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ch4太阳能电池的材料和工艺 太阳能电池对材料的要求 半导体材料的禁带不能太宽 要有较高的光电转换效率 材料本身对环境不造成污染 材料便于工业化生产且材料性能稳定 按照材料分 一 太阳电池的分类 按照发展状况分 硅太阳能电池可分为 单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池1 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池 其转换效率最高 技术也最为成熟 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的热加工处理工艺基础上 二 各类太阳能电池的制造方法及研究状况 生产工艺 导电玻璃膜切割清洗检测镀铝电极沉积PN结老化检测封装成品检测 德国费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平电池转化效率超过23 最大值可达23 3 Kyocera公司 日本京瓷公司 制备的大面积单电晶太阳能电池转换效率19 44 北京太阳能研究所研制的平面高效单晶硅电池 2cm 2cm 转换效率达19 79 刻槽埋栅电极晶体硅电池 5cm 5cm 转换效率达8 6 单晶硅太阳能电池转换效率最高 由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响 致使单晶硅电池成本价格较高 要想大幅度降低其成本是非常困难的 为了节省高质量材料 寻找单晶硅电池的替代产品 现在发展了薄膜太阳能电池 其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表 2 多晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上 用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层 不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性 而且材料的用量大幅度下降 明显地降低了电池成本 多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样 是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应 常用制备方法 低压化学气相沉积法 LPCVD 等离子增强化学气相沉积 PECVD 液相外延法 LPPE 溅射沉积法 化学气相沉积法 反应气体SiH2Cl2 SiHCl3 SiCl4或SiH4 一定保护气氛下 硅原子沉积在加热的衬底上 衬底材料为Si SiO2 Si3N4等 存在问题 非硅衬底上很难形成较大的晶粒 容易在晶粒间形成空隙解决方法 先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层 再将这层非晶硅层退火 得到较大的晶粒 然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜 德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19 日本三菱公司用上述方法制备的电池 效率达16 42 美国Astropower公司采用LPPE制备的电池效率达12 2 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅较单晶硅少 又无效率衰退问题 并且有可能在廉价衬底材料上制备 其成本远低于单晶硅电池 而效率高于非晶硅薄膜电池 因此 多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位 3 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池所采用的硅为a Si 其基本结构不是pn结而是pin结 掺硼形成p区 掺磷形成n区 i为非杂质或轻掺杂的本征层 突出特点 材料和制造工艺成本低 制作工艺为低温工艺 100 300 耗能较低 易于形成大规模生产能力 生产可全流程自动化 品种多 用途广 存在问题 光学带隙为1 7eV 对长波区域不敏感 转换效率低光致衰退效应 光电效率随着光照时间的延续而衰减解决途径 