太阳能电池制备工艺及应用

1、摘要II1弓丨言-1-1.1课题研究背景-1-1.2太阳能的特点及优势-2-2太阳能电池原理及结构-4-2.1太阳能电池基本原理-4-2.2太阳能电池基本结构-6-2.3太阳能电池主要特性-7-2.3.1光谱响应特性-7-2.3.2温度特性-8-2.4影响太阳能电池转换效率的因素-8-2.5提高太阳能电池转换效率的各种技术-9-3太阳能电池的分类-13-3.1按材料分类-13-3.2按形态结构分类-17-4太阳能级硅材料的制备工艺-19-4.1高纯多晶硅制备的传统工艺-19-4.1.1改良西门子法-20-4.1.2 硅烷法-20-4.2单晶硅生产工艺-20-4.2.1 切客劳斯基去(Czoch

2、ralski method)- 21 -4.2.2悬浮区熔法-21-4.3太阳能级硅制备的化学法新工艺-21-5太阳能电池的生产工艺-22-6太阳能电池的应用-24-谢辞-29-参考文献-29-摘要随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找洁净的替 代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可持续利用，因此有着 广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注。为了能使光伏产品得到普及， 进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。提高太阳能电池转换效率，降低成本， 关键是提高太阳能的利用率。本文在详细介绍太阳能电池工作原理、基本结构及主要特性 的基础

3、上，研究了太阳能电池的加工工艺。具体内容如下:分析了太阳能电池的转换效率及 影响因素，并研究了提高太阳能电池转换效率的主要技术，如减少反射损失技术、减少载 流子损失技术和减少光透射损失技术等。关键词：太阳能；太阳能电池；转换效率年间，风力发电增长21倍，2003年占全国发电量的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在 其能源消费结构中高达15%以上。O先伏和太说能熱发电发气油地热3太阳能热和I用为电图1.1世界能源发展趋势联合国气候变化框架条约缔约国签订的京都议定书在2005年2月16日生效, 签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主要反映了人类应对地球变暖 这一有害现象进行有效控制

4、的迫切需要，规定主要工业国（发达国家）在2008-2012年期间将 二氧化碳等6种温室气体排放量从1990年的水平进行削减。全球削减温室气体排放的京 都议定书重新引起了世界范圉内对可再生能源的重视。我国拥有丰富的新能源与可再生 能源可供开发利用，近十年来的高速经济增长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源 的开发利用，以解决能源短缺问题，保障能源供应安全。1.2太阳能的特点及优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒 钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在U前的 儿种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未

5、来能源，有无尽的潜力。口前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能 光化学利用，太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范圉 得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨 资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用卧。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能电 池单元是光电转化的最小单位，是太阳能发电系统的核心，其开发、生产直接影响到太阳 能发电的普及和发展。将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件， 其功率一般为儿瓦到儿白瓦，这种

6、太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元， 可以将太阳能电池组件进行进一步的吊并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的 功率输出。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性：（1）取之不尽，用之不竭太阳内部山于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。 根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳像LI前这样，稳定地每秒钟向其周圉空间发射辐 射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就是说太阳能至 少还可像现在这样有60亿年可以稳定地被利用。（2）就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡 造

7、成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达LI的 地，给交通运输造成压力。（3）分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于5.04xl06kJ/m2,就有实际利用价值，若每年辐射量大于 6.3xl06kJ/m2,则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然 太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的 一种能源。（4）不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如SO2, CO2等，使人类 赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其它新能源中水电、核能、地热能等，在开发 利用的过程

8、中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来 污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。（5）周而复始，可以再生在自然界可以不断主成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可 再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过儿十亿年才形成，而且短期内无法恢复。 当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一白万倍，如果按 照这个消耗速度，在儿十亿年时间里所生成的矿物能源将在儿个世纪内就被消耗掉。2太阳能电池原理及结构2.1太阳能电池基本原理如图2所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N 区。耗尽层（宽度W）直延伸到P区，

9、并在耗尽层形成一内建电场Eo。把连接N区的电极 做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以 提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时，由于N区（宽度厶）比较狭窄，能量大于禁带宽度耳的大部分光 子在耗尽层和P区（宽度“）被吸收，产生光生电子一空穴对（EHPs）o在耗尽层的光生EHPs 立即被内建电场所分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成 正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开路电压c。如果连接了负载，那么N 区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光 生EHPs,在N区积累大量电子，在P区积累大

