(zhì)，工業(yè)上采用蒸餾塔，經(jīng)過(guò)多重精餾，可得到 12 個(gè) 9 純度的三 氯氫硅，這是半導(dǎo)體和太陽(yáng)

32、電池工業(yè)的高純多晶硅材料的原料。 理論上講，可采用三種方法制取高純多晶硅材料：即SiCl4, SiHCl3還原法和SiH4熱 分解法，具體的反應(yīng)過(guò)程如下： SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl SiHCl3 + H2 = Si +3HCl SiH4 = Si + 2H2 （1100-1200 ） （900-1100 ） （800-1000 ） kWh/t，即 12 kWh/kg。 從中可見(jiàn)SiCl4法溫度比SiHCl3高，制取SiH4時(shí)氯氣消耗量大，此種方法現(xiàn)已少用。 而SiH4法由于消耗金屬鎂等還原劑，以及SiH4法本身易燃、易爆等，在一定程度上受到 限制。但此法去除硼雜質(zhì)很有效，

33、無(wú)腐蝕性，生產(chǎn)的硅質(zhì)量高，多用于外延生長(zhǎng)。 41 圖 2-1 西門(mén)子法生產(chǎn)高純多晶硅的示意圖 用SiHCl3生產(chǎn)高純硅時(shí)的反應(yīng)溫度要比用SiH4低。目前，高純多晶硅生產(chǎn)，工業(yè)上 廣泛采用SiHCl3還原法，也稱西門(mén)子法（圖 2-1） ，即將高純SiHCl3液體通過(guò)高純氣體 攜帶入充有大量氫氣的還原爐中，SiHCl3在通電加熱的細(xì)長(zhǎng)的硅芯表面反應(yīng)，導(dǎo)致硅 沉積在硅芯表面，通過(guò)一周或更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，還原爐中的 8 mm硅芯將生長(zhǎng)到 150 mm 左右。這樣得到的硅棒可作為區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅的原料，也可破碎后，作為直拉法生 長(zhǎng)單晶硅的原料。 通過(guò)高純硅原料的熔化可用提拉法(Czochralski 工藝

34、)制取單晶硅棒，直徑約為 100-300 mm，長(zhǎng)度可達(dá) 1 m 以上。單晶硅中的硅原子按確定的方式排列。通過(guò)多線鋸 可將單晶棒切成 200 -300 m 厚的硅片。一般在切割時(shí)會(huì)有 30-50%左右的硅材料損失。 由于硅片在太陽(yáng)電池成本中占有很大的份額，現(xiàn)在人們發(fā)展薄片切割技術(shù)。有些廠家 已經(jīng)在用 200 m 左右的硅片制作太陽(yáng)電池，實(shí)驗(yàn)室也在開(kāi)發(fā) 40-80m 硅片的太陽(yáng)電 池生產(chǎn)技術(shù)。硅片厚度的確定是綜合兩個(gè)方面的折衷的結(jié)果：一方面材料消耗要盡可 能小的，另一方面硅片要有足夠的材料強(qiáng)度，由于硅片很脆，要避免在進(jìn)一步的加工 過(guò)程中硅片斷裂發(fā)生。 現(xiàn)在多晶硅片廣泛用于制備太陽(yáng)電池，主要是多晶

35、硅片生產(chǎn)的成本較低，并且多 晶硅片產(chǎn)量更大。用多晶硅澆鑄爐可一次得到重達(dá) 270 公斤的多晶硅錠，采用定向凝 固法可得到垂直于晶面的晶界。將硅錠可用線鋸切成邊長(zhǎng)為 100-150 mm 不同規(guī)格的硅 磚，如重量為 240-270 kg，尺寸為 690 mm x 690 mm 的多晶硅錠，切成 100 mm x 100 mm 規(guī)格，可得到 36 塊硅磚;125 mm x 125 mm 規(guī)格為 25 塊硅磚，150 mm x 150 mm 規(guī) 42 格為 16 塊硅磚。 硅磚再通過(guò)多線切割可得到各種尺寸的多晶硅片。多晶硅片為真正的正方片，用 多晶硅片制作的太陽(yáng)電池更有利于緊湊型的太陽(yáng)電池組件加工。