制备叠层太阳能电池 即在制备的p i n单结太阳能 电池上再沉一个或多个p i n子电池制得 生产方法 反应溅射法 PECVD法 LPCVD法 反应气体 H2稀释的SiH4衬底材料 玻璃 不锈钢等 美国联合太阳能公司 VSSC 制得的单结太阳能电池最高转换效率为9 3 三带隙三叠层电池最高转换效率为13 在小面积上0 5cm 0 5cm 日本中央研究院采用一系列新措施 制得的非晶硅电池的转换效率为13 2 国内关于非晶硅薄膜电池 尤其叠层太阳能电池的研究并不多 南开大学耿新华等用工业用材料 以铝电极制备出面积为20cm 20cm 转换效率为8 28 的叠层太阳能电池 由于具有相对较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点 有着极大的潜力 但其稳定性不高 直接影响实际应用 若进一步解决稳定性问题及提高转换率问题 非晶硅大阳能电池将是太阳能电池的主要发展产品之一 三种硅基太阳能电池性能分析 非晶硅太阳能电池最终将取代单晶硅太阳能电池 太阳能发电宗旨 降低成本和提高效率 多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐 其主要包括砷化镓III V族化合物 硫化镉 碲化镉及铜铟硒薄膜电池等 硫化镉 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高 成本较单晶硅电池低 并且也易于大规模生产 但由于镉有剧毒 会对环境造成严重的污染 因此 并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品 砷化镓III V化合物电池的转换效率可达28 砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 抗辐照能力强 对热不敏感 适合于制造高效单结电池 但是砷化镓材料的价格不菲 因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及 多元化合物薄膜太阳能电池 铜铟硒薄膜电池 简称CIS 适合光电转换 不存在光致衰退效应的问题 转换效率和多晶硅一样 具有价格低廉 性能良好和工艺简单等优点 将成为今后发展太能电池的一个重要方向 唯一的问题是材料的来源 由于铟和硒都是比较稀有的元素 因此 这类电池的发展又必然受到限制 金属栅状电极减反射膜窗口层 ZnO 过渡层 CdS 光吸收层 CIS 金属背电极 MO 玻璃衬底 有机化合物太阳能电池 有机太阳能电池以有光敏性质的有机物作为半导体材料 以光伏效应而产生电压形成电流 有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构 pn异质结结构和染料敏化纳米晶结构 根据有关调查数据 有机太阳能电池的成本平均只有硅太阳能电池的10 20 然而 目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10 这是制约其全面推广的主要问题 因此 如何提高光电转换率是今后应该解决的重点问题 有机化合物太阳能电池 2009年4月26日 naturephotonics 上的高效单结电池 敏化纳米晶太阳能电池 染料敏化TiO2太阳电池实际上是一种光电化学电池 1991年 瑞士洛桑高等工业学院 EPFL 的MichaelGr tzel教授领导的研究小组用廉价的宽带隙氧化物半导体TiO2制备成纳米晶薄膜 薄膜上吸附大量羧酸 联吡啶Ru II 的配合物的敏化染料 并选用含氧化还原电对的低挥发性盐作为电解质 研制成一种称为染料敏化纳米晶太阳能电池 纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能 其光电效率稳定在10 以上 制作成本仅为硅太阳电池的1 5 1 10 寿命能达到20年以上 但此类电池的研究和开发刚刚起步 估计不久的将来会逐步走上市场 基本原理 染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态 激发态不稳定 电子快速注入到紧邻的TiO2导带 染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿 进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜 然后通过外回路产生光电流 敏化纳米晶太阳能电池 