10、量空穴起了关键作用16川0】。因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区 域。则电子的平均扩散长度厶可由（2.1）表示，其中以为电子在P区的扩散系数。Le = j2DeTe（2.1）离耗尽层的距离在乙范围内的那些电子能扩散到内建电场，并在内建电场的作用下漂 移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在Le范圉内的的少数图2.1太阳能电池工作原理载流子（电子）才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被&扫到N区，增 加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于厶的光生 EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少

11、数载流子的扩散长度厶要尽可能的长，乂由于在 半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子 的硅PN结。同样，在N区山短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于 扩散长度厶的少数载流子（空穴）能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，对光伏效 应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域：6+W十厶。如图2.2所示，在N区大量的 电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种山光生载流子的流动产生的电流叫光电流。 要注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压V,具有 普通PN结的二极管特性，正向电流为血，因此通过电池的总电流：1 =

12、 1厂1曲2-2）由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势，他们应该满足以下三个条 件：（1）半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数即要求入射光子的能 量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度压，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非 平衡的电子空穴对。（2）图2.3为一些材料的吸收曲线。可以发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多，透入深度（1/“）只有左右，即儿乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成 薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片（约100-300“m） 才能充分吸收;对于短波长的光，只在入射表面附近h/m区域内就己充

13、分吸收了。（3）具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了 两种不同电荷的光生非平衡载流子，在P区积累了非平衡空穴，而在N区积累了非平衡电 子。产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，于是在P区和N区间建立了光生 电动势（或称光生电压）。图2.3不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系2.2太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图2.4所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触 层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层 防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗 淡的原因I，H

14、，51o上金風播融片型狂注捋至外临电路陶反射薄慎P-型硅图2.4太阳能电池结构图2.3太阳能电池主要特性太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性，如光谱特性、照度特性;半导体器件特性, 特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏安（包 括开路电压、短路电流、填充因子）。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要 参数作简单介绍。231光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说，在阳光照射激发 作用下，太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波长有着直接的关系。光 谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时的短

15、路电流Ac。；然后依次 改变单色光的波长，再重新测量电流。光谱响应曲线有时候称为量子效率（外量子效率）曲线, 也可以用收集效率（内量子效率）曲线来表示。二者并不一致，一般来说，量子效率（外量子 效率）是指入射多少光子数产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子产生的电子一 空穴对或少数载流子的数U;而收集效率（内量子效率）是指吸收多少光子产生多少电子的比 率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率 是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电 子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都

16、是可以测量或计算的。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在 被吸收时产生电子一空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子 一空穴对（它们只是使材料变热）。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率（长波限）。并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8/m以 上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲 线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度（光电转换能力）。太阳能电池的光谱响应特性在很 大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度

17、和光学涂层。使用滤光 膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而 变化。2.3.2温度特性太阳能电池的开路电压0。随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1C,电压下 降2-2.3mV;短路电流则随着温度的上升而微微地上升;电池的输出功率P则随着温度的 上升而下降，每升高C,约损失0.35%0.45%。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散 系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此, 光生电流也随着温度的升高有所提高。但是/随温度的升高指数增大，而c随温度的升拓 急剧下降。当温度升高时，曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率

18、随温度的增加而 降低。效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池 效率，即使用聚光技术。效率乂随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温 度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温 过高使电池转换率下降甚至损害电池，此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装 置。2.4影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池 在光电转换过程中，山于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN 结硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。（1）

19、光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失就是从空气（或真空）入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太 阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反 射膜SiN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的口分 比。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合 适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直接带隙的厚。（2）光生载流子的收集效率山于材料的缺陷等原因，所产生的电子及

20、空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流 子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。 我们把受激产生的电子一空穴对数U与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数1:1之比叫做 收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的 移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平 衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生 的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的惜况下，电荷将不会 被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就山过剩载

