晶體硅太陽能電池的制造工藝ppt課件

1、微電子工藝原理與技術(shù)微電子工藝原理與技術(shù) 李李 金金 華華太陽能電池制造工藝太陽能電池制造工藝主要內(nèi)容主要內(nèi)容 硅太陽能電池任務(wù)原理硅太陽能電池任務(wù)原理 太陽能電池硅資料太陽能電池硅資料 硅太陽能電池制造工藝硅太陽能電池制造工藝 4.4.提高太陽能電池效率的途經(jīng)提高太陽能電池效率的途經(jīng) 5.5.高效太陽能電池資料高效太陽能電池資料 6.6.高效太陽能電池構(gòu)造高效太陽能電池構(gòu)造一、硅太陽能電池任務(wù)原理一、硅太陽能電池任務(wù)原理 太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用中；大陽能光

2、電利用是近些年來開展最快，何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用中；大陽能光電利用是近些年來開展最快，最具活力的研討領(lǐng)域，是其中最受矚目的工程之一。最具活力的研討領(lǐng)域，是其中最受矚目的工程之一。 制造太陽能電池主要是以制造太陽能電池主要是以半導(dǎo)體資料為根底，半導(dǎo)體資料為根底，其任務(wù)原理是利用光電資料其任務(wù)原理是利用光電資料吸收光能后發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，吸收光能后發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)所將光能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)所用資料的不同，太陽能電池用資料的不同，太陽能電池可分為：硅基太陽能電池和可分為：硅基太陽能電池和薄膜電池，本章主要講硅基薄膜電池，本章主要講硅基太陽能電池。太陽能電池。 太陽能電池發(fā)

3、電的原理主要是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，普太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，普通的半導(dǎo)體主要構(gòu)造如下：通的半導(dǎo)體主要構(gòu)造如下： 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。旁邊的四個電子。1 1硅太陽能電池任務(wù)原理與構(gòu)造硅太陽能電池任務(wù)原理與構(gòu)造 當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的構(gòu)成可以參照以下圖： 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，由于硼原子周圍只需3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個空穴由于沒有電子而變得很

4、不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，構(gòu)成P 型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，由于磷原子有五個電子，所以同樣，摻入磷原子以后，由于磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活潑，構(gòu)成就會有一個電子變得非常活潑，構(gòu)成N N型半導(dǎo)體。黃色的為型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如以下圖。磷原子核，紅色的為多余的電子。如以下圖。 當(dāng)當(dāng)P P型和型和N N型半導(dǎo)體資料結(jié)合時，型半導(dǎo)體資料結(jié)合時，P P 型型 N N型資料中的型資料中的空穴電子向空穴電子向N N 型型 P P 型資料這邊分散，分散的結(jié)型資料這邊分散，分散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)構(gòu)成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止果使得結(jié)合區(qū)構(gòu)成一個勢壘

5、，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止分散運動的繼續(xù)進(jìn)展，當(dāng)兩者到達(dá)平衡時，在分散運動的繼續(xù)進(jìn)展，當(dāng)兩者到達(dá)平衡時，在PNPN結(jié)兩側(cè)構(gòu)結(jié)兩側(cè)構(gòu)成一個耗盡區(qū)。成一個耗盡區(qū)。PN結(jié)的構(gòu)成及任務(wù)原理結(jié)的構(gòu)成及任務(wù)原理 零偏 負(fù)偏 正偏 當(dāng)PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當(dāng)PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢壘減弱。當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，必需處于零偏或反偏形狀。 硅光電池是一個大面積的光電二極管，它可把入射到它外表的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶(光生伏特效應(yīng)，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用

6、下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。光光電電池池構(gòu)構(gòu)造造表表示示圖圖半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時，光子將能量提供應(yīng)電子，電子當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時，光子將能量提供應(yīng)電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實踐運用的光將躍遷到更高的能態(tài)，在這些電子中，作為實踐運用的光電器件里可利用的電子有：電器件里可利用的電子有： 1價帶電子；價帶電子；2自在電子或空穴自在電子或空穴Free Carrier；3存在于雜質(zhì)能級上的電子。存在于雜質(zhì)能級上的電子。 太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。由價帶電子得太陽電池可利用的電子主要是價帶電

7、子。由價帶電子得到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決議的光的吸收稱為本征或到光的能量躍遷到導(dǎo)帶的過程決議的光的吸收稱為本征或固有吸收。固有吸收。 太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的根本構(gòu)太陽電池是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。它的根本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的造是由半導(dǎo)體的PN結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘等結(jié)組成。此外，異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。也可以得到較好的光電轉(zhuǎn)換效率。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的根底是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時，產(chǎn)生電子一空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存

