光伏材料应用技术毕业论文.doc

南昌航空大学毕业论文毕业论文题目 光伏电池及制作工艺_学院 新能源学院_专业 光伏材料应用技术 _ 姓名 陈子群_学号 1105251561_指导老师 王玲维_职称 讲师_2012年3月12日24【摘 要】倡导绿色环保，清洁高效，清洁能源是当今的时代主题，越来越受到各国 的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源也是清洁能源，不产生任何 的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快， 最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了 太阳能电池。 本文着重简绍几种广 泛应用和极大开发价值的太阳能电池材料及其制备技术。 关键词：多晶硅材料电池 非晶硅薄膜 化合物 薄膜 效率 成本【abstract】to advocate green environmental protection, clean and efficient, clean energy is the theme of the times, more and more get extensive attention of the countries of the solar materials may will lead future energy material field. solar energy is the human the inexhaustible renewable energy. is clean energy, do not produce any pollution. in the effective utilization of solar energy in the center; sun arises photoelectric use in recent years can is the fastest growing and most dynamic field of study, is one of the most notable of one of the items. therefore, the people development and the development the solar cell. this paper jianshao several widely used and great wide development value the solar cell material and preparation technology. keywords: polycrystalline silicon battery amorphous silicon thin film compound film cost efficiency 目录 引言1第一章 太阳电池概述11.1太阳电池概述11.2太阳电池的发电原理21.3太阳电池发展历史31.4太阳电池分类4第二章 实验室高效电池工艺52.1关于光的吸收52.2金属化技术52.3 pn结的形成技术62.4 表面和体钝化技术7第三章 太阳能电池板83.1太阳能电池板的组成8 3.2太阳能控制器93.3 太阳能蓄电池123.4太阳能逆13第四章 多晶硅薄膜制作技术164.1低压化学气相沉积（lpcvd）164.2固相晶化(spc) 164.3准分子激光晶化(ela) 174.4 快速热退火（rta）184.5 等离子体增强化学反应气相沉积（pecvd）18 4.6金属横向诱导法(milc) 20总结21参考文献22致谢23引言当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000tw。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000tw 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。第一章 太阳电池概述1.1太阳电池概述1.1太阳电池 solar cell 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，又称太阳能电池或光电池，是太阳电池阵电源系统的重要元件。 主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧厘米以上的p型单晶硅。包括p-n结、电极和减反射膜等部分。受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从22厘米至5.95.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换效率为20 ，实际已达到11.214.8。 单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24，实际达到18。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。级联p-n 结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的 p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐增长，这种电池可以充分利用日光,光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。1.2太阳能电池的发电原理 太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。p型晶体硅经过掺杂磷可得n型硅，形成pn结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在p-n结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。1.3太阳电池发展历史 太阳电池发展历史可以追溯到1839年，当时的法国物理学家alexander-edmond becquerel发现了光伏特效应（photovoltaic effect）。直到1883年，第一个硒制太阳电池才由美国科学家charles fritts所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。 