21、流子的寿 命和PN结的位置来决定。（3）影响开路电压的实际因素决定开路电压i大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散 长度越短，匕疋也就越低。体复合和表面复合都很重要。在PSi衬底中，影响非平衡少子 总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决 于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于10,7c/n-3时，则 俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低Ug值。（4）辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下 降，影响其使用寿命。（5）电极接触不良

22、或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。2.5提高太阳能电池转换效率的各种技术针对2.3.3节分析的影响太阳能电池转换效率的因素，研究总结了相应的儿种提高其转 换效率的方法，见表2.1。表2.1太阳能损失原因及防止技术损失原因防止技术表面光反射1采用减反射脱2表面进行凹凸处理3合理设计电极载流子再结合t加一层钝化膜层2控制杂质浓度3加背面场4合理设计电极光透対1住底电极上加一层金属反射层2进行凹凸处理串联电阻合理设计电极(1) 减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术： 采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物(SiOx)与钦氧化物(TiOx)等。单

23、 独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由TiO2和MgF2所组成的 减反射膜或山SiN和SiO?所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或山SiN和SiO2 所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。 采用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有 倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入 射路径示于图2.11。由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳 能电池中去，从而增加入射的太阳光量。釆用这种结构，其光反射损失有的其至可减到5% 左右。未经过处理的光滑硅表

24、面，反射率一般高达30%左右。(2) 减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法： 加一层钝化层； 控制朵质浓度； 在底层上加一个背面电场。加有钝化层、朵质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表 面的缺陷结构钝化，从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部 即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结 或硼扩散的方法建立。U前高效率电池一般都具有背面电场。 金孚塔型绒面结构倒金宇塔型沟蒂结构徨沟槽结构在沟

25、槽结构中的斥射原理图2.5太阳能电池的结构以及减反射原理(3) 减少光透射损失在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用 这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射 层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种 铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成 ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率在原来的基础 上乂提高了 0.2%o(4) 减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率

26、的另一个有 效途径。一般认为电池表面所占的面积越小，太阳光利用率越高。但电极的表面积越小， 电极内部的电阻越大，使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀 的，所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状，没有考虑到太阳能电池表面的电 流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电 流密度分布，发现电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。为此根据其电流密度分布， 设计了有利于收集载流子的电极形状，并采用激光加工技术，使电极面积细微化，既增加入射光面积，乂提高载流子收集效率，并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。(5) 多层结构太阳能电池把多个具

27、有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层 结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光 的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池, 让它吸收曲前半部透射出来的长波长的光，这样可以充分地利用入射太阳光，提高其转换 效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光，从而提高电池转换效率。 忖前面积为0.25cm2的三层结构无定形硅太阳能电池效率已达到13%,面积为100 cm?的电 池效率已达到10.1%。多层结构太阳能电池，除了上述的无定形硅太阳能电池以外，还有山单晶硅和无定形 硅或山单晶硅和

28、神化稼太阳能电池所组成的多层结构太阳能电池，其实验室最高转换效率 已达到35%。(6) 充电连接方法的改进传统的充电连接方法把太阳能电池与蓄电池全部串联起来如图2.6所示。而改进后的 连接方法上把太阳能电池及蓄电池分成若干个小组，先串联各个小组后再并联，改进后的 这种联接方法的好处是可降低充电回路的内阻，提高充电效率如图2.7所示。图2.6传统充电连接方法图2.7改进的充电连接方法提高太阳能电池转换效率的技术很多。除上述五种方法外，还可通过提高原材料的纯 度和质量，或采用聚光等方法。但无论哪种技术，若单独采用，所提高的转换效率幅度都 是很有限的。所以要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率，必须

29、同时采用多种技术。3太阳能电池的分类忖前，太阳能电池的种类十分多，按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非 晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敬化电池等。为了提高效率降低成本，通过技术 改进按形态结构分主要有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。然而综合考虑材料的价格、 环境保护以及转换效率等因素，以硅为原材料的电池是太阳能电池最重要的成员l，6Hl8,o 3.1按材料分类(1) 单晶硅太阳能电池硅是一种良好的半导体材料，禁带宽度为1 .leV,是间接迁移型半导体，因储量丰富， 且晶体硅性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。单 晶硅太阳能电池是开发得最早也是最快的