36、 非晶硅薄膜太陽(yáng)電池在消費(fèi)品和建筑材料方面也得到比較多的應(yīng)用。非晶硅薄膜的制 備多用硅烷作為原料，主要可通過(guò)化學(xué)氣相沉積工藝。目前生產(chǎn)非晶硅太陽(yáng)電池多采 用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，可用單室，也可多室沉積。摻雜氣體主要有硼烷和磷烷。 與晶體硅太陽(yáng)電池不同， 非晶硅薄膜太陽(yáng)電池在制備過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)單體電池的內(nèi)連接， 即非晶硅電池可直接制成所需的電參數(shù)的組件形式。 2.4. 太陽(yáng)電池原理 太陽(yáng)電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為電能10-12。 在晶體中電子的數(shù)目與總是與核電荷數(shù)相一致，所以p型-硅和n型-硅對(duì)外部來(lái)說(shuō)是電 中性的。如將p型-硅或n型-硅放在陽(yáng)光下照射，僅是被加熱，

37、外部看不出變化。盡管 通過(guò)光的能量電子從化學(xué)鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，但在很短的時(shí)間內(nèi)（在 s范圍內(nèi)）電子又被捕獲，即電子和空穴“復(fù)合” 。 當(dāng) p 型-材料和 n 型-材料相接，將在晶體中 p 型-和 n 型-材料之間形成界面，即 一個(gè) p-n 結(jié)。此時(shí)在界面層 n 型材料中的自由電子和 p 型材料中的空穴相對(duì)應(yīng)。由于 正負(fù)電荷之間的吸引力，在界面層附近 n 型材料中的電子擴(kuò)散到 p 型材料中，并且將 在原子作用力允許范圍內(nèi)，與 p 型材料中的電子缺乏實(shí)現(xiàn)平衡。與此相反，空穴擴(kuò)散 到 n 型材料中與自由電子復(fù)合。這樣在界面層周?chē)纬梢粋€(gè)無(wú)電荷區(qū)域。在之前 p 型 和 n 型材料是電中

38、性的，這樣通過(guò)界面層周?chē)碾姾山粨Q形成兩個(gè)帶電區(qū)：通過(guò)電子 到p 型材料的遷移在 n 型區(qū)形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)和在 p 型區(qū)形成一個(gè)負(fù)空間電荷 區(qū)。 至今為止，大多數(shù)太陽(yáng)電池廠家都是通過(guò)擴(kuò)散工藝，在 p 型硅片上形成 n 型區(qū)， 在兩區(qū)交界就形成了一個(gè) p-n 結(jié)（即 n+/p） 。太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平 面 p-n 結(jié)。由于在結(jié)區(qū)附近電子和空穴的相互擴(kuò)散，從而在結(jié)區(qū)形成一個(gè)由 n 區(qū)指向 p 區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。 太陽(yáng)電池在無(wú)光照時(shí)，在界面層附近的相反的空間電荷相互作用，使載流子的繼 續(xù)交換停止。在界面層附近的空間電荷區(qū)的厚度一般為 0.5 -1 m 左右。 對(duì)于太陽(yáng)電 43 池來(lái)說(shuō)

39、，界面層應(yīng)當(dāng)處于硅片表面的附近位置。 如果光線照射在太陽(yáng)電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在 p 型硅和 n 型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以至產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。界面層附近的電子 和空穴在復(fù)合之前，將通過(guò)空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。電子向帶正電的 n 區(qū)和 空穴向帶負(fù)電的 p 區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)界面層的電荷分離，將在 p 區(qū)和 n 區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向 外的可測(cè)試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅電池來(lái)說(shuō)， 開(kāi)路電壓的典型數(shù)值為 0.5-0.6 V。用一個(gè)電流表也可測(cè)量電流的強(qiáng)度。通過(guò)光照在 界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)愈多，電流愈大。界面層吸收的光能愈多和界面層即電池

40、面 積愈大，在太陽(yáng)電池中形成的電流也愈大。 對(duì)于太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，光能到電流的轉(zhuǎn)換僅是在界面層附近才是有效的。這取決于 光線在界面層周?chē)晃蘸捅M可能地將能量傳輸給晶體。因此，太陽(yáng)電池的光線入射 的一面應(yīng)該相應(yīng)做得薄一些，以便光線可幾乎無(wú)衰減的到達(dá)界面層。 總而言之，在光照條件下，只有具有足夠能量的光子進(jìn)入 p-n 結(jié)區(qū)附近才能產(chǎn)生 電子-空穴對(duì)。對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)小于 1.1 m 的光線都可產(chǎn) 生光伏效應(yīng)。對(duì)不同材料的太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，盡管光譜響應(yīng)的范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn) 換的原理是一致的：如圖 2-2 所示，在 p-n 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，n 區(qū)的空穴向 p 區(qū) 運(yùn)動(dòng)，而 p