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向 由于有机材料柔性好 制作容易 材料来源广泛 成本低等优势 从而对大规模利用太阳能 提供廉价电能具有重要意义 以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始 不论是使用寿命 还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比 能否发展为具有实用意义的产品 还有待于进一步研究探索 各类太能能性能比较 各类太阳能性能比较 各类太阳能性能比较 各类太阳能市场份额 Ch5单晶硅太阳电池 单晶硅太阳能电池是最早发展起来的 1954年 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室 首次制成了实用的单晶太阳电池 效率为6 这也是世界上第一个实用的太阳能电池 目前 单晶硅电池是除了GaAs以外效率最高的太阳能电池 稳定性好 并且实现了规模化生产 单结晶硅太阳电池SINGLECRYSTAL 最新动态是单晶硅向超薄 高效发展 不久将来 可有100um左右甚至更薄的单晶硅电池问世 德国的研究已经证40um的单晶硅电池的效率可达20 有可能借助改进的生产工艺实现超薄单晶硅电池的工业化生产 并可能达到已在实验室获得的效率值 单晶硅电池在实验室实现的转换效率可达24 7 为澳大利亚南威尔士大学创造并保持 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成三维空间长程有序的形式成为单晶硅 单晶硅具有准金属的物理性质 有较弱的导电性 其电导率随温度的升高而增加 有显著的半导电性 超纯的单晶硅是本征半导体 在超纯单晶硅中掺入微量的 A族元素 如硼可提高其导电的程度 而形成p型硅半导体 如掺入微量的 A族元素 如磷或砷也可提高导电程度 形成n型硅半导体 单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅 然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅 单晶硅电池的基本结构多为n p型 多以p型单晶硅片为基片 其电阻率范围为1 3 cm 厚度一般为200 300um 由于单晶硅材料大都来自半导体工业退下的废次品 因而一些厂家利用的硅片厚度达到0 5 0 7mm 由于这些硅片的质量完全满足太阳电池的要求 用来做太阳能电池可得到很好的效果 一般很容易达到15 以上 一 单晶硅太阳电池的基本结构 硅原子的外层电子壳层中有4个电子 受到原子核的束缚比较小 如果得到足够的能量 会摆脱原子核的束缚而成为自由电子 并同时在原来位置留出一个空穴 电子带负电 空穴带正电 在纯净的硅晶体中 自由电子和空穴的数目是相等的 硅原子示意图 二 硅太阳电池的工作原理 硅原子的共价键结构 掺入5价杂质的4价半导体 就成了电子导电类型的半导体 也称为n型半导体 因此掺入3价杂质的4价半导体 也称为p型半导体 单晶硅太阳电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程 1 必须有光的照射 可以是单色光 太阳光或模拟太阳光源等 2 光子注入到单晶硅半导体后 激发出电子 空穴对 这些电子 空穴应有足够的寿命 在它们被分离之前不会复合消失 3 必须有一个静电场 在静电场的作用下 电子 空穴对被分离 电子集中在一边 空穴集中在另一边 绝大部分单晶硅太阳电池利用PN结势垒区的静电场实现分离电子一空穴对的目的 PN结是单晶硅太阳电池的 心脏 部分 4 被分离的电子和空穴 经由电极收集输出到电池体外 形成电流 当晶片受光后 PN结中 N型半导体的空穴往P型区移动 而P型区中的电子往N型区移动 从而形成从N型区到P型区的电流 然后在PN结中形成电势差 这就形成了电源 单晶硅太阳电池其特征如下 1 原料硅的藏量丰富 由于太阳光的密度极低 故实用上需要大面积的太阳电池 因此在原材料的供给上相当重要 且Si材料本身对环境影响极低 2 单晶硅制造技术或p n接合制作技术 为电子学上Si集成电路的基础技术 随着技术成熟度增加而进步神速 3 Si的密度低 材料轻 特别是应力相当强 即使厚度在50 m以下的薄板 强度也够 4 与多晶硅及非晶硅太阳电池比较 其转换效率较高 5 发电特性极稳定 在灯塔与人造卫星实用上 约有20年耐久性 6 由于能阶构造属于间接迁移型 在太阳光谱的主区域上 