30、一种太阳能电池，它的构造和生产工艺己定型， 产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999% o 单晶硅太阳能电池的基本结构为N+/P型，多以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为 1-3Q. cm,具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可达到12%-16%,而实验 室记录的最高转换效率为24.4%o单晶硅太阳能电池的颜色多为黑色或灰色，其光学、电 学、力学性能均匀一致，适合于切成小片制作小型光电产品。从H前来看，单晶硅电池己 十分成熟，效率高，寿命长，性价比好，是目前最受重视的太阳能电池。如下图所示为 125x 125rnrn的单晶硅电池片。(2)

31、 多晶硅太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶 格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就 结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料。多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单 晶硅相比，多晶硅半导体材料的价格比较低廉，相应的电池单元成本低，非常具有竞争优 势。但是山于多晶硅材料存在较多的晶粒间界而有较多缺点，转换效率不够高，实验室最 高转换效率为20.3%。多晶硅太阳能电池的基本结构为N+/P型，以P型单晶硅片作为基片, 电阻率的范围为0.52Qcm。在制作多晶硅电池时，原料高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后 浇铸成正方

32、形的硅旋，可以节省原料和能源。山于多晶硅太阳能电池性能稳定，适合于建 设光伏电站，也可用作光伏建筑材料。如下图所示为125x125mm的多晶硅电池片。(4) 非晶硅太阳能电池非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周 围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助， 因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定 性都不够好，对其研究开始于20世纪70年代初。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大， 是单晶硅的40倍，1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90%有用的太阳光能。但是，非 晶硅太阳能电池的稳定性

33、较差，从而影响了它的迅速发展。非晶硅及其合金的光暗电导率 随着光照时间的加长而减少，经过170C200C的退火处理，乂可以恢复到光照之前的值。 这一现象首先山Staebler和wronski发现，被称为s w效应。Sw效应使非晶硅太阳能电 池的转换效率山于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。 H前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不 够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于大型太阳能电源，而多半用于弱光 电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶 硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展

34、，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可 以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。下图为在ITO玻璃表面釆用等离子体增强化学 气相沉积法(PEcvD)沉积了三层非晶硅薄膜形成的PN结，配以相应的前后工序处理而成的 非晶硅太阳能电池。(4)化合物太阳能电池化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主 要有GaAS电池、InP电池、Gasb电池等;二六族化合物电池主要CaS/Culnse电池、CaS/CdTe 电池等。在三五族化合物太阳能电池中，GaAS电池的转换效率最高，可达28%； GaAs是 二元化合物，Ga是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；As不是稀有元素，有

35、毒。GaAs化 合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池，这是山于GaAs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。山于具有这些特点，所以GaAs化合 物材料也适合于制造高效单结电池。GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。为了解决这个问题，采 用了聚光系统，该系统山于釆用价格较低的塑料透镜和金属外壳，并且改进了电池性能， 因而深受广大用户青睐。下图为化合物太阳能电池。(5) 有机太阳能电池有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳能电池。与结 构工艺复杂、成本高昂、光电

36、压受光强影响波动大的传统半导体固体太阳能电池相比，有 机太阳能电池制备匸艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯 曲折叠的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计 合成。材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业 引起了科学家的极大关注。美国加州大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主、物理学教授AlanHeeger和同事 KwangheeLee,以及一个韩国科学家小组。利用新的技术，完全在溶液中合成出一种效率 更高的级联有机太阳能电池，将有机太阳能电池的效率提高到了 6.5%,已经接近7%的商 业化标准。山于电池以塑料为主

37、要材料，因此成本比采用多晶硅为材料的普通太阳能电池 低得多。除提高太阳能电池效率外，新技术还能降低制造成本。Heeger表示，在溶液中沉 积电池的多层结构是降低成本的关键，这有赖于由半导体聚合物和富勒烯衍生物构成的本 体异质结材料。下图为有机太阳能电池。(7) 染料敏化太阳能电池染料敬化纳米晶太阳能电池是最近二十儿年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用 原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳能电池，宽带隙半导体 有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的 染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽 到可

