太阳能电池材料的制作是近些年来发展最快.doc

摘要太阳能电池材料的制作是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池材料主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓-v化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。但是。目前全世界已经大规模产业化生产的太阳能电池是硅太阳能电池。硅太阳能电池主要是由单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池构成的晶体硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长。此外还有非晶体太阳能电池。第1章 太阳电池简介1.1 晶体硅太阳电池晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率.如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的。本节主要介绍单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池。1.1.1单晶硅太阳电池单晶硅太阳电池制备和加工工艺：一般以高纯度单晶硅棒为原料，有些也用半导体碎片或半导体单晶硅的头尾料，经过复拉制成太阳电池专用单晶硅棒。在电弧中用炭还原石英砂制成纯度约为99%冶金及半导体硅，然后将它在流化床反应器中进行化学反应，达到电子及半导体硅要求。将硅棒切成厚度约 300um 硅片做为太阳电池原料片，通过在硅片上掺和扩散，硅片上形成了pn结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成删线，经过烧结，同时制成背电极，并在有删线的面上涂减反射膜，这样，单晶硅电池片就制成了。经检验后的单体片按需要规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联方法构成一定输出开路电压和短路电流1。1.1.2多晶硅太阳电池目前，太阳能电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是：选择电阻率为100300Q cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，再用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后再保温约20min，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12 左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到快速的发展。1.2 薄膜太阳电池目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。本节主要介绍了非晶硅薄膜电池与多晶硅薄膜电池。1.2.1非晶硅薄膜电池非晶硅有较高的光吸收系数。特别是在0.30.75m 的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅高出一个数量级，对太阳辐射的吸收效率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1m厚）就能吸收90%有用的太阳能。与单晶硅与多晶硅材料相比，非晶态硅的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，非晶态与晶体的硅具有非常相似的结构特征。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备中晶体与衬底间的晶格失配问题。因而非晶硅薄膜几乎可以淀积在任何衬底上，包括玻璃衬底，易于实现大面积化。1.2.2多晶硅薄膜电池多晶硅材料是许多单晶颗粒（颗粒直径为数微米至数毫米）的集合体，各单晶颗粒的大小、晶体取向彼此各不相同。尽管多晶硅存在晶粒间界，不利于太阳能电池转换效率的提高。但因制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，研究人员正致力于减少晶粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。多晶Si薄膜电池是兼具单晶Si和多晶Si电池的高转换效率和长寿命以及非晶Si薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池。在不太遥远的将来，多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本降低至1美元左右，从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争。因此，近些年来，多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。1.3 GaAs太阳电池1.3.1 GaAs 基单结太阳电池由于太阳光谱的能量分布较宽，而半导体材料的带隙Eg都是确定的，因此只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，太阳光中能量小的光子则透过电池被背面电极金属吸收转化成热能，而高能光子超出禁带宽度的多余能量，通过光生载流子的能量热释作用传递给电池材料本身使其发热。这些能量最终都没有变成有效电能，因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，理论最高转换效率也只有25左右。单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光，实验室实现的转换效率最高258，高于晶体硅的23 2。1.3.2 GaAs 基多结太阳电池采用不同禁带宽度的IIIV族材料制备的多结叠层GaAs太阳能电池，通过禁带宽度由大到小组合，使得这些IIIV族材料可以分别吸收和转换太阳光谱中不同波长的光，能大幅提高太阳能电池的转换效率，更多地将太阳能转变成电能。叠层太阳能电池可以外延生长技术制备，在具有一定结晶取向的衬底上延伸并按一定晶体学方向生长薄膜，每层薄膜都称为外延层。在衬底上逐层生长各级子电池，最终得到多结叠层结构电池。目前主要采用的有金属气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延生长技术3。1.4 染料敏化电池1991 年, 瑞士洛桑高等工业学院的Michael Gr tzel教授领导的研究小组将纳晶多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池(DSCs) 中,使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高, 逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。相比于硅基太阳电池, DSC电池以其低廉的成本、简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了全世界的广泛关注, 并迅速掀起了研究热潮。染料敏化电池主要包括三个部分：附了染料的多孔光阳极、电解质和对电极。染料吸收光子后发生电子跃迁, 光生电子快速注入到半