光吸收系数只有103cm 1程度 相当小 故为吸收太阳光谱 需要100 m厚的硅 三 单晶硅太阳电池的特点 四 单晶硅光电池制备工艺流程 1 由砂还原为冶金级硅 硅是地壳中蕴藏量第二丰富的元素 提炼硅的原始材料是SiO2 它是砂的主要成分 然而 在目前工业提炼工艺中 采用的是SiO2的结晶态 即石英岩 石英岩在大型电弧炉中用碳 木屑 焦炭和煤的混合物 按照下列反应方程式还原 详细的工艺程序是 用HCl把细碎的冶金级砖颗粒变成流体 用铜催化剂加速反应进行 2 半导体级多晶硅转变为单晶硅片 五 制作电池 工序一 硅片清洗制绒 机械切片以后会在硅片表面形成10 40微米的损伤层 且表面有油脂 松香 石蜡 金属离子等杂质 工艺目的 主要是去除油脂 松香 石蜡等杂质 工艺原理 超声振动使油珠滚落 物理去油 制作绒面 减少反射 提升硅片对光吸收效率 在硅片表面制作绒面 形成减反射织构 降低表面反射率 利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀 在硅片表面形成3 6微米的金字塔结构 这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射 增加了对光的吸收 条件 一定量的去离子水 温度60 90 时间10 40min 生产常用NaOH质量分数1 左右 Na2SiO31 5 2 乙醇或异丙醇每次约加200 400ml 50L混合液 温度85 5 时间15 45min 具体工艺据硅片种类 减薄后厚度和上次生产情况而定 质量目标 绒面后硅片表面颜色深灰无亮点 均匀 气泡印小 无篮脚印 白花等现象 400倍显微镜下大小符合标准 倒金字塔结构均匀 表面绒面化 由于硅片用P型 100 硅片 可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面 当各向异性因子 10时 所谓各向异性因子就是 100 面与 111 面单晶硅腐蚀速率之比 可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面 绒面具有受光面积大 反射率低的特点 可提高单晶硅太阳电池的短路电流 从而提高太阳电池的光电转换效率 金字塔形角锥体的表面积S0等于四个边长为a正三角形S之和由此可见有绒面的受光面积比光面提高了1 732倍 绒面受光面积 当一束强度为E0的光投射到图中的A点 产生反射光 1和进入硅中的折射光 2 反射光 1可以继续投射到另一方锥的B点 产生二次反射光 3和进入半导体的折射光 4 而对光面电池就不产生这第二次的入射 经计算可知还有11 的二次反射光可能进行第三次反射和折射 由此可算得绒面的反射率为9 04 绒面反射率 漂洗 目的 去除氧化层 SiO2 原理 SiO2 6HF H2SiF6 2H2O条件 HF溶液8 10 时间10min 注 清洗工艺每个环节完成之后 均需用去离子水将硅片冲洗干净 以免残留药液影响下个环节的正常进行 去离子水是指纯水 指的是将水中的强电解质去除并且将弱电解质去除到一定程度的水 其电阻率越大 电导率约小则级别越高 工序二 扩散 制结 硅片的单 双面液态源磷扩散 制作N型发射极区 以形成光电转换的基本结构 PN结 POCl3液态分子在N2载气的携带下进入炉管 在高温下经过一系列化学反应磷原子被置换 并扩散进入硅片表面 激活形成N型掺杂 与P型衬底形成PN结 主要的化学反应式如下 4POCl3 3O2 2P2O5 6Cl22P2O5 5Si 5SiO2 4P 载气通过液态三氯氧磷 混入少量氧后排放到有硅片的加热炉管 如此 来 硅片表面就生成含磷的氧化层 在炉温下 800一900 磷从氧化层扩散到硅中 约20min之后 靠近硅片表面的区域 磷杂质的浓度超过硼杂质 从而制得一层薄的 重掺杂的n型区 在往后的工序中 再除去氧化层和电池侧面及背面的结 得到图中所示的结构 扩散炉 工序三 等离子刻边 去除扩散后硅片周边形成的短路环 刻蚀 目的 去除周边短路环 原理 在辉光放电条件下 CF4和O2生成等离子体 交替对周边作用 使周边电阻增大 CF4 C4 4F O2 2O2 F Si SiF4SiF4挥发性高 随即被抽走 工艺条件 CF4 O2 10 1板流 0 35 0 4A板压 1 5 2KV压强 80 120Pa刻蚀时间 10 16min质量目标 刻边电阻大于5K 刻边宽度1 2mm间 刻蚀过程的主要反应 放电过程e CF4 CF3 F 2ee CF4 CF3 F e e CF3 CF2 F e