38、见区，这种现象称为半导体的染料敬化作用，而载有染料的半导体称为染料敬化半导 体电极。染料敏化太阳能电池(DssC)最近取得较大进展。面积(100cm2)DSSc转换效率已达到 6%。这类电池所用主要材料为导电玻璃和TiCh,来源比较丰富，电池制备工艺也比较简单, 具有较大的潜在价格优势。但是这类电池的转换效率还有待进一步提高，电池运行的稳定 性还需要进一步经受考验。下图分别为以导电玻璃(FTO)和柔性导电衬底(PECF)的染料敬化 太阳能电池。3.2按形态结构分类(1) 叠层太阳能电池叠层太阳能电池是山两种或两种以上不同带隙的电池有机地叠加组合而成。一般而言, 顶部电池的材料具有较宽的带隙，适

39、于吸收能量较大的太阳光能;而底部电池的材料带隙较 窄，适于吸收能量较小的太阳光能，因此，在单结的基础上，叠层太阳能电池的转换效率 较高，例如GaAs叠层太阳能电池的转换效率可以达到35%o下图为叠层太阳能电池的内 部结构及外观形状。(2) 薄膜太阳能电池太阳能电池实现薄膜化，是当前国际上研发的主要方向之一。如采用直接从硅熔体中 拉出厚度在100“m的晶体硅带。人们也在研究利用液相或气相沉积，如化学气相沉积的 方法制备晶体硅薄膜作为太阳能电池材料。这时可以釆用成本较低的冶金硅或者其它廉价 基体材料，如玻璃、石墨和陶瓷等。在廉价衬底上釆用低温制备技术沉积半导体薄膜的光 伏器件，材料与器件制备可同时

40、完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产;制备能耗低, 可以缩短回收期。在不用晶体硅作为基底材料的衬底上气相沉积得到的多晶硅转换效率也 达到12%以上。除了晶体硅薄膜电池以外，其它薄膜电池材料的研究也在取得进展。已实现产业化和 正在实现产业化的有非晶硅薄膜和多晶化合物半导体薄膜电池(磅化福、硒锢铜)。非晶硅薄 膜主要釆用化学气相沉积制备。在提高单纯非晶硅太阳能电池的转化效率的研究进展不大, 忖前的技术水平是低于8%o因此人们研究利用叠层技术以提高非晶硅电池效率，如 a-Si/a-GeSi/a-SiGe叠层电池实验室最高效率达到15.6%。非晶硅/多晶硅叠层电池(HIT)也是 一种效率很高的叠层

41、电池。Sanyo开发出效率达20.7%的a-51/c-Si电池。CIGS电池研究方 面人们试图利用其它材料如稀土元素替代资源稀少的In。在CdTe化合物半导体薄膜电池 研究方面，虽然CdTe稳定、无害，但Cd和Te分别是有毒的，人们正试图研究部分替代 材料。其他化合物半导体材料的研究也取得了令人瞩I的成就。美国国家可再生能源实验 室和光谱试验室在错衬底上生长出GalnP/Gs/Ge三节电池涂层，结合金属连接和抗反射涂 层，通过对标准 AM 1.5太阳光谱聚光，获得47倍太阳光强度，从而得到创纪录的32.3% 的光电转换效率。薄膜电池的生产成本可以随其生产规模的扩大而降低，一旦技术上有重 大突破

42、，其成本可以降到1美元/Wp以下(Wp是指标准太阳光照条件下，即欧洲委员会定义 的101标准，辐射强度1000W/m2,大气质量AMI.5,电池温度25C条件下，太阳能电池的 输出功率)。下图为薄膜太阳能电池。(3) 聚光太阳能电池聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施。它通过聚光器使较大面 积的阳光会聚在一个较小的范圉内，加大光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，提高光 电转换效率，因此可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出。假设太阳辐射为Ikw/ 平方米，如果用普通太阳能硅电池提供IOW的输出功率，贝懦要10平方分米，价值400 元的电池:现在我们在1平方分米、价值40元

43、的太阳能电池上放置一个面积为15平方分米 价值20元的聚光透镜，也可以实现IOW功率的输出。在使用聚光器将太阳浓缩15倍后照 射到太阳能电池上，提供10W功率所需成本由400元降低到60元，经济性可见一斑。国 际上大力开展聚光太阳能电池的研究，一方面能减少昂贵的半导体太阳能电池片的用量， 另一方面可有效提高单位电池面积的输出功率，是极具潜力的太阳能光伏发电新技术。聚 光太阳能电池突破了普通太阳能电池高成本的制约因素，为太阳能电池的普及开辟了一条 新的道路。下图为聚光太阳能电池。4太阳能级硅材料的制备工艺高纯硅材料的生产工艺主要有改良西门子法、硅烷法及各种物理法等等。生产原料主 要是冶金级硅，主

