光电池的制备与应用毕业论文

电信学院光电池的制备方法与应用系 部：电子信息工程系专 业：光电子技术班 级：光电 09303设 计 者：彭超指导教师：宋露露日期：2012 年 3 月光电池的制备方法与应用摘要：光电池又名太阳能电池。太阳能（光能）是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。本论文的书写旨在掌握当前光电池的种类以及主流电池的制备方法、光伏发电的背景、光伏发电的原理，在此基础之上了解相关的光电池的社会应用。本论文设计确定了如下的基本思路：1.硅光电池特性研究；2.光伏发电产业的背景；3.光伏发电的原理；4.光电池的制备方法；5.光电池的社会应用；由于本人水平有限，加之时间紧迫，不妥之处、疏漏的地方是难免的，敬请老师批评指正，谢谢。关键词：硅光电池；光伏发电；太阳能电池目 录1 光电池的基础 .11.1 光电池发展历史 .11.2 半导体材料与理论 .21.2.1 半导体材料的导电性能 .32 硅光电池特性研究 .42.1 硅光电池的基本原理 .42.2 硅光电池的主要特性 .52.2.1 硅光电池的主要参数和照度特性 .52.2.2 硅光电池的负载特性 .52.2.3 硅光电池的光谱特性 .62.2.4 硅光电池的温度特性 .62.3 硅光电池的特性研究实验 .72.3.1 测量硅光电池的光谱的响应特性 .72.3.2 测量硅光电池的负载特性 .93 光电池的制造 .113.1 表面绒面化 .113.1.1 绒面受光面积 .113.1.2 绒面反射率 .123.2 发射区扩散 .123.3 SiN 钝化与 APCVD 淀积 TiO2.123.4 PECVD 淀积 SiN.133.5 共烧形成金属接触 .133.6 电池片测试 .143.6.1 光电池的测试原理 .144 光电池的应用 .164.1 光电池的运用范围 .164.2 光电池的种类 .174.2.1 硅 光 电 池 .174.2.2 多 元 化 合 物 薄 膜 光 电 池 .174.2.3 聚 合 物 多 层 修 饰 电 极 型 光 电 池 .184.2.4 纳 米 晶 光 电 池 .184.2.5 有 机 光 电 池 .184.3 光电池家庭化的应用 .184.4 光电池的市场与应用 .194.5 我国光电池的发展状况与新进展 .20总结 .22参考文献 .23致谢 .2401 光电池的基础1.1 光电池发展历史从 1839 法国科学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，光电池已经经过了 160 多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对光电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅光电池的研制成功，在光电池发展史上起到了里程碑的作用。至今为止，光电池的基本结构和机理没有改变，光电池后来的发展主要是薄膜电池的研发， 如非晶硅光电池、 CIS 光电池、CdTe 光电池和纳米敏化光电池等，此外主要的是生 产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅光电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。具体的发展时段如下：-1839 法国实验物理学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应,简称为光伏效应；-1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效应，并制作第一片硒太阳电池；-1883 美国发明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理；-1904 Hallwachs 发现铜与氧化亚铜 (Cu/Cu2O) 结合在一起具有光敏特性；-1918 波兰科学家 Czochralski 发展生长单晶硅的提拉法工艺；-1921 德国物理学家爱因斯坦由于 1904 年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖； -1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜 (Cu/Cu2O) 太阳电池，发表“新型光伏电池”1论文；-1932 Audobert 和 Stora 发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象；-1953 Wayne 州立大学 Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各 类材料光电转换效率的第一个理论计算；-1954 RCA 实验室的 P.Rappaport 等报道硫化镉(CdS) 的光伏现象；(RCA:Radio Corporation of America, 美国无线电公司 )；-1957 Hoffman 电子的单晶硅电池效率达到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 获得“太阳能转换器件”专利权；-1959 Hoffman 电子实现可商业化单晶硅电池效率达到 10%， 并通过用网栅电极来显著 减少光伏电池串联电阻；卫星探险家 6 号发射，共用 9600 片电池列阵，每片 2 平方厘米,共约 20W；-1972 法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电；-1997 世界太阳电池年产量超过 125.8 MW；-2001 世界太阳电池年产量超过 399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等报道碲化镉 （CdTe）电池效率达到 16.4%；单晶硅太阳电池售价约为 3 USD/W ；-2003 太阳电池年产量超过 760 MW；-2004 太阳电池年产量超过 1200 MW； 德国 Fraunhofer ISE 多晶硅太阳电池效率达 20.3%; 非晶硅电池占市场份额 4.4%,降为 1999 年的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%；-2010 通过技术突破，太阳电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到 12.5%；1.2 半导体材料与理论 2光电池是以半导体材料为基础的一种具有能量转换功能的半导体器件。