O2 e 2O e 腐蚀过程Si 4F SiF4 3Si 4CF3 4C 3SiF4 2C 3O CO CO2 工序四 去除磷硅玻璃 去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃 磷硅玻璃是指掺有P2O5的SiO2层 洗磷 目的 去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃 磷硅玻璃是指P2O5与SiO2的混合物 原理 P2O5溶于HF酸SiO2 6HF H2SiF6 2H2OH2SiF6可溶于水条件 HF浓度8 10 洗磷后需用去离子水将硅片冲洗干净并甩干 目的 表面钝化和减少光的反射 降低载流子复合速度和增加光的吸收 PECVD即等离子体增强化学气相淀积设备 PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition 制作减少硅片表面反射的SiN薄膜 80nm 反应气体为SIH4和NH3 原理 硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在硅片表面形成减反射膜 反应过程中有大量的氢离子注入 使硅片中悬挂键饱和 达到表面钝化和体钝化的目的 有效降低了载流子的复合 提高了电池的短路电流和开路电压 SiH4 NH3 Si3N4 10H2 工序五 PECVD PECVD镀SiNx H薄膜 平板式PECVD PECVD 德 工艺步骤及条件 工艺步骤 分17步 进舟 慢抽真空 快抽真空 调压 恒温 恒压 检漏 调压 淀积 淀积 淀积 抽真空稀释尾气 清洗 抽真空 抽真空 充氮 退舟 条件 温度480 淀积压强200Pa 射频功率1800W 抽空设定压强0 5pa 进出舟设定15 质量目标 淀积后表面颜色深蓝且均匀 管式PECVD 工序六 丝网印刷 用丝网印刷的方法 完成背场 背电极 正栅线电极的制作 以便引出产生的光生电流 工艺原理 给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆 通过烧结后形成欧姆接触 使电流有效输出 正面电极用Ag金属浆料 通常印成栅线状 在实现良好接触的同时使光线有较高的透过率 背面通常用Al金属浆料印满整个背面 一是为了克服由于电池串联而引起的电阻 二是减少背面的复合 背电极印刷及烘干 银浆或铝浆 背电场印刷及烘干 铝浆 正面电极印刷 银浆 丝网印刷工艺步骤及要求 工艺步骤 背极 银浆 烘干 背场 铝浆 烘干 栅极 银浆 烘干 要求 背极厚度小于20微米 烘干温度设定160 200 背场厚度20 35微米 具体根据片源而定 烘干温度160 240 具体根据浆料确定 栅极要求印刷图案完整 清晰 均匀 对称 无漏浆及较大断线 烘干温度160 240 具体据浆料确定 印刷达标的电池片 工序七 烘干和烧结 目的及工作原理 烘干金属浆料 并将其中的添加料挥发 前3个区 在背面形成铝硅合金和银铝合金 以制作良好的背接触 中间3个区 铝硅合金过程实际上是一个对硅进行P掺杂的过程 需加热到铝硅共熔点 577 以上 经过合金化后 随着温度的下降 液相中的硅将重新凝固出来 形成含有少量铝的结晶层 它补偿了N层中的施主杂质 从而得到以铝为受主杂质的P层 达到了消除背结的目的 在正面形成银硅合金 形成良好的接触和遮光率 Ag浆料中的玻璃添加料在高温 700度 下烧穿SiN膜 使得Ag金属接触硅片表面 在银硅共熔点 760度 以上进行合金化 烧结工艺条件 烧结工艺较为灵活 设定时应考虑以下因素 烧结炉的特点 如烧结温区数目 高温区长度 带速设定等等 原始硅片的电阻率 绒面后硅片厚度 扩散后方块电阻印刷背场厚度 网带式烧结炉 工序八 检验和分级 用自动分选机将电池按转化率分级检验并包装 六 太阳能电池封装成太阳能电池组件 太阳能电池之所以需要封装不仅仅是为了提供机械上的防护 而且也是为了提供电绝缘及一定程度的化学防护 这种封装为支持易碎的电池及易弯曲的互联条提供了机械刚性 同时也为冰雹 鸟类以及坠落或投掷到组件上的物体所可能引起的机械损伤提供了防护 封装还保护金属电极及互联条免受大气中腐蚀性元素的腐蚀 最后 封装也为电池组合板产生的电从提供电绝缘 封装的耐久性将决定组件的最终工作寿命 理论上 此寿命可达20年或更长 太阳能电池的品质要求 尽可能高的转换效率表面状况良好 颜色均匀 图案完整 清晰 对称 低损耗 硅片破损率低 弯曲度小 生产高效率电池片应具备的条件 工艺 有优良的工艺并且与设备匹配 