44、要通过碳热还原工艺得到，即块状的硅石与作为还原剂的碳（煤、焦炭或 活性炭）在传统电弧炉中高温氧化还原反应，主要反应方程式是：SiO2+2C=Si+2CO4.1高纯多晶硅制备的传统工艺多晶硅材料是以冶金级为原料，经一系列物理化学反应提纯后达到一定纯度的半导体 材料，是硅产品产业链中制造硅抛光片、太阳电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业 和新能源产业最基础的原材料心。人们对制备高纯多晶硅的方法进行了长期研究和应用。最早实现的是以四氯化硅为原 料的锌还原法，由于在还原过程中锌的污染，产品还要经过区域熔炼等方法才能满足电子 级的要求，整个过程成本高，现在己经被淘汰。用四碘化硅作为中间化合物也曾经被重

45、视 过，主要是由于提纯四碘化硅的方法很多，如精镭、萃取、区域熔炼等。但是由于成本控 制和纯度等原因，也被淘汰。现在大量使用的方法主要是以四氯化硅为原料的氢还原法、 二氯二氢硅为原料的氢还原法、以三氯氢硅为原料的氢还原和硅烷热分解法。此外还有区 域熔炼法等。其中以三氯氢硅氢还原法（即西门子法或改良西门子法）和硅烷热分解法在国际 上占主导地位。4.1.1改良西门子法西门子工艺的原理是在nooc左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多 晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统西门子工艺的基础上，加上节能、降耗、回 收利用副产物以及副产热能的配套工艺。前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生

46、产多晶硅。LI 前，国外大公司 Hemlock Semiconductor Corporation（美）、Waeker PolysiliCon（徳）、 Tokuyama（S）等用的高纯多晶硅生产线，仍然以改良西门子法为主，并进行了多次更新换 代。改良西门子法的优点在于：千吨级生产线产能的连续生产，工程化的技术和设备体系, 产品质量高，性能稳定，产出率高。缺点在于西门子技术的工艺流程环节过多，一次转化 率偏低，能耗材耗成本高。4.1.2硅烷法硅烷法是以氟硅酸、钠、铝、锂、氢气为主要原料制取高纯硅烷，然后硅烷热分解生 产多晶硅的工艺。硅烷法分为三个过程：硅烷的制备，硅烷的提纯，硅烷的热分解。各种硅

47、烷法的主要 区别在于制备硅烷的路线不同。该方法大大降低了硅烷的生产成本，U前己经实现了大规模的生产。生成的硅烷采用 精憎技术或吸附技术进行提纯。因为硅烷常温下为气体，精镭过程必须在低温进行，其过 程比其他精懾方法要复杂。很多厂家采用吸附法提纯。硅烷的热分解通常在850-C的温度下进行，吸收率可以达到90%以上。在温度500C下 操作时，硅烷比较容易分解为非晶硅，非晶硅易于吸附杂质，在处理过程难以保持其纯度, 因此应避免在这个温度下操作。与西门子法相比，硅烷法的反应温度较西门子法低，反应所耗电量（大约12kWh/kg）比 西门子法（120 160kWh/kg）少得多，山于电耗成本是多晶硅生产的主

48、要成本，因此在成本 上面有明显优势，但是硅烷的易爆性使得硅烷法工艺路线的应用得到了相当的限制，U前 改良西门法是主流技术，世界上约有80%的多晶硅是山此工艺方法得到的。4.2单晶硅生产工艺4.2.1 切客劳斯基法（Czochralski method）切客劳斯基法是利用旋转着的籽晶从增祸中的熔体中提拉制备单晶硅的方法，乂称直 拉法、提拉法（简称Cz法）。Cz法生长硅单晶已有40多年的历史，且不断改进，其生产工 艺已日趋成熟。晶体的直径不断增大，缺陷不断减少。杂质分布的均匀性也不断得到提高。多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、 等径、收尾等步骤，完成一根单