8、了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在pn結(jié)附近構(gòu)成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。此時，假設(shè)將外電路短路，那么外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個電流稱作短路電流；假設(shè)將PN結(jié)兩端開路，那么由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產(chǎn)生了電位差VOC。可以測得這個值，并稱為開路電壓。由于此時結(jié)處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決議VOC的值。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 當(dāng)晶片受光后，當(dāng)

9、晶片受光后，PN結(jié)中，結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)挪動，而型區(qū)挪動，而P型區(qū)中的型區(qū)中的電子往電子往N型區(qū)挪動，從而構(gòu)成從型區(qū)挪動，從而構(gòu)成從N型區(qū)到型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中構(gòu)成結(jié)中構(gòu)成電勢差，這就構(gòu)成了電源。電勢差，這就構(gòu)成了電源。硅太陽能電池構(gòu)造硅太陽能電池構(gòu)造 另外硅外表非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的維護(hù)膜如圖，實踐工業(yè)消費根本都是用化學(xué)氣相堆積堆積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池通常是36個

10、并聯(lián)或串聯(lián)起來運用，構(gòu)成太陽能光電板。 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在經(jīng)過由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在經(jīng)過p pn n結(jié)后假設(shè)在半導(dǎo)體中結(jié)后假設(shè)在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但假設(shè)在上層全部涂上金屬，流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但假設(shè)在上層全部涂上金屬，陽光就不能經(jīng)過，電流就不能產(chǎn)生，因此普通用金屬網(wǎng)格覆蓋陽光就不能經(jīng)過，電流就不能產(chǎn)生，因此普通用金屬網(wǎng)格覆蓋p pn n結(jié)結(jié)如圖如圖 梳狀電極，以增參與射光的面積。梳狀電極，以增參與射光的面積。 梳狀電極和抗反膜梳狀電極和抗反膜 二太陽能電池的硅資料二太陽能電池的硅資料 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度通常的晶體硅太陽能

11、電池是在厚度300350m的高質(zhì)量硅片上制成的，的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上，將單晶硅棒切成片，普通片厚約這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上，將單晶硅棒切成片，普通片厚約0.40.45毫米。硅片經(jīng)過切、拋、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。毫米。硅片經(jīng)過切、拋、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。 太陽能硅的雜質(zhì)濃度較高，普通要求太陽能硅的雜質(zhì)濃度較高，普通要求5 5個個9 9的純度的純度99.99999.999，比集成電路用的單晶硅，比集成電路用的單晶硅 純度要求純度要求7 78 8個個9 9要求低得多。太陽能硅常用要求低得多。太陽能硅常用0.320.32cmcm的的P

12、 P型型100100單晶硅片。單晶硅片。 制造太陽電池片，首先要對經(jīng)過清洗的硅片，在高溫石英管分散爐對硅片外表作分散摻雜，普通摻雜物為微量的硼、磷、銻等。目的是在硅片上構(gòu)成P/N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，用精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射膜 ，單晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過檢測，即可按所需求的規(guī)格組裝成太陽電池組件太陽電池板，用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和裝資料進(jìn)展封裝，組成各種大小不同太陽電池陣列。目前大規(guī)模消費的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為1415左右，實驗室成果也有20以上的。常州天和光能和無錫尚德的

13、轉(zhuǎn)換效率在14.5，常州盛世太陽能公司有90可做到16.2以上。三、硅太陽能電池制造工藝三、硅太陽能電池制造工藝 硅太陽能電池制造工藝硅太陽能電池制造工藝硅太陽能電池制造工藝主要包括：硅太陽能電池制造工藝主要包括：1. 去除損傷層去除損傷層2. 外表絨面化外表絨面化3. 發(fā)射區(qū)分散發(fā)射區(qū)分散4. 邊緣結(jié)刻蝕邊緣結(jié)刻蝕5. PECDV堆積堆積SiN6. 絲網(wǎng)印刷正反面電極漿料絲網(wǎng)印刷正反面電極漿料7. 共燒構(gòu)成金屬接觸共燒構(gòu)成金屬接觸8. 電池片測試。電池片測試。外表絨面化外表絨面化 由于硅片用P型100硅片，可利用氫氧化鈉溶液對單晶硅片進(jìn)展各向異性腐蝕的特點來制備絨面。當(dāng)各向異性因子10時所謂