至今为止，与集成电路一样，占绝对主导市场的光电池也是以硅材料为主的。为了全面、系统了解太阳电池，有必要对半导体材料，特别是硅材料作必要的了解。按导电性强弱，材料一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。1.2.1 半导体材料的导电性能（1）杂特性：掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著的改变半导体的导电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，半导体材料电阻率随之发生很大变化。在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的半导体材料。（2）温度特性：温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数。而金属的电阻率具有正的温度系数，且其随温度的变化很慢。（3）环境特性：半导体的导电能力还会随光照而发生变化（称为光电导现象） 。（4）此外，半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场、压力和气氛的作用等而变化。32 硅光电池特性研究2.1 硅光电池的基本原理光电池是一种光电转换元件，不用外加电源而能直接把光能转换成电能。它的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、硫化铊、硫化镉等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。它有一系列的优点：性能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换效率高，能耐高温辐射等。同时它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度最相近，所以，它在很多分析仪器、测量仪器、曝光表以及自动控制监测、计算机的输入和输出上用作探测元件，在现代科学技术中占有十分重要地位。本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作基本的了解和研究。硅光电池是一种 PN 结的单结光电池，当光照射到 PN 结时，由于光激发的光生载流子的迁移，使 PN 结两端产生了光生电动势，如果他与外电路中的负载接通，则负载电路中将由光电流产生。RL+-硅 光 电 池 结 构 图光防 反 射 膜 （ siO )2硅 光 电 池 外 形 图+-PNSiO2P-N结4（硅光电池原理结构图）硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池，其中本实验中使用的2DR 型硅光电池属于单晶硅光电池。下圖是常用的硅光电池的外形及结构示意图，为提高效率，在器件的受光面上进行氧化，形成 SiO2 保护膜，以防止表面反射光，并且表面电极做成梳妆，减少光生载流子的复合机会。单晶硅光电池的转换率一般在 10%左右，最高可达 15%20%。目前，使用较广发的太阳能电池属于多晶硅光电池，转换率约为 7%。多晶硅光电池采用价格低廉的多晶硅作材料，而且可用简单的真空涂镀法制造，其大小不受晶体的大小限制，可制作大面积光电池。2.2 硅光电池的主要特性2.2.1 硅光电池的主要参数和照度特性开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照度的特性曲线称为开路电压曲线。短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路时所输出的光电流值称为短路光电流。光电流密度与照度的特性曲线称为短路电流曲线。图 a 为硅光电池的开路电压曲线和短路电流曲线，其中曲线 1 是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线 2 是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x 时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。 5图 a 硅光电池的光电特性（ 1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线）2.2.2 硅光电池的负载特性硅光电池的伏安特性与最佳匹配。随着负载电阻的变化，回路中电流 I和硅光电池两端的电压 U 相应地变化，称为硅光电池的伏安特性。当负载电阻取某一值时，其输出功率最大，这称为最佳匹配，此时所用的电阻称为最佳匹配电阻。硅光电池的内阻。从理论上可以推导出硅光电池的内阻等于开路电压除以短路电流。可以观察到光照面积不同时，硅光电池的内阻将发生变化。2.2.3 硅光电池的光谱特性在入射光能量保持一定的情况下，短路电流与不同的入射光频率（波长）之间的关系称为光电池的光谱特性。图 b 为硅光电池光谱特性曲线，从曲线可看出，硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在 850nm 附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。 图 b 硅光电池光谱特性2.2.4 硅光电池的温度特性硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线表征了它的温度特性。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。6图 c 为硅光电池的温度特性曲线，图中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。图 c 硅光电池温度特性（1开路电压 2短路电流）2.3 硅光电池的特性研究实验实验仪器：实验用具：电位差计、硅光电池（2DR65 型，面积 =15nm2，光强 100mW/cm2,温度为 20时，开路电压大于 500mV，短路电流为3155mA，光谱峰值在 0.451.1um 范围内） ，光源，聚光透镜，检流计，滤色片，偏振片，开关等。2.3.1 测量硅光电池的光谱的响应特性 1.把入射光挡掉，把检流计打到“1”挡，然后把检流计调到零。2.点亮白炽