设备 稳定性好 维修频率低 日损耗小精确度高 便于标准化生产 操作简单安全 配套设施齐全 环境 净化级别达标 避免产品污染 操作 按照SOP操作 避免污染 原材料及辅助用料 用料品质达标 1 硅片腐蚀以去除硅片表面机械切痕与损伤 是太阳电池制造的第一道常规工序 目前主要是通过化学腐蚀 可有效的消除由于切片造成的表面损伤 同时还可制作绒面表面构造 p型硅片每面腐蚀深度可为5 10um 扩散制结多数厂家都选用 型硅片来制作太阳电池 一般用POCl3液态源作为扩散源 磷扩散形成 型层 扩散的最高温度可达到800 900OC 这种方法制出的结均匀性好 方块电阻的不均匀性小于10 少子寿命可大于10um 减反射膜制备 单晶硅的减反射膜主要为SiOx或TiO2一般采用热氧化法或常压CVD工艺 单晶硅光电池制备关键问题 表面金属化太阳电池制造的最后一道工序是印刷电极 最早采用真空蒸镀或化学电镀技术 而现在普遍采用丝网印刷法 电池正面的电极呈梳子状形式或丝网树枝状结构 其形式和厚度是两方面因素平衡的结果 一方面要有高的透过率 另一方面要保证栅网电极有一个尽可能低的接触电阻 检测分级 电极印刷后到高温烧结结束 整个太阳电池制造过程完成 为保证产品质量的一致性 通常要对每个电池测试 并按电流和功率大小进行分类 可根据电池效率 每0 4或0 5分级包装 但要使太阳电池能很好的满足用户发电需要 还需将太阳电池封装成太阳电池组件 电池片测试 主要测试太阳电池的基本特性 开路电压VOC 短路电流ISC 填充因子FF 能量转换效率 光电池的测试电路 PN结两端的电流光电池处于零偏时 V 0 流过PN结的电流I IP 光电池处于反偏时 流过PN结的电流I IP Is 当光电池用作光电转换器时 必须处于零偏或反偏状态 光电流IP与输出光功率Pi之间的关系 R为响应率 R值随入射光波长的不同而变化 对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长 光电池的伏安特性 下图显示了光电池的典型I V曲线 Pm为最大功率点 它的确定可用从光电池I V曲线上任意点向纵 横坐标引垂线 垂线与坐标轴保卫面积最大的点即为Pm 根据该特性曲线可以确定光电池的开路电压 短路电流 太阳能电池是一种少数载流子工作器件 少数载流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率 少数载流子寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生存的时间 要提高电池的转换效率 就必须设法减少少数载流子在电池内的复合 从而增加少数载流子的寿命 82 如何提高单晶硅光电池的效率 1 体内复合 减少晶体硅体内的复合 首先要选用适当的掺杂浓度的衬底材料 提高晶体的质量 减少缺陷和杂质 是提高少数载流子寿命的重要手段 吸杂 gettering 工艺能有效的提高材料的质量 钝化 passivation 工艺能有效地减少晶体缺陷对少数载流子寿命的影响 2 表面复合 减少表面复合通常采用在硅表面生成一层介质膜如二氧化硅 SiO2 和氮化硅 SiN 这种介质膜完善了晶体表面的悬挂键 从而达到表面钝化目的 另外一种表面钝化的方法是在电池表面形成高 低结 high lowjunction 这种结在表面产生一个电场 从而排斥了少数载流子空穴向表面移动 影响少数载流子寿命的因素有 3 电极区复合减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度提高 从而降低少数载流子在电极区的浓度 减少载流子在此区域的复合 基于以上提高电池转换效率的途径 派生了多种高效晶体硅太阳能电池的设计和制造工艺 其中包括PESC电池 发射结钝化太阳电池 和表面刻槽绒面PESC电池 背面点接触电池 前后表面钝化电池 PERL电池 发射结钝化和背面点接触电池 由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均高于20 其中保持世界记录 24 7 的单晶硅和多晶硅电池 19 8 的转换效率均是由PERL电池实现的 84 4 2多晶硅太阳电池 单晶硅太阳能电池虽有其优点 但因价格昂贵 使得单晶硅太阳能电池在低价市场上的发展备受阻碍 而多晶硅太阳能电池则是以降低成本为优先考虑 其次才是效率 多晶硅太阳能电池降低成本的方式主要有三个 一是纯化的过程没有将杂质完全去除 二是使用较快速的方式让硅结晶 三是避免切片造成的浪费 