中国第一个太阳电池而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者russell ohl开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到6%左右。随后，太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974年，haynos等人，利用硅的非等方性（anisotropic）的蚀刻（etching）特性，慢慢的将太阳电池表面的硅结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失，这使得当时的太阳电池能源转换效率达到17%。 1976年以后，如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本降低使得太阳电池进入民间发电领域，太阳电池开始应用于并网发电。1.4太阳电池分类分类太阳电池是光伏发电系统的核心。 从产生技术的成熟度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段: 第一代太阳电池：晶体硅电池; 第二代太阳电池：各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池（a-si）、碲化镉太阳电池（cdte）、铜铟镓硒太阳电池（cigs）、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等; 第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池（tpv）、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。 电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。 按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、燃料敏化电池和有机薄膜电池几种。 硅基太阳电池 硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到1420(单晶体硅电池1620，多晶体硅1416)。目前产业化太阳电池中，多晶硅和单晶硅太阳电池所占比例近90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领域。 第二章 实验室高效电池工艺2.1关于光的吸收对于光吸收主要是：（1）降低表面反射；（2）改变光在电池体内的路径；（3）采用背面反射。对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法作出均匀的绒面，目前采用下列方法:1激光刻槽用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔结构，在500900nm光谱范围内，反射率为4 6，与表面制作双层减反射膜相当。而在（100）面单晶硅化学制作绒面的反射率为11。用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层（zns/mgf2）电池的短路电流要提高4左右，这主要是长波光（波长大于800nm）斜射进入电池的原因。激光制作绒面存在的问题是在刻蚀中，表面造成损伤同时引入一些杂质，要通过化学处理去除表面损伤层。该方法所作的太阳电池通常短路电流较高，但开路电压不太高，主要原因是电池表面积增加，引起复合电流提高。2化学刻槽应用掩膜（si3n4或sio2）各向同性腐蚀，腐蚀液可为酸性腐蚀液，也可为浓度较高的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，该方法无法形成各向异性腐蚀所形成的那种尖锥状结构。据报道，该方法所形成的绒面对7001030微米光谱范围有明显的减反射作用。但掩膜层一般要在较高的温度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特别对质量较低的多晶材料，少子寿命缩短。应用该工艺在225cm2的多晶硅上所作电池的转换效率达到16.4%。掩膜层也可用丝网印刷的方法形成。3反应离子腐蚀（rie）该方法为一种无掩膜腐蚀工艺，所形成的绒面反射率特别低，在4501000微米光谱范围的反射率可小于2。仅从光学的角度来看，是一种理想的方法，但存在的问题是硅表面损伤严重，电池的开路电压和填充因子出现下降。4制作减反射膜层对于高效太阳电池，最常用和最有效的方法是蒸镀zns/mgf2双层减反射膜，其最佳厚度取决于下面氧化层的厚度和电池表面的特征，例如，表面是光滑面还是绒面，减反射工艺也有蒸镀 ta2o5, pecvd沉积 si3n3等。zno导电膜也可作为减反材料。2.2金属化技术在高效电池的制作中，金属化电极必须与电池的设计参数，如表面掺杂浓度、pn结深，金属材料相匹配。实验室电池一般面积比较小（面积小于4cm2），所以需要细金属栅线（小于10微米），一般采用的方法为光刻、电子束蒸发、电子镀。工业化大生产中也使用电镀工艺，但蒸发和光刻结合使用时，不属于低成本工艺技术。电子束蒸发和电镀通常，应用正胶剥离工艺，蒸镀ti/pa/ag多层金属电极，要减小金属电极所引起的串联电阻，往往需要金属层比较厚（810微米）。缺点是电子束蒸发造成硅表面/钝化层介面损伤，使表面复合提高，因此，工艺中，采用短时蒸发ti/pa层，在蒸发银层的工艺。另一个问题是金属与硅接触面较大时，必将导致少子复合速度提高。工艺中，采用了隧道结接触的方法，在硅和金属成间形成一个较薄的氧化层（一般厚度为20微米左右）应用功函数较低的金属(如钛等)可在硅表面感应一个稳定的电子积累层(也可引入固定正电荷加深反型)。另外一种方法是在钝化层上开出小窗口（小于2微米），再淀积较宽的金属栅线（通常为10微米），形成mushroomlike状电极，用该方法在4cm2 mc-si上电池的转换效率达到17.3。目前，在机械刻槽表面也运用了shallow angle (oblique)技术。2.3 pn结的形成技术1发射区形成和磷吸杂对于高效太阳能电池，发射区的形成一般采用选择扩散，在金属电极下方形成重杂质区域而在电极间实现浅浓度扩散，发射区的浅浓度扩散即增强了电池对蓝光的响应，又使硅表面易于钝化。扩散的方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺。