學(xué)習(xí)情境太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和制備

學(xué)習(xí)情境太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和制備第一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)P-N結(jié)不是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合制備PN結(jié)方式：合金法（早期使用）擴(kuò)散法（最簡(jiǎn)單、最常用）離子注入法薄膜生長(zhǎng)法（最新）第二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日按結(jié)構(gòu)分類按基質(zhì)材料和擴(kuò)散雜質(zhì)不同而分類：基質(zhì)材料為P型，擴(kuò)散雜質(zhì)為N型，N型材料為受光面；基質(zhì)材料為N型，擴(kuò)散雜質(zhì)為P型，P型材料為受光面；第三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日基質(zhì)材料：P型擴(kuò)散材料：N型表面：減反涂層背面：背電場(chǎng)（正極）第四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日工作原理PN結(jié)結(jié)合，由于濃度梯度，P型區(qū)空穴、N型區(qū)電子分別互擴(kuò)散，形成空間電荷區(qū)（空間電場(chǎng)，電場(chǎng)由N指向P）。第五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)用太陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，光子能量將使電池片內(nèi)部電子激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)電子向帶正電的N區(qū)移動(dòng)，空穴向帶負(fù)電的P區(qū)移動(dòng)；最后造成太陽(yáng)能電池受光面（上表面）有大量負(fù)電荷（電子）累積，在電池背光面（下表面）有大量正電荷（空穴）累積；在電池上、下表面做金屬電極，并用導(dǎo)線接上負(fù)載，在負(fù)載上就有電流流過(guò)；第六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能電池制造工藝以單晶硅電池為例：?jiǎn)尉О衾疲≒型）晶片加工（切割，300μm）腐蝕、清洗（目的？）擴(kuò)磷（形成P-N結(jié)）制作減反膜制作上下電極（蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷）第七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日絨面結(jié)構(gòu)：選擇擇優(yōu)腐蝕，可以在晶片表面形成金字塔結(jié)構(gòu)，稱為絨面結(jié)構(gòu)，又叫表面織構(gòu)化；作用：比平整的化學(xué)拋光片表面具有更好的減反射效果，能夠更好地吸收和利用太陽(yáng)光。第八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)勢(shì)：當(dāng)一束光線照射在平整的拋光硅片上時(shí)，約有30%的太陽(yáng)光會(huì)被反射掉；如果光線照射在金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)上，反射的光線會(huì)進(jìn)一步照射在相鄰的絨面結(jié)構(gòu)上，減少了太陽(yáng)光的反射；同時(shí)，光線斜射入晶體中，從而增加了太陽(yáng)光在硅片內(nèi)部的有效運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，也就是增加了光線被吸收的機(jī)會(huì)。第九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日制備絨面結(jié)構(gòu)腐蝕液：NaOH或KOH（利用其各向異性腐蝕特性進(jìn)行腐蝕）；

Si+2NaOH+H2ONaSiO3+H2由于絨面結(jié)構(gòu)，使得硅片表面的反射率大大降低，表面呈黑色；第十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日P-N結(jié)制備原材料：（100）方向摻硼的P型硅作為基底；制作工藝：900℃，通過(guò)擴(kuò)散磷形成N型半導(dǎo)體，形成P-N結(jié)；擴(kuò)磷方式：氣態(tài)源擴(kuò)散、固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散；第十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日氣態(tài)磷源：磷烷（P2H5）反應(yīng)式：2P2H54P+5H2固態(tài)磷源：磷玻璃片（Al（PO3）3）反應(yīng)式：（Al（PO3）3）AlPO4+P2O5

2P2O5+5Si5SiO2+4P第十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能電池片擴(kuò)散爐第十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日石英舟（裝片用）第十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日石英管第十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日補(bǔ)充：固態(tài)磷擴(kuò)散還可以利用絲網(wǎng)印刷、噴涂、旋涂、化學(xué)氣相淀積等技術(shù)，在硅片表面沉積一層磷的化合物；通常是P2O5，然后再高溫下和硅反應(yīng)，生成單質(zhì)磷原子，擴(kuò)散到晶片內(nèi)部，形成P-N結(jié)。第十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日液態(tài)磷源：三氯氧磷（可得到較高的表面濃度）反應(yīng)式：