41、區(qū)的電子向 n 區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后造成在太陽(yáng)電池受光面（上表面）有大量負(fù)電 荷（電子）積累，而在電池背光面（下表面）有大量正電荷（空穴）積累。如在電池 上、下表面做上金屬電極，并用導(dǎo)線接上負(fù)載，在負(fù)載上就有電流通過(guò)。只要太陽(yáng)光 照不斷，負(fù)載上就一直有電流通過(guò)。 圖 2-2 晶體硅太陽(yáng)電池原理示意圖 （ 代表電子、 代表空穴、光子能量 h ) 44 2.5.太陽(yáng)電池工藝 這里主要介紹晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝流程13-15。以單晶硅電池為例：首先拉制 p型單晶硅棒，通過(guò)切片設(shè)備將單晶硅棒切成約 300 m左右的硅片，硅片要進(jìn)行腐蝕、 清洗，然后將硅片置于擴(kuò)散爐石英管內(nèi)，用三氯氧磷在硅片上擴(kuò)散磷原子，以在p

42、型硅 片上形成深度約 0.5 m左右的n型導(dǎo)電區(qū)，在界面形成p-n 結(jié)，接著在受光面上制作 減反射薄膜，并通過(guò)真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷制作上下電極。在受光面采用柵線電極，以 便最大限度地采光。下面就太陽(yáng)電池的主要制造過(guò)程：去除硅片表面損傷層、擴(kuò)散制 結(jié)、等離子邊緣腐蝕、去除磷硅玻璃、沉積減反射膜、制作上下電極等工序,作一具體 說(shuō)明。 硅片腐蝕：首先用NaOH腐蝕硅片，以去除硅片表面機(jī)械切痕與損傷, p型硅片每面 腐蝕深度可為 5-10 m。用Na2CO3溶液進(jìn)行硅片表面絨化，現(xiàn)在常用的硅片的厚度為 200-300 m左右。去除硅片表面損傷層是太陽(yáng)電池制造的第一道常規(guī)工序，目前主要 是通過(guò)化學(xué)腐蝕，此

43、法可有效地消除由于切片造成的表面損傷，同時(shí)還可以制作絨面 表面構(gòu)造，從而減少光反射。化學(xué)腐蝕常用堿腐蝕方法： Si2NaOH H2O Na2SiO32H2 具有100晶向的單晶硅片由于在化學(xué)腐蝕中表現(xiàn)的擇優(yōu)性能， （100） （111） 即 和 的腐蝕速率不同，而在表面出現(xiàn)金字塔構(gòu)造，即形成多個(gè)（111）小面，從而形成一個(gè) 陷光的表面絨面構(gòu)造，光線經(jīng)過(guò)這樣的表面至少會(huì)有 2 次機(jī)會(huì)與硅表面接觸，這樣可 有效地減少太陽(yáng)光在硅片表面的反射。硅的折射率達(dá) 3.84(波長(zhǎng) 6.5m)，光線一次與 表面接觸可高達(dá) 30%的反射，但由于金字塔構(gòu)造，第二次接觸時(shí)光線的反射就可降到 9%以下。在通過(guò)蒸鍍一層減

44、反射薄膜，甚至可將硅片表面反射率降到 1%以下。但化學(xué) 腐蝕的絨面效果對(duì)于多晶硅片不明顯，這是由于多晶硅的表面是多重取向的?，F(xiàn)在正 在研究用等離子刻蝕的方法替代化學(xué)腐蝕，也稱活性離子刻蝕，也可將多晶硅片的表 面刻蝕成比較理想的金字塔表面絨面構(gòu)造。 擴(kuò)散制結(jié)：多數(shù)廠家都選用p型硅片來(lái)制作太陽(yáng)電池，那么一般用POCL3液態(tài)源作 為擴(kuò)散源。擴(kuò)散設(shè)備可用橫向石英管或鏈?zhǔn)綌U(kuò)散爐,進(jìn)行磷擴(kuò)散形成n 型層。擴(kuò)散的最 高溫度可達(dá)到 850-900。這種方法制出的結(jié)均勻性好，方塊電阻的不均勻性小于 10 ，少子壽命可大于 10 Ms。擴(kuò)散過(guò)程遵從如下反應(yīng)式： 45 4POCL3 3O2（過(guò)量） 2P2O52CL