目前采用选择扩散，15 15cm2电池转换效率达到16.4%，n+、n+区域的表面方块电阻分别为20和80.对于mcsi材料，扩磷吸杂对电池的影响得到广泛的研究，较长时间的磷吸杂过程（一般34小时），可使一些mcsi的少子扩散长度提高两个数量级。在对衬底浓度对吸杂效应的研究中发现，即便对高浓度的衬第材料，经吸杂也能够获得较大的少子扩散长度（大于200微米），电池的开路电压大于638mv, 转换效率超过17。2背表面场的形成及铝吸杂技术在mcsi电池中，背p+p结由均匀扩散铝或硼形成，硼源一般为bn、bbr、apcvd sio2： b2o8等，铝扩散为蒸发或丝网印刷铝，800度下烧结所完成，对铝吸杂的作用也开展了大量的研究，与磷扩散吸杂不同，铝吸杂在相对较低的温度下进行。其中体缺陷也参与了杂质的溶解和沉积，而在较高温度下，沉积的杂质易于溶解进入硅中，对mcsi产生不利的影响。到目前为至，区域背场已应用于单晶硅电池工艺中，但在多晶硅中，还是应用全铝背表面场结构。3双面mcsi电池mcsi双面电池其正面为常规结构，背面为n和p相互交叉的结构，这样，正面光照产生的但位于背面附近的光生少子可由背电极有效吸收。背电极作为对正面电极的有效补充，也作为一个独立的栽流子收集器对背面光照和散射光产生作用，据报道，在am1.5条件下，转换效率超过 19。2.4 表面和体钝化技术对于mcsi，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺有多种方法，通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法，可使si-sio2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的浮获截面。在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。采用pecvd淀积氮化硅近期正面十分有效，因为在成膜的过程中具有加氢的效果。该工艺也可应用于规模化生产中。应用remote pecvd si3n4可使表面复合速度小于20cm/s。 第三章 太阳能电池板3.1太阳能电池板的组成 太阳能电池板是天柱阳光太阳能发电系统中的核心部分，天柱阳光太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。 组件设计：按国际电工委员会iec：1215：1993标准要求进行设计，采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12v和24v各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。 原材料特点：电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。 玻璃： 采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。eva：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质eva膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、tpt之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。tpt：太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。3.2太阳能控制器太阳能控制器样品太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速cpu微处理器和高精度a/d模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得pv站的工作信息，又可详细积累pv站的历史数据，为评估pv系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。 太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12v、24v、48v、110v、220v、600v . 太阳能控制器三大功能功率调节功能 2. 通信功能 （1） 简单指示功能 （2） 协议通讯功能 如rs485 以太网,无线等形式的后台管理. 3. 完善的保护功能：电气保护 反接,短路,过流等 太阳能控制器的主要特点： 1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制； 2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压。 3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险； 4、采用了串联式pwm充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非pwm高3%-6%，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿； 5、直观的led发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况； 6、所有控制全部采用工业级芯片（仅对带i工业级控制器），能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。 7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了e方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素； 8、使用了数字led显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项 太阳能控制器的选择 一：退出保护电压 一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。 这个问题曾经让很多工程商疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造成了很多天都无法亮灯。 