14、各向異性因子就是100面與111面單晶硅腐蝕速率之比，可以得到整齊均勻的金字塔形的角錐體組成的絨面。絨面具有受光面積大，反射率低的特點?？商岣邌尉Ч杼栯姵氐亩搪冯娏?，從而提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 金字塔形角錐體的外表積金字塔形角錐體的外表積S0S0等于等于四個邊長為四個邊長為a a正三角形正三角形S S之和之和 由此可見有絨面的受光面積比光由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即面提高了倍即1.7321.732倍。倍。20a3a23a214S絨面受光面積絨面受光面積 當(dāng)一束強度為當(dāng)一束強度為E0E0的光投射到圖中的的光投射到圖中的A A點，產(chǎn)生反射光點，產(chǎn)生反射光11和進(jìn)入硅中的折射光和

15、進(jìn)入硅中的折射光22。反射光。反射光11可以繼續(xù)投射到另一可以繼續(xù)投射到另一方錐的方錐的B B點，產(chǎn)生二次反射光點，產(chǎn)生二次反射光33和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光44；而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計算可知還有而對光面電池就不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計算可知還有11%11%的二次反射光能夠進(jìn)展第三次反射和折射，由此可算得的二次反射光能夠進(jìn)展第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為絨面的反射率為9.04%9.04%。絨面反射率絨面反射率 由于原始硅片采用P型硅，發(fā)射區(qū)分散普通采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個工藝的特點是消費高，有利于降低本錢。目前大型的太陽能廠家普通用8吋硅片

16、分散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以分散156156mm的硅片。 由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了分散薄層電阻均勻性；由于采用磷分散，可以實現(xiàn)高濃度的摻雜，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，從而了提高太陽電池填充因子FF。分散條件為880C ，10分，得到的P-N結(jié)深約0.15m。發(fā)射區(qū)分散發(fā)射區(qū)分散SiN鈍化與鈍化與APCVD淀積淀積TiO2 先期的地面用高效單晶硅太陽電池普通采用鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池(PESC)工藝。分散后，在去除磷硅玻璃的硅片上,熱氧化生長一層10nm25nm厚SiO2,使外表層非晶化,改動了外表層硅原子價鍵失配情況,使外表趨于穩(wěn)定,這樣減少了發(fā)射區(qū)外表復(fù)合,提高了太陽電

17、池對藍(lán)光的呼應(yīng),同時也添加了短路電流密度Jsc,由于減少了發(fā)射區(qū)外表復(fù)合,這樣也就減少了反向飽和電流密度,從而提高了太陽電池開路電壓Voc。還有假設(shè)沒有這層SiN,直接淀積TiO2薄膜,硅外表會出現(xiàn)圈套型的滯后景象導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減,普通會衰減8%左右,從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長SiN鈍化再生長TiO2減反射膜。 TiO2減反射膜是用APCVD設(shè)備生長的,它經(jīng)過鈦酸異丙脂與純水產(chǎn)生水解反響來生長TiO2薄膜。 多晶硅太陽電池廣泛運用PECVD淀積SiN ,由于PECVD淀積SiN時,不光是生長SiN作為減反射膜,同時生成了大量的原子氫,這些氫原子能對多晶硅片具有外表鈍化和體鈍化的雙

18、重作用,可用于大批量消費高效多晶硅太陽電池,為上世紀(jì)末多晶硅太陽電池的產(chǎn)量超越單晶硅太陽電池立下汗馬功績。隨著PECVD在多晶硅太陽電池勝利,引起人們將PECVD用于單晶硅太陽電池作外表鈍化的愿望。 由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氫,可以很好的鈍化硅中的外表懸掛鍵，從而提高了載流子遷移率，普通要提高20%左右，同時由于SiN薄膜對單晶硅外表有非常明顯的鈍化作用。閱歷顯示，用PECVD SiN作為減反膜的單晶硅太陽電池效率高于傳統(tǒng)的APCVD TiO2作減反膜單晶硅太陽電池。SiN減反膜的厚度約75nm，折射率可高到2.1富硅。PECVDPECVD淀積淀積SiNSiN 晶體硅太陽電池要經(jīng)過三次印

19、刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才干構(gòu)成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)，同時構(gòu)成上下電極的歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池的一項重要關(guān)鍵工藝。該工藝的根底實際來自合金法制P-N結(jié)工藝。當(dāng)電極金屬資料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度到達(dá)共晶溫度時，單晶硅原子按相圖以一定的比例量溶入到熔融的合金電極資料。單晶硅原子溶入到電極金屬中的整個過程相當(dāng)快，普通只需幾秒鐘。溶入的單晶硅原子數(shù)目決議于合金溫度和電極資料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬資料體積愈大，那么溶入的硅原子數(shù)目也愈多，這時形狀被稱為晶體電極金屬的合金系統(tǒng)。假設(shè)此時溫度降低，系統(tǒng)開場冷卻，原先溶入到電極金屬資料中的硅原子重新以固態(tài)