5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si5SiO2+4P為使P-N結(jié)處有盡量多的光線到達(dá)，P-N結(jié)的結(jié)深要盡量淺，一般為250nm，甚至更淺；擴(kuò)散時(shí)采用兩步擴(kuò)散法：預(yù)淀積、再擴(kuò)散；第十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日去PSG膜何謂PSG膜？磷硅玻璃，二氧化硅（SiO2中加磷元素）；如何產(chǎn)生？

5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si5SiO2+4P在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2；必須去除，否則影響光線的入射，影響吸收效率；第十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日腐蝕液：

HF（氫氟酸）

SiO2+4HFSiF4+2H2O第十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日鋁背場(chǎng)（背電極）目的：為了改善太陽(yáng)能電池的效率，在P-N結(jié)制備完成后，在硅片背面，即背光面沉積一層鋁膜，制備P+層，稱為鋁背場(chǎng)，是為了減少少數(shù)載流子在背面復(fù)合的幾率；也可作為背面的金屬電極；制備方式：濺射第二十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電池背場(chǎng)第二十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日電池背面與正面第二十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日金屬電極第二十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日傳統(tǒng)制備方式：真空蒸發(fā)、電鍍?nèi)秉c(diǎn)：成本昂貴、工藝復(fù)雜；受光面的金屬會(huì)阻擋太陽(yáng)光線，減少太陽(yáng)光的吸收；要求金屬電極占表面的面積越小越好；目前采用絲網(wǎng)印刷方式，在太陽(yáng)能電池的兩面制備成梳齒狀的金屬電極；典型金屬電極膜厚為10~25μm，寬度為150~250μm；材料：超細(xì)純銀或鉛作為主體金屬，然后配一定的輔助劑制成膏狀，形成印刷漿料；第二十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日減反射層目的：與表面絨面結(jié)構(gòu)一樣，可有效的減少太陽(yáng)光的反射。減反射效果取決于反射膜的折射率及厚度。原理：利用減反射膜在上、下表面所產(chǎn)生的光程差，使得兩束反射光疊加相消，從而減少反射，增加透射；材料要求：具有很好的透光性，對(duì)光線的吸收越少越好；同時(shí)具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，良好的硅片粘接性；第二十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日減反射層材料TiO2SnO2SiO2SiNx（x≤2是常用的減反射膜）MgF2其厚度大都在60~100nm左右；制備方法：化學(xué)氣相淀積、等離子體化學(xué)氣相淀積、噴涂、濺射、蒸發(fā)。。。。。第二十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日Si3N4（氮化硅）一種良好的減反射膜；具有良好的絕緣性、致密性、穩(wěn)定性和對(duì)雜質(zhì)離子的掩蔽能力；具有良好的光學(xué)性能，折射率較大；在制備過(guò)程中，會(huì)對(duì)硅片產(chǎn)生氫鈍化作用，可以明顯改善太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率；第二十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日氮化硅制備常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）700~1000℃低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）750℃等離子體化學(xué)氣相淀積（PECVD）300~400℃PECVD優(yōu)點(diǎn)：淀積溫度低，對(duì)少子壽命影響?。簧a(chǎn)能耗低；淀積速度快，生產(chǎn)效率高；第二十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日PECVD淀積氮化硅膜原理：

3SiH4+4NH3Si3N4+12H2第二十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日薄膜太陽(yáng)電池硅材料缺陷：禁帶寬度窄，光電轉(zhuǎn)換效率較低；光吸收系數(shù)較低（欲吸收95%的太陽(yáng)光，硅電池需要150μm的厚度，而GaAs材料只需5~10μm）；硅材料需要多次提純，相對(duì)成本較高；硅太陽(yáng)電池尺寸相對(duì)較小，若組成光伏系統(tǒng)，需要數(shù)