45、2（氣） ，2P2O55Si 5SiO 2 + 4P 近年來(lái)，SheI1 Solar 開(kāi)發(fā)了新的擴(kuò)散工藝，即采用紅外加熱的辦法，明顯提高 了工效，擴(kuò)散速度可以達(dá)到每秒完成一片電池。 等離子邊緣腐蝕：擴(kuò)散過(guò)程中，在硅片的周邊表面也形成擴(kuò)散層，使電池短路， 必須除去。利用輝光放電中氟離子與硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物SiF4，可達(dá)到邊 緣腐蝕的目的。 去磷硅玻璃：用化學(xué)方法除去擴(kuò)散層SiO2與HF生成可溶于水的SiF，從而使硅表面 的磷硅玻璃（摻P2O5的SiO2）溶解，化學(xué)反應(yīng)為： SiO2 6HF H2（SiF6）2H2O 減 反 射 膜 制 備 ： 采 用 等 離 子 體 增 強(qiáng) 化 學(xué) 氣

46、 相 沉 積 (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 技術(shù)在電池表面沉積一層氮化硅（SiNx）減反射膜，不 但可以減少光的反射，而且因?yàn)樵谥苽?SiNx 減反膜過(guò)程中大量的氫原子進(jìn)入，能夠 起到很好的表面鈍化和體鈍化的效果。這對(duì)于具有大量晶界的多晶硅材料而言，由于 晶界的懸掛健被飽和，從而降低了復(fù)合中心的作用。由于具有明顯的表面鈍化和體鈍 化作用，因此可以用比較差一些的硅材料來(lái)制作太陽(yáng)電池。SiNx 薄膜起到增強(qiáng)對(duì)光的 吸收性的同時(shí)，氫原子對(duì)太陽(yáng)電池起到很好的表面和體內(nèi)鈍化作用，從而提高了電池 的短路電流和開(kāi)路電壓。 表面金屬化：太

47、陽(yáng)電池制造的最后一道制作工序是印刷電極，最早是采用的真空 蒸鍍或化學(xué)電鍍技術(shù)，而現(xiàn)在普遍采用絲網(wǎng)印刷法，即通過(guò)特殊的印刷機(jī)和模板將銀 漿、鋁漿印制在太陽(yáng)電池的正、背面，以形成正、負(fù)電極引線，再經(jīng)低溫烘烤、高溫 燒結(jié)，最終即可制成太陽(yáng)電池。在電池的背面制作電極毫無(wú)問(wèn)題，可在整個(gè)背面加上 一層薄的金屬層，為了容易焊接必要時(shí)要鍍上一層錫。但電池的正面必須保證對(duì)光線 透明，因此，電池的正面的電極呈梳子狀形式或絲網(wǎng)狀樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。正面電極的形式 和厚度總是兩方面因素平衡的結(jié)果，一方面要有高的透過(guò)率，另一方面要保證柵網(wǎng)電 極有一個(gè)盡可能低的接觸電阻。對(duì)此，各生產(chǎn)廠家有許多不同的制作工藝。通常電池 片正面（負(fù)

48、極）的梳子狀電極結(jié)構(gòu)中，一般有 2 條或 3 條主電極粗線，以便于連接條 焊接，而背面往往以鋁硅合金作為背表面場(chǎng)，以提高開(kāi)路電壓，背面（正極）也有 2 條或 3 條便于焊接的粗電極線，并往往還布滿細(xì)細(xì)的網(wǎng)格狀銀線。 絲網(wǎng)印刷技術(shù)近年來(lái)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度不斷提高。先進(jìn)的絲網(wǎng)印刷的模板采 46 用鎳板激光刻槽制成，以保證模板的耐久和柵格的精度。一般絲網(wǎng)印刷的正面電極對(duì) 光線有 7%左右的遮擋，采用先進(jìn)的模板印刷工藝可減少對(duì)光的遮擋，同時(shí)接觸電阻又 有一定程度的降低，制造出的電池效率也會(huì)有所提高。 檢測(cè)分級(jí)：電極印刷后到高溫?zé)Y(jié)結(jié)束，整個(gè)太陽(yáng)電池制造過(guò)程也就完成了，在 太陽(yáng)光下將太陽(yáng)電池正、負(fù)極用