49、晶锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等 过程都直接影响到单晶的生长，如生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有 温度场、籽晶的晶向、柑祸和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流 向、流速、压力等。4. 2. 2悬浮区熔法区域熔炼技术可应用于半导体材料的提纯和单晶生长，水平区熔法早己成功地应用于 提纯错和生长错单晶。该方法是利用感应圈（电子束或离子束）使合金棒加热熔化一段并从下 端逐步向上段移动，凝固过程也随之顺序进行，当熔化区走完一遍之后，对于分凝系数k（）vl 的杂质将富集到上端。采用这种方法对多晶硅进行提纯或生长单晶硅时，熔区悬浮于多晶 硅棒与下方生长出的

50、单晶之间，故称为悬浮区熔法。由于在熔化和生长单晶硅过程中，不 使用石英增祸等容器，又称为无增祸区熔法。4.3太阳能级硅制备的化学法新工艺化学法新工艺是在西门子法或改良西门子法的基础上改进的一些工艺，山于各制造商 结合本公司的生产工艺研发新的多晶硅反应器装置技术，利用现有的资源容易实现低成本 开发新工艺。（1）熔融析出法（vapor to Liquid Deposition）,该法是在使用SiHCh为原料在桶状反 应炉内进行气相反应，直接析出液体状硅。山于析出速度大为提高（比西门子法快10倍）， 大大提高了生产效率，使生产成本得到降低。这项技术是曲Tokuyama公司开发的。（2）沸腾床法，Wa

51、cker公司和SGS公司分别采用SiHCh和SiH。为原料采用改进的 沸腾床法进行还原和热分解工艺。（3）强化化学气相沉积:已有学者提出用等离子体增强化学气相沉积制备高纯多晶硅, 使得CVD沉积温度底、速度快，缺点是沉积大面积较为困难。另外GT太阳能公司利用 SiHj气体在特殊加热的硅管中沉积多晶硅，除利用硅管面积较大的优点，而且把硅管作为 晶种材料。（4）锌还原四氯化硅法，使用锌代替氢气还原四氯化硅，从而得到纯度较高的多晶硅, 这是智索、新日矿控股和东邦钦三公司达成协议于2006年开始验证该方法的太阳能多晶硅 制造技术。该方法减少了西门子法繁琐的还原工艺。5太阳能电池的生产工艺太阳能电池的生

52、产工艺流程为：电池检测、正面焊接并检验、背面串接并检验、敷设 （玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）、层压、去毛边（去边、清洗）、装边框（涂 胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）、焊接接线盒、高压测试、组件测试、外观检验、包 装入库十一个步骤。具体简介如下：电池测试：山于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了 有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试 即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率， 做出质量合格的电池组件。正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带， 我们使

53、用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯 （利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后 面的电池片的背面电极相连背面串接：背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串，我们H前采用的工艺 是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电 池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电 烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上, 这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，

54、将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤 维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（Primer）以增加玻璃 和EVA的粘接强度。敷设时保证电池审与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离， 为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。组件层压：将敷设好的电池放入层圧机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加 热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产 的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压 循环时间约为25分钟。固化温度为150Co修边：层压时EVA熔化后山

55、于圧力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切 除。装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密 封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用 角键连接。焊接接线盒：在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连 接。高压测试：高圧测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐圧 性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。组件测试：测试的LI的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的 质量等级。6太阳能电池的应用上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术

56、一一通信卫星供电，上世 纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈 加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户 用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保 护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家 将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与 建筑系统的结合已经形成产业化趋势（1） 3-5KW家庭屋顶并网发电系统（2）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉（3）交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯

57、、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路 无线电话亭、无人值守道班供电等。（4）通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光 伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。（5）石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋 检测设备、气象/水文观测设备等（6）家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。（7）光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。经过半年的努力，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文， 由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以 及一起学习同学们的支持，想要完成这个论文是有困难的。在这里首先要感谢我的指导老师。老师平日里工作繁忙，但在我做毕业论文 的每个阶段，从刚开始的查阅资料，论文主题的确定和修改，中期检查，后期详 细修改都给予了