二：led灯恒电流输出 led由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常见的led灯都是通过另加一个驱动电源来实现对led灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10-20左右，比如一个理论值42w的led灯，加上驱动后实际功率可能在46-50w左右。在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加1020来满足驱动所造成的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。 三：输出时段 普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。比如有些厂区或者风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成本。 四：led灯输出功率调节 在太阳能应用的灯具当中，led灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对led灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗1w的led 7串5并合计35w的led灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15w、凌晨调节成25w，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。经长期试验证明，脉宽调节方式的led灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长led的使用寿命。有些灯厂在为了达到夜间省电的目的，把led灯的内部做成2路电源，夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早损坏。 五：线损补偿 线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。 六：散热 很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。 七：mct充电模式 常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。mct充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充.经过多年的不断升级，我们把这款工业极的控制器做了多处优化，目前该款已被众多客户使用，口口相传，很多客户都是通过其他客户的义务宣传而认识了我们，在此表示感谢，我们会继续努力，不断推出更好的产品，满足更多客户的需求。3.3 太阳能蓄电池太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大,所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅适用于较为特殊的场合。随着太阳能光伏发电系统的广泛使用,作为与其配套的蓄电池也越来越受到人们的关注。 太阳能蓄电池应该具备以下特性1 比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力。 2 长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。 3 适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池。 太阳能蓄电池的工作原理 白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。 构成铅蓄电池之主要成份如下： 阳极板 ( 过氧化铅 . pbo2 )- 活性物质 阴极板 ( 海绵状铅 .pb) - 活性物质 电解液 ( 稀硫酸 ) - 硫酸 ( h2so4) + 水 ( h2o) 电池外壳 隔离板 其它 ( 液口栓 . 盖子等 )3.4太阳能逆变器太阳能交流发电系统是由阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能 太阳能逆变器直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用spwm处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。3.4.1多样性 由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变，现将几种逆变器运用的场合加以分析。3.4.2集中逆变集中逆变一般用与大型光伏发电站（10kw）的系统中，很多并行的光伏组串被连 太阳能逆变器示意图到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的igbt功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用dsp转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。在solarmax(索瑞麦克）集中逆变器上，可以附加一个光伏阵列的接口箱，对每一串的光伏帆板串进行监控，如其中有一组串工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一串停止工作，从而不会因为一串光伏串的故障而降低和影响整个光伏系统的工作和能量产出。 3.4.3组串逆变组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器。组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1kw-5kw）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网 。许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点 与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主-从”的概念，使得在系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主-从”的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。