49、導(dǎo)線接上，就有電流通過(guò)了。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量得一 致性，通常要對(duì)每個(gè)電池測(cè)試，并按電流和功率大小進(jìn)行分類，可根據(jù)電池效率，每 0.4 或 0.5 分級(jí)包裝。但要使太陽(yáng)電池能很好的滿足用戶發(fā)電需要，還須將太陽(yáng)電池 封裝成太陽(yáng)電池組件。 2.6. 太陽(yáng)電池理論分析 2.6.1. 太陽(yáng)電池模型 太陽(yáng)電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積平面二極管，在陽(yáng)光照射下就可產(chǎn)生直流電。實(shí) 際應(yīng)用中，太陽(yáng)電池可處于四種不同的狀態(tài)： 無(wú)光照：無(wú)電壓、無(wú)電流； 有光照但短路：短路電流； 有光照但開(kāi)路：開(kāi)路電壓； 有光照和有負(fù)載：有電壓、有電流。 其中只有第四種狀態(tài)為有效的工作狀態(tài)。太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電 路模型來(lái)說(shuō)明。

50、圖 2-3 中IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強(qiáng)度，恒流源來(lái)自太陽(yáng)輻射所激 發(fā)的過(guò)量載流子。Is是二極管飽和電流，RL是負(fù)載電阻。 圖 2-3 太陽(yáng)電池的理想化等效電路模型 47 這種器件的理想 I-V 特性為 I = I S e qV / kT ? 1 ? I L ( ) （1） 式中 q 為電子電量，k 是波爾茲曼常數(shù)，T 是絕對(duì)溫度，由此可導(dǎo)出： IS ? 1 JS = = qN C NV ? A ? NA ? Dn ? ? ? ? ? ? n ? 1 2 1 + ND Dp ? ? ? p ? ? ? 1 2 ? Eg ? ? exp? ? ? ? kT ? ? ? ? ? ? （1a） 式

51、中A為p-n結(jié)面積，Nc、Nv分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度，NA、ND分別為受主雜質(zhì)和 施主雜質(zhì)的濃度，Dn、Dp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，n 、p分別表示電子和空穴的 少子壽命，Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。根據(jù)上兩式可以畫(huà)出太陽(yáng)電池的明、暗I-V特 性曲線（如圖 2.4） 。 當(dāng)開(kāi)路時(shí)，I=0，由（1）式得到開(kāi)路電壓(open circuit voltage) VOC = Vmax = 輸出功率為 kT ? I L ? kT ? I L ? ln? + 1? ? q ln? I ? ? ? q ? IS ? ? ? S? （2） ? kV ? ? P = IV = I SV ?exp? ?

52、 ? 1? ? I LV ? ? kT ? ? 由?P/?V=0 可得最大功率的條件為 （3） Vm = kT ? 1 + (I L / I S ) ? kT ? qVm ? ln ? ln?1 + ? ? VOC ? q ?1 + qVm / (kT ) ? q ? kT ? ? ? 1 ? ? I L ?1 ? ? ? ? qVm / (kT ) ? （4） qV ? ? qV I m = I S ? m ? exp? ? kT ? kT ? 而最大輸出功率則為 （5） kT ? qVm ? kT ? Pm = I mVm I L ?VOC ? ln?1 + ? q ? kT ? q ?

53、? ? 太陽(yáng)電池的理想轉(zhuǎn)換效率為 kT ? qVm ? kT ? I L ?VOC ? ln?1 + ? q ? kT ? q ? I mVm ? ? = = Pin Pin FFI LVOC Pin （6） 或 = （7） 其中Pin是入射功率，對(duì)于地面應(yīng)用的太陽(yáng)電池，太陽(yáng)功率密度數(shù)值為 1000 W/m2（海平 面） ；對(duì)于空間中的太陽(yáng)電池，大氣層外的太陽(yáng)功率密度數(shù)值為 1350 W/m2。FF是填充 因子（fill factor） ，定義為： 48 FF I mVm kT ? qV ? kT = 1? ln?1 + m ? ? I LVOC qVOC ? kT ? qVOC （8） 填充