20、方式結(jié)晶出來，在金屬和晶體接觸界面上生長出一層外延層。假設(shè)外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體資料導(dǎo)電類型一樣雜質(zhì)成份，就獲得了用合金法工藝構(gòu)成的歐姆接觸；假設(shè)再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體資料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份，這就獲得了用合金法工藝構(gòu)成P-N結(jié)。 共燒構(gòu)成金屬接觸共燒構(gòu)成金屬接觸 銀槳、銀鋁槳、鋁槳印刷過的硅片，經(jīng)過烘干，使有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物嚴(yán)密粘附在硅片上，這時，可視為金屬電極資料層和硅片接觸在一同。所謂共燒工藝顯然是采用銀硅的共晶溫度，同時在幾秒鐘內(nèi)單晶硅原子溶入到金屬電極資料里，之后又幾乎同時冷卻構(gòu)成再結(jié)晶層，這個再結(jié)晶層是較完美單晶硅的晶格點陣構(gòu)造。只經(jīng)過一次燒結(jié)

21、鈍化的外表層，氫原子的外釋是有限的，共燒保證了氫原子大量存在，填充因子較高，沒有必要引入氮氫烘焙工藝FGS。電池片測試電池片測試 主要測試太陽電池的根本特性：主要測試太陽電池的根本特性： 開路電壓開路電壓VOC、短路電流、短路電流ISC、填充因子、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效、能量轉(zhuǎn)換效率率。 FF為電池的填充因子為電池的填充因子(Fill Factor), 它定義為電池具有最大輸出功率它定義為電池具有最大輸出功率(Pop,)時的電流時的電流(IOpt)和和電壓電壓(Vopt)的乘積與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值，的乘積與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值， 較高較高 的的 短短 路電流和開

22、路電壓是產(chǎn)生較高能量轉(zhuǎn)換效率的根路電流和開路電壓是產(chǎn)生較高能量轉(zhuǎn)換效率的根底。假設(shè)兩個電池的短路電流和開路電壓完全一樣，制約底。假設(shè)兩個電池的短路電流和開路電壓完全一樣，制約其效率大小的參數(shù)就是填充因子。其效率大小的參數(shù)就是填充因子。 能量轉(zhuǎn)換效率是光電池的最重要性能目的，它為光電池將能量轉(zhuǎn)換效率是光電池的最重要性能目的，它為光電池將入射光能量轉(zhuǎn)換成電能的效率。入射光能量轉(zhuǎn)換成電能的效率。光電池的測試電路光電池的測試電路PN結(jié)兩端的電流結(jié)兩端的電流 光電池處于零偏時，光電池處于零偏時，V0，流過，流過PN結(jié)的電流結(jié)的電流IIP ；光電池；光電池處于反偏時，流過處于反偏時，流過PN結(jié)的電流結(jié)的電

23、流I IP - Is ，當(dāng)光電池用作光電，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，必需處于零偏或反偏形狀。轉(zhuǎn)換器時，必需處于零偏或反偏形狀。光電流光電流IP與輸出光功率與輸出光功率Pi 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： R 為呼應(yīng)率，為呼應(yīng)率，R 值隨入射光波長的不同而變化，對不同資料制值隨入射光波長的不同而變化，對不同資料制造的光電池造的光電池R值分別在短波長和長波優(yōu)點存在一截止波長。值分別在短波長和長波優(yōu)點存在一截止波長。PKTevsIeII)1(/PiIRP光電池的伏安特性光電池的伏安特性 以下圖顯示了光電池的典型以下圖顯示了光電池的典型I-V曲線。曲線。Pm為最大功率點。為最大功率點。它確實定可用從光電池它

24、確實定可用從光電池I-V曲線上恣意點向縱、橫坐標(biāo)引垂曲線上恣意點向縱、橫坐標(biāo)引垂線，垂線與坐標(biāo)軸捍衛(wèi)面積最大的點即為線，垂線與坐標(biāo)軸捍衛(wèi)面積最大的點即為Pm。根據(jù)該特性。根據(jù)該特性曲線可以確定光電池的開路電壓、短路電流。曲線可以確定光電池的開路電壓、短路電流。 太陽電池的短路電流等于其光生電流。決議短路電流的要素很多，分析短路電流的最方便的方法是將太陽光譜劃分成許多段，每一段只需很窄的波長范圍，并找出每一段光譜所對應(yīng)的電流，電池的總短路電流是全部光譜段奉獻(xiàn)的總和。負(fù)載特性負(fù)載特性四、提高太陽能電池效率的途經(jīng)四、提高太陽能電池效率的途經(jīng) 在硅太陽能電池的制造歷史中曾經(jīng)采用過許多措施來提高太陽能電