因为这三个原因使得多结晶硅太阳能电池在制造成本及时间上都比单晶硅太阳能电池少 但因为这样使得多晶硅太阳能电池的结晶构造较差 从工业化发展看 重心已由单晶向多晶方向发展 主要原因为 1 可供应太阳电池的头尾料愈来愈少 2 对太阳电池来讲 方形基片更合算 通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料 3 多晶硅的生产工艺不断取得进展 全自动浇铸炉每生产周期 50小时 可生产200公斤以上的硅锭 晶粒的尺寸达到厘米级 4 由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快 其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产 多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样但发电原理一样 多晶硅太阳能电池结晶构造较差主要的原因有两个 一是本身含有杂质 二是在结晶的时候速度较快 硅原子没有足够的时间成单一晶格而形成许多结晶颗粒 结晶颗粒愈大则效率与单晶硅太阳能电池愈接近 结晶颗粒愈小则效率愈差 效率差的原因是颗粒与颗粒间存在着结晶边界 结晶边界存在许多的悬浮键 悬浮键会与自由电子复合而使电流减少 而且结晶边界的硅原子键结合情况较差 容易受紫外线破坏而产生更多的悬浮键 随着使用时间的增加 悬浮键的数目也会随着增加 光电转换效率因而逐渐衰退 此外杂质多半聚集在结晶边界 杂质的存在会使自由电子与空穴不易移动 结晶边界的存在使得多晶硅太阳能电池的效率降低 悬浮键的增加使得光电转换效率衰退 这两个是多晶硅太阳能电池的主要缺点 而成本低为其主要优点 多晶硅太阳电池的基本结构都为N P型 都用P型单晶硅片 电阻率0 5 2 cm 厚度为220 300 m 制作特点是以氮化硅为减反射膜 商业化电池的效率多为13 15 主要特点是多晶硅电池是正方形 在制作电池组件时有较高的填充率 多晶硅结构在阳光下可通过控制氮化硅减反射膜的厚度 呈现金 绿 深蓝等不同的颜色 光致衰减效应 光致衰减效应也称S W效应 a Si H薄膜经较长时间的强光照射或电流通过 在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降 称为Steabler Wronski效应 对S W效应的起因 至今仍有不少争议 造成衰退的微观机制也尚无定论 成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题 总的看法认为 S W效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态 深能级 这种缺陷态会影响a Si H薄膜材料的费米能级EF的位置 从而使电子的分布情况发生变化 进而一方面引起光学性能的变化 另一方面对电子的复合过程产生影响 这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心 使得电子的俘获截面增大 寿命下降 一 非晶硅的光照衰退 Staebler Wronski效应 光致衰退现象 非晶硅电池在强光下照射数小时 电性能下降并逐渐趋于稳定 若样品在160 下退火 电学性能可恢复原值 S W效应 非晶硅制造过程中Si Si弱键的作用 88 1975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂 1976年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2 4 1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器 1987年掺C 掺Ge 光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达12 Initial 面积从0 1M2发展到0 3M2 Module功率14W stableEff 5 1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应 二 硅基薄膜太阳电池的发展 History Today 实验室 Triple电池 15 3 产业化 非晶硅 微晶硅叠层电池G5 1 1 1 3M2 9 6 G8 5 2 2 2 6M2 8 5 89 硅基薄膜太阳电池的技术发展 EPV Oerlikon AMAT EPV EPV泉州