54、因子是最大功率矩形對(duì)ISC x VOC矩形的比例，若要得到最大效率，Pin不變時(shí)，要使 （7）式中分子最大（圖 2.4） 。 明特性曲線 暗特性曲線 圖 2-4 太陽(yáng)電池的明、暗特性曲線 （陰影面積對(duì)應(yīng)太陽(yáng)電池的最大輸出功率） 太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率是電池電功率和入射光功率的比值。由于材料只能最大限度 的吸收一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光輻射，而太陽(yáng)光譜卻是一個(gè)寬的連續(xù)譜，以及在室溫下必然 存在晶格熱振動(dòng)等散射機(jī)制，太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到 100%。 對(duì)于實(shí)際太陽(yáng)電池，影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素一個(gè)是串聯(lián)電阻RS，主要包括正面 金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻和電極電阻三部分；另外一 個(gè)

55、是并聯(lián)電阻RP，主要原因是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。由于光生 電動(dòng)勢(shì)使p-n結(jié)正向偏置，因此存在一個(gè)流經(jīng)二極管的漏電流，該電流與光生電流的方 向相反，會(huì)抵消部分光生電流，被稱為暗電流ID。圖 2-5 中給出了實(shí)際太陽(yáng)電池的單 二極管等效電路模型。 當(dāng) 負(fù) 載 被 短 路 時(shí) ， V=0 ， I=ISC ， ISC 即 為 太 陽(yáng) 電 池 的 短 路 電 流 (short circuit current)。由于此時(shí)流經(jīng)二極管的暗電流非常小，可以忽略，根據(jù)式 q (V + IRS ) ? V + IRS I = I L ? I D ? I P = I L ? I S ?e kT ?

56、1? ? RP ? ? 可得 （9） 49 I SC = I L ? I SC RS ? I SC = I L /1 + RS / RP RP （10） 由此可知，短路電流ISC總小于光生電流IL。 圖 2-5 太陽(yáng)電池的單二極管等效電路模型 在對(duì)太陽(yáng)電池暗I-V特性曲線擬合的過(guò)程中， 人們發(fā)現(xiàn)僅使用單二極管模型無(wú)法獲 得滿意的結(jié)果。為此，人們使用兩個(gè)二極管疊加的辦法來(lái)擬合電池的暗特性。即將基 區(qū)、發(fā)射區(qū)和空間電荷區(qū)的載流子復(fù)合電流區(qū)分開(kāi)來(lái)。用I01表示體區(qū)或表面通過(guò)陷阱 能級(jí)復(fù)合的飽和電流，所對(duì)應(yīng)的二極管理想因子為n=1；用I02表示p-n結(jié)或晶界耗盡區(qū) 內(nèi)復(fù)合的飽和電流，所對(duì)應(yīng)的二極管理想

57、因子為n=2。此時(shí)，太陽(yáng)電池的I-V特性方程 可寫(xiě)為： + ? q (VkTIRS ) ? ? q (V2+ IRS ) ? V + IRS ? 1? ? I 02 ?e kT ? 1? ? I = I L ? I 01 ?e RP ? ? ? ? （11） 由公式可見(jiàn)，I01和I02項(xiàng)主要決定太陽(yáng)電池暗特性曲線中間部分的形狀。 綜上所述，太陽(yáng)電池最重要的基本參數(shù)包括：短路電流ISC、開(kāi)路電壓VOC、最大工 作電壓Vm、最大工作電流Im、填充系數(shù)FF、轉(zhuǎn)換效率 、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻RP。常 用的關(guān)系式為： 填充系數(shù)： FF=VmIm/VocIsc 轉(zhuǎn)換效率：=ImVm/P=FFIscVoc/P （P - 太陽(yáng)輻射功率） 對(duì)于太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，填充系數(shù) FF 是一個(gè)重要的參數(shù)，它可反映太陽(yáng)電池的質(zhì)量。 太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻越小、并聯(lián)電阻越大，填充系數(shù)越大，反映到太陽(yáng)電池的電流電壓特性曲線上是曲線接近正方形，此時(shí)太陽(yáng)電池可以實(shí)現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率。 2.6.2. 太陽(yáng)電池的效率 50 目前，單晶硅電池可將約 16-20%的入射光線轉(zhuǎn)換為電流。在實(shí)驗(yàn)室最佳的條件下 制作的電池效率已經(jīng)接近 25%。從理論講，最大的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 30%甚至更高也是可能 的