25、池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且隨著能源的不斷耗費，高效太陽能的研討正熱火朝天地進(jìn)展。主要針對： 1.降低光電子的外表復(fù)合，如降低外表態(tài)等； 2.降低入射光的外表反射，用多種太陽光減反射技術(shù)，如堆積 減反層、硅片外表織構(gòu)技術(shù)、部分背外表場技術(shù)，最大限制 地減少太陽光在硅外表的反射； 3.電極低接觸電阻和集成受光技術(shù)，如激光刻槽埋柵技術(shù)和表 面濃度分散技術(shù)，使電極接觸電阻低和添加硅外表受光面積。 4.降低P-N結(jié)的結(jié)深和漏電； 5.采用高效廉價光電轉(zhuǎn)換資料；后面主要引見高效太陽能電池資料和構(gòu)造。 五、高效太陽能電池資料五、高效太陽能電池資料1. 1. 多晶硅多晶硅 單晶硅太陽能電池耗費的硅資料很多。為了節(jié)

26、省資料，目前開展多晶硅薄膜電單晶硅太陽能電池耗費的硅資料很多。為了節(jié)省資料，目前開展多晶硅薄膜電池。采用化學(xué)氣相堆積法，包括用池。采用化學(xué)氣相堆積法，包括用LPCVD和和PECVD工藝制造多晶硅薄膜。此外，工藝制造多晶硅薄膜。此外，液相外延法液相外延法LPPE和濺射堆積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。和濺射堆積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。 化學(xué)氣相堆積主要以化學(xué)氣相堆積主要以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或或SiH4,為反響氣體為反響氣體,在一定的維在一定的維護(hù)氣氛下反響堆積在加熱的襯底上，襯底資料普通選用護(hù)氣氛下反響堆積在加熱的襯底上，襯底資料普通選用Si、SiO2、Si3N4等。

27、但在等。但在非硅襯底上很難構(gòu)成較大的晶粒，且容易在晶粒間構(gòu)成空隙。處理方法是先用非硅襯底上很難構(gòu)成較大的晶粒，且容易在晶粒間構(gòu)成空隙。處理方法是先用 LPCVD在襯底上堆積一層較薄的非晶硅層，退火后得到較大的晶粒，然后再在這在襯底上堆積一層較薄的非晶硅層，退火后得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上堆積厚的多晶硅薄膜。因此，再結(jié)晶技術(shù)是很重要的環(huán)節(jié)，目前采用的技層籽晶上堆積厚的多晶硅薄膜。因此，再結(jié)晶技術(shù)是很重要的環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除再結(jié)晶工藝外，采用單晶術(shù)主要有固相結(jié)晶法和區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除再結(jié)晶工藝外，采用單晶硅太陽能電池的一切技術(shù)，

28、德國人用區(qū)熔再結(jié)晶法制得電池的效率高達(dá)硅太陽能電池的一切技術(shù)，德國人用區(qū)熔再結(jié)晶法制得電池的效率高達(dá)19，日，日本三菱同法制得得效率為本三菱同法制得得效率為16.22. 2. 非晶硅薄膜非晶硅薄膜 開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低本錢。由于非晶硅薄膜本錢低，便于大量消費，遭到普遍注重并得到迅速開展。 但非晶硅光學(xué)帶隙為1.7eV, 對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即光致衰退S一W效應(yīng)，使電池性能不穩(wěn)定。處理途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)電池上再堆積一個或多個P-i-

29、n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、處理單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：它把不同禁帶寬度的材科組臺在一同，提高了光譜的呼應(yīng)范圍；頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減??；疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一同的。 非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反響濺射非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反響濺射法、法、PECVD法、法、LPCVD法等，反響原料氣體為法等，反響原料氣體為H2稀釋的稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成

30、的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。目前非晶硅太工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。目前非晶硅太陽能電池的研討獲得兩大進(jìn)展：第一、三疊層構(gòu)造非晶硅太陽能陽能電池的研討獲得兩大進(jìn)展：第一、三疊層構(gòu)造非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)13，創(chuàng)下新的記錄；第二、三疊層太陽能電，創(chuàng)下新的記錄；第二、三疊層太陽能電池年消費才干達(dá)池年消費才干達(dá)5MW。 非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的本錢及分非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的本錢及分量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它