3.4.4逆变器的效率太阳能逆变器的效率指由于对可再生能源的需求，太阳能逆变器 (光电逆变器) 的市场正在不断增长。而这些逆变器需要极高的效率和可靠性。对这些逆变器中采用的功率电路进行了考察，并推荐了针对开关和整流器件的最佳选择。光电逆变器的一般结构如图1所示，有三种不同的逆变器可供选择。太阳光照射在通过串联方式连接的太阳能模块上，每一个模块都包含了一组串联的太阳能电池 (solar cell)单元。太阳能模块产生的直流 (dc) 电压在几百伏的数量级，具体数值根据模块阵列的光照条件、电池的温度及串联模块的数量而定。 这类逆变器的首要功能是把输入的 dc电压转换为一稳定的值。该功能通过升压转换器来实现，并需要升压开关和升压二极管。在第一种结构中，升压级之后是一个隔离的全桥变换器。全桥变压器的作用是提供隔离。输出上的第二个全桥变换器是用来从第一级的全桥变换器的直流dc变换成交流 (ac) 电压。其输出再经由额外的双触点继电器开关连接到ac电网网络之前被滤波，目的是在故障事件中提供安全隔离及在夜间与供电电网隔离。第二种结构是非隔离方案。其中，ac交流电压由升压级输出的dc电压直接产生。第三种结构利用功率开关和功率二极管的创新型拓扑结构，把升压和ac交流产生部分的功能整合在一个专用拓扑中尽管太阳能电池板的转换效率非常低，让逆变器的效率尽可能接近100% 却非常重要。在德国，安装在朝南屋顶上的3kw串联模块预计每年可发电2550 kwh。若逆变器效率从95% 增加到 96%，每年便可以多发电25kwh。而利用额外的太阳能模块产生这25kwh的费用与增加一个逆变器相当。由于效率从95% 提高到 96% 不会使到逆变器的成本加倍，故对更高效的逆变器进行投资是必然的选择。对新兴设计而言，以最具成本效益地提高逆变器效率是关键的设计准则。至于逆变器的可靠性和成本则是另外两个设计准则。更高的效率可以降低负载周期上的温度波动，从而提高可靠性，因此，这些准则实际上是相关联的。模块的使用也会提高可靠性。第四章 多晶硅薄膜制作技术4.1低压化学气相沉积（lpcvd）这是一种直接生成多晶硅的方法。lpcvd是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍采用的标准方法，具有生长速度快，成膜致密、均匀，装片容量大等特点。多晶硅薄膜可采用硅烷气体通过lpcvd法直接沉积在衬底上，典型的沉积参数是：硅烷压力为13.326.6pa，沉积温度td=580630，生长速率510nm/min。由于沉积温度较高，如普通玻璃的软化温度处于500600，则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英作衬底。 lpcvd法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有择优取向，形貌呈“v”字形，内含高密度的微挛晶缺陷，且晶粒尺寸小，载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到一定限制。虽然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移率与器件的电学稳定性产生不利影响。4.2固相晶化(spc)所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。这是一种间接生成多晶硅的方法，先以硅烷气体作为原材料，用lpcvd方法在550左右沉积a-si:h薄膜，然后将薄膜在600以上的高温下使其熔化，再在温度稍低的时候出现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。使用这种方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。退火温度是影响晶化效果的重要因素，在700以下的退火温度范围内，温度越低，成核速率越低，退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大；而在700以上，由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。经大量研究表明，利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关，t.aoyama等人对初始材料的沉积条件对固相晶化的影响进行了研究，发现初始材料越无序，固相晶化过程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。由于在结晶过程中晶核的形成是自发的，因此，spc多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进行氢化处理来提高spc多晶硅的性能。这种技术的优点是能制备大面积的薄膜, 晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进行原位掺杂，成本低，工艺简单，易于形成生产线。由于spc是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高温晶化过程，温度高于600，通常需要1100 左右，退火时间长达10个小时以上，不适用于玻璃基底，基底材料采用石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机取景器等。4.3准分子激光晶化(ela)激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-si薄膜在瞬间达到1000左右，从而实现a-si向p-si的转变。在此过程中，激光脉冲的瞬间(1550ns )能量被a-si薄膜吸收并转化为相变能，因此，不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使a-si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450，可以采用玻璃基板作为衬底，既实现了p-si薄膜的制备，又能满足lcd及oel对透明衬底的要求。其主要优点为脉冲宽度短(1550ns )，衬底发热小。通过选择还可获得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。准分子激光退火晶化的机理：激光辐射到a-si的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度ec。