31、的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實踐運用。假設(shè)能進(jìn)一步處理穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)接影響了它的實踐運用。假設(shè)能進(jìn)一步處理穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要開換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要開展產(chǎn)品之一。展產(chǎn)品之一。 3. 3. 多元化合物薄膜多元化合物薄膜 為了尋覓單晶硅電池的替代品為了尋覓單晶硅電池的替代品, ,人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它資料的太陽能電池。其中主薄膜太陽能電池外，又不斷研制其它資料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵要包括砷化鎵III-VIII-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及

32、銅錮硒薄膜電池族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池中，雖然硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非等。上述電池中，雖然硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高晶硅薄膜太陽能電池效率高12121313，本錢較單晶硅電池低，本錢較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模消費，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境呵斥嚴(yán)重的并且也易于大規(guī)模消費，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境呵斥嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。 砷化鎵砷化鎵III-VIII-V族化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率遭到人族化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較

33、高的轉(zhuǎn)換效率遭到人們的普遍注重。們的普遍注重。GaAsGaAs屬于屬于III-VIII-V族化合物半導(dǎo)體資料，其能隙為族化合物半導(dǎo)體資料，其能隙為1.4eV1.4eV，正好為高吸收率太陽光的值，因此，是很理想的電池資料。，正好為高吸收率太陽光的值，因此，是很理想的電池資料。GaAsGaAs等等III-VIII-V化合物薄膜電池的制備主要采用化合物薄膜電池的制備主要采用 MOVPEMOVPE和和LPELPE技術(shù)，技術(shù)，其中其中MOVPEMOVPE方法制備方法制備GaAsGaAs薄膜電池受襯底位錯、反響壓力、薄膜電池受襯底位錯、反響壓力、III-VIII-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。比率、總流

34、量等諸多參數(shù)的影響。 除除GaAsGaAs外，其它外，其它III-VIII-V化合物化合物如如GasbGasb、GaInPGaInP等電池資料也得到了開發(fā)。等電池資料也得到了開發(fā)。 2019年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研討所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2，初次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7另外，該研討所還采用堆疊構(gòu)造制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個獨立的電池堆疊在一同，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到的電池效率到達(dá)31.1。 銅銦硒CuInSe2簡稱CIS。CIS資料的能隙為1.leV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換。另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因

35、此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池資料也引起了人們的注目。 CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是運用H2Se疊層膜硒化，但難以得到成分均勻的CIS。CIS薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率將到達(dá)20，相當(dāng)于多晶硅太陽能電池。 CIS作為太陽能電池的半導(dǎo)體資料，具有價錢低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后開展太陽能電池的一個重要方向。獨一的問題是資料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的開展又必然遭到限制。 銅銦硒銅銦硒(CIS)(CIS)薄膜太陽電池性能優(yōu)良，被國際上稱為下一代的薄膜太陽電池性能優(yōu)良，被國際上稱為下一代的廉

36、價太陽能電池。吸引世界眾多的光伏專家進(jìn)展研討開發(fā)。由于廉價太陽能電池。吸引世界眾多的光伏專家進(jìn)展研討開發(fā)。由于銅銦硒電池是多元化合物半導(dǎo)體器件，復(fù)雜的多層構(gòu)造和敏感的銅銦硒電池是多元化合物半導(dǎo)體器件，復(fù)雜的多層構(gòu)造和敏感的元素配比，要求其工藝和設(shè)備極其嚴(yán)厲。太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率元素配比，要求其工藝和設(shè)備極其嚴(yán)厲。太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率是代表資料性能、器件構(gòu)造、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等是代表資料性能、器件構(gòu)造、制備技術(shù)、工藝設(shè)備和檢測手段等綜合性整體程度的標(biāo)志性目的，世界上只需四個國家開發(fā)出這種綜合性整體程度的標(biāo)志性目的，世界上只需四個國家開發(fā)出這種單體電池和集成組件，美、日、德三國完成了中

37、試線的開發(fā)，尚單體電池和集成組件，美、日、德三國完成了中試線的開發(fā)，尚未實現(xiàn)商品化。未實現(xiàn)商品化。 采用采用CuInGaSe CuInGaSe 多元復(fù)合薄膜，也可消費高效太陽能電池。多元復(fù)合薄膜，也可消費高效太陽能電池。薄膜是經(jīng)過在玻璃薄膜是經(jīng)過在玻璃o o基材上經(jīng)過物理氣相淀積銅和硒或銦和硒基材上經(jīng)過物理氣相淀積銅和硒或銦和硒并調(diào)整該薄膜的最終化學(xué)計量比并調(diào)整該薄膜的最終化學(xué)計量比Cu=11.2(In,Ga)=11.2: Se= Cu=11.2(In,Ga)=11.2: Se= 22.522.5。 4. 聚合物薄膜 以聚合物替代無機(jī)資料是太陽能電池制造的方向。其原理是利用不同氧化復(fù)原型聚合物

38、的不同氧化復(fù)原電勢，在導(dǎo)電資料電極外表進(jìn)展多層復(fù)合，制成類似無機(jī)PN結(jié)的單導(dǎo)游電安裝。其中一個電極的內(nèi)層由復(fù)原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的復(fù)原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾正好相反，并且第一個電極上兩種聚合物的復(fù)原電位均高于后者的兩種聚合物的復(fù)原電位。當(dāng)兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到復(fù)原電位較低的電極上，復(fù)原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能經(jīng)過外電路從復(fù)原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。由于有機(jī)資料柔性好，本錢底，對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機(jī)資料制備的太陽

39、能電池運用壽命和效率都不能和無機(jī)資料特別是硅電池相比。 近來報道，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研討所曾經(jīng)研制出目前世界上太近來報道，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研討所曾經(jīng)研制出目前世界上太陽能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率已到達(dá)現(xiàn)有有陽能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率已到達(dá)現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽能電池的四倍。機(jī)薄膜太陽能電池的四倍。 報道說，此前的有機(jī)薄膜太陽能電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體的薄報道說，此前的有機(jī)薄膜太陽能電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體的薄膜接合在一同，其太陽能到電能的轉(zhuǎn)換率約為。新型有機(jī)薄膜接合在一同，其太陽能到電能的轉(zhuǎn)換率約為。新型有機(jī)薄膜太陽能電池在原有的兩層構(gòu)造中間參與一種混合薄膜，變成三膜太陽

40、能電池在原有的兩層構(gòu)造中間參與一種混合薄膜，變成三層構(gòu)造，這樣就添加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積，從而大層構(gòu)造，這樣就添加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積，從而大大提高了太陽能轉(zhuǎn)換率。大提高了太陽能轉(zhuǎn)換率。 有機(jī)薄膜太陽能電池運用塑料等質(zhì)輕柔軟的資料為基板，因有機(jī)薄膜太陽能電池運用塑料等質(zhì)輕柔軟的資料為基板，因此人們對它的適用化等待很高。研討人員表示，經(jīng)過進(jìn)一步研討，此人們對它的適用化等待很高。研討人員表示，經(jīng)過進(jìn)一步研討，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)、可投入實踐運用的有機(jī)薄膜太陽能有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)、可投入實踐運用的有機(jī)薄膜太陽能電池。電池。 5. 5. 納米晶資料納米晶資料 人們在新工藝、新資料、電

41、池薄膜化等方面的探求中，納人們在新工藝、新資料、電池薄膜化等方面的探求中，納米米TiO2 TiO2 晶體化學(xué)能太陽能電池遭到國內(nèi)外科學(xué)家的注重它由晶體化學(xué)能太陽能電池遭到國內(nèi)外科學(xué)家的注重它由瑞士瑞士GratzelGratzel教授首先研制勝利。納米晶化學(xué)太陽能電池簡教授首先研制勝利。納米晶化學(xué)太陽能電池簡稱稱NPCNPC電池是由一種在禁帶半導(dǎo)體資料修飾、組裝到另一種電池是由一種在禁帶半導(dǎo)體資料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體資料上構(gòu)成的，窄禁帶半導(dǎo)體資料采用過渡金大能隙半導(dǎo)體資料上構(gòu)成的，窄禁帶半導(dǎo)體資料采用過渡金屬屬RuRu以及以及OsOs等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體資料為等的有機(jī)化

42、合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體資料為納米多晶納米多晶TiO2TiO2并制成電極，此外并制成電極，此外NPCNPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸浑姵剡€選用適當(dāng)?shù)难趸粡?fù)原電解質(zhì)。納米晶復(fù)原電解質(zhì)。納米晶TiO2TiO2任務(wù)原理：染料分子吸收太陽光能任務(wù)原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子那么很快從電解質(zhì)中得到補償，進(jìn)導(dǎo)帶，染料中失去的電子那么很快從電解質(zhì)中得到補償，進(jìn)入入TiO2TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜, ,然后經(jīng)過外回路產(chǎn)生光然后經(jīng)過外回路產(chǎn)生光電