a-si在激光辐射下吸收能量，激发了不平衡的电子空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因而具有较高的光热转换效率增大，晶粒增大，薄膜，若激光的能量密度达到域值能量密度ec时，即半导体加热至熔点温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以约10m/s的速度深入材料内部，经过激光照射，薄膜形成一定深度的融层，停止照射后，融层开始以108-1010k/s的速度冷却，而固相和液相之间的界面将以1-2m/s的速度回到表面，冷却之后薄膜晶化为多晶，随着激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，当非晶薄膜完全熔化时，薄膜晶化为微晶或多晶，若激光能量密度小于域值能量密度ec，即所吸收的能量不足以使表面温度升至熔点,则薄膜不发生晶化。一般情况下,能量密度的迁移率相应增大，当si膜接近全部熔化时，晶粒最大。但能量受激光器的限制，不能无限增大，太大的能量密度反而令迁移率下降。激光波长对晶化效果影响也很大，波长越长，激光能量注入si膜越深，晶化效果越好。 ela法制备的多晶硅薄膜晶粒大、空间选择性好，掺杂效率高、晶内缺陷少、电学特性好、迁移率高达到400cm2/v.s，是目前综合性能最好的低温多晶硅薄膜。工艺成熟度高，已有大型的生产线设备，但它也有自身的缺点，晶粒尺寸对激光功率敏感，大面积均匀性较差。重复性差、设备成本高，维护复杂。 4.4 快速热退火（rta）一般而言，快速退火处理过程包含三个阶段：升温阶段、稳定阶段和冷却阶段。当退火炉的电源一打开，温度就随着时间而上升，这一阶段称为升温阶段。单位时间内温度的变化量是很容易控制的。在升温过程结束后，温度就处于一个稳定阶段。最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着时间而降低，这一阶段称为冷却阶段。用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火处理。平衡温度控制在600以上，纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化。在升温过程中，若单位时间内温度变化量较大时(如100/s)，则所形成纳米硅晶粒较小(1.615nm)；若单位时间内温度变化量较小(如1/s)，则纳米硅粒较大(2346nm)。进一步的实验表明：延长退火时间和提高退火温度并不能改变所形成的纳米硅晶粒的大小；而在退火时，温度上升快慢直接影响着所形成的纳米硅晶粒大小。为了弄清楚升温量变化快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的影响，采用晶体生长中成核理论。在晶体生长中需要两步：第一步是成核，第二步是生长。也就是说。在第一步中需要足够量的生长仔晶。结果显示：升温快慢影响所形成的仔晶密度.若单位时间内温度变化量大,则产生的仔晶密度大；反之,若单位时间内温度变化量小，则产生的仔晶密度小。rta退火时升高退火温度或延长退火时间并不能消除薄膜中的非晶部分，薛清等人提出一种从非晶硅中分形生长出纳米硅的生长机理：分形生长。从下到上，只要温度不太高以致相邻的纳米硅岛不熔化，那么即使提高退火温度或延长退火时间都不能完全消除其中的非晶部分。 rta退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且属于高温退火方法，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。 4.5 等离子体增强化学反应气相沉积（pecvd） 等离子体增强化学反应气相沉积（pecvd）法是利用辉光放电的电子来激活化学气相沉积反应的。起初，气体由于受到紫外线等高能宇宙射线的辐射，总不可避免的有轻微的电离，存在着少量的电子。在充有稀薄气体的反应容器中引进激发源（例如，直流高压、射频、脉冲电源等），电子在电场的加速作用下获得能量，当它和气体中的中性粒子发生非弹性碰撞时，就有可能使之产生二次电子，如此反复的进行碰撞及电离，结果将产生大量的离子和电子。由于其中正负粒子数目相等。故称为等离子体，并以发光的形式释放出多余的能量，即形成“辉光”。在等离子体中，由于电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢，所以在等离子体内部各种带电粒子各自达到其热力学平衡状态，于是在这样的等离子体中将没有统一的温度，就只有所谓的电子温度和离子温度。此时电子的温度可达104，而分子、原子、离子的温度却只有25300。所以，从宏观上来看，这种等离子的温度不高，但其内部电子却处于高能状态，具有较高的化学活性。若受激发的能量超过化学反应所需要的热能激活，这时受激发的电子能量（110ev）足以打开分子键，导致具有化学活性的物质产生。因此，原来需要高温下才能进行的化学反应，通过放电等离子体的作用，在较低温度下甚至在常温下也能够发生。 pecvd法沉积薄膜的过程可以概括为三个阶段： 1.sih4分解产生活性粒子si、h、sih2 和sih3等；2.活性粒子在衬底表面的吸附和扩散；3.在衬底上被吸附的活性分子在表面上发生反应生成poly-si层，并放出h2。研究表面，在等离子体辅助沉积过程中，离子、荷电集团对沉积表面的轰击作用是影响结晶质量的重要因素之一。克服这种影响是通过外加偏压抑制或增强。对于采用pecvd技术制备多晶体硅薄膜的晶化过程,目前有两种主要的观点.一种认为是活性粒子先吸附到衬底表面,再发生各种迁移、反应、解离等表面过程,从而形成晶相结构,因此,衬底的表面状态对薄膜的晶化起到非常重要的作用.另一种认为是空间气相反应对薄膜的低温晶化起到更为重要的作用,即具有晶相结构的颗粒首先在空间等离子体区形成,而后再扩散到衬底表面长大成多晶膜。对于si4:2气体系统,有研究表明,在高氢掺杂的条件下,当用rf pecvd的方法沉积多晶硅薄膜时,必须采用衬底加热到600以上的办法,才能促进最初成长阶段晶核的形成。而当衬底温度小于300时,只能形成氢化非晶硅(a-si:)薄膜。以si4:2为气源沉积多晶硅温度较高，一般高于600，属于高温工艺，不适用于玻璃基底。目前有报道用sic14:h2或者sif4:h2为气源沉积多晶硅，温度较低，在300左右即可获得多晶硅，但用cvd法制备得多晶硅晶粒尺寸小，一般不超过50nm，晶内缺陷多，晶界多。 4.6金属横向诱导法(milc)20世纪90年代初发现a-si中加入一些金属如al，cu，au，ag，ni等沉