43、流。電流。 納米晶納米晶TiO2TiO2太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的本錢和簡太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的本錢和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在1010以上，制造以上，制造本錢僅為硅太陽電池的本錢僅為硅太陽電池的1/51/51/101/10壽命能到達(dá)壽命能到達(dá)2O2O年以上。還年以上。還未面市。未面市。 6. 6. 光電子倍增資料光電子倍增資料 對普通光電資料，一個光子入射只能產(chǎn)生一個光電子，假設(shè)一個對普通光電資料，一個光子入射只能產(chǎn)生一個光電子，假設(shè)一個光子入射能產(chǎn)生多個光電子，可以稱為光電子倍增資料。光子入射能產(chǎn)生多個光電子，可以稱為光電子倍增資

44、料。 美國國家可再生能源實驗室發(fā)現(xiàn)：納米晶體硅每吸收一個高能美國國家可再生能源實驗室發(fā)現(xiàn)：納米晶體硅每吸收一個高能太陽光光子便能產(chǎn)生太陽光光子便能產(chǎn)生2 23 3個電子，額外的電子來自藍(lán)光和紫外光的個電子，額外的電子來自藍(lán)光和紫外光的光子，這兩種光線的能量比太陽光譜中其它光線高得多。大多數(shù)太光子，這兩種光線的能量比太陽光譜中其它光線高得多。大多數(shù)太陽能電池都把這額外的能量作為熱量而浪費了。小的納米晶體量陽能電池都把這額外的能量作為熱量而浪費了。小的納米晶體量子點具有量子力學(xué)效應(yīng)，能將這些能量轉(zhuǎn)化為電能。子點具有量子力學(xué)效應(yīng)，能將這些能量轉(zhuǎn)化為電能。 經(jīng)過產(chǎn)生多個電子，由納米晶體硅制成的太陽能電

45、池實際上可以經(jīng)過產(chǎn)生多個電子，由納米晶體硅制成的太陽能電池實際上可以到到40%40%以上的能量轉(zhuǎn)化為電能。而目前太陽電池板的轉(zhuǎn)化效率最多以上的能量轉(zhuǎn)化為電能。而目前太陽電池板的轉(zhuǎn)化效率最多為為20%20%實際上限實際上限27.8%27.8%。借助反射鏡、透鏡聚集太陽光，效率可。借助反射鏡、透鏡聚集太陽光，效率可達(dá)達(dá)40%40%，而納米晶體硅電池那么可升至，而納米晶體硅電池那么可升至60%60%。因此對于光電資料的開。因此對于光電資料的開展，納米晶體硅極具運用潛力。展，納米晶體硅極具運用潛力。 然而，該任務(wù)剛開場，額外電子出現(xiàn)的時間非常短暫，很難然而，該任務(wù)剛開場，額外電子出現(xiàn)的時間非常短暫，很

46、難捕獲進(jìn)展發(fā)電。證明這種效應(yīng)需借助光譜學(xué)等間接方法。捕獲進(jìn)展發(fā)電。證明這種效應(yīng)需借助光譜學(xué)等間接方法。六、高效太陽能電池構(gòu)造六、高效太陽能電池構(gòu)造疊層構(gòu)造疊層構(gòu)造 如前所述，包括多層電池和多層薄膜。每一種半導(dǎo)體只能吸收如前所述，包括多層電池和多層薄膜。每一種半導(dǎo)體只能吸收與與“能帶隙對應(yīng)的特定能量范圍的光子，能帶隙越寬，電池的效能帶隙對應(yīng)的特定能量范圍的光子，能帶隙越寬，電池的效率那么越高。利用兩種不同的半導(dǎo)體層來擴(kuò)展其能量吸收范圍，率那么越高。利用兩種不同的半導(dǎo)體層來擴(kuò)展其能量吸收范圍，最多可以利用陽光能量的。最多可以利用陽光能量的。 美國勞倫斯伯克利國立實驗室的科學(xué)家運用一種稱為美國勞倫斯伯克利國立實驗室的科學(xué)家運用一種稱為“氮化鎵氮化鎵銦的半導(dǎo)體，以每次生長一個原子層的方式消費出純度極高的銦的半導(dǎo)體，以每次生長一個原子層的方式消費出純度極高的氮化鎵銦晶體，大大拓寬了其能帶隙。兩個能帶隙的組合可以使氮化鎵銦晶體，大大拓寬了其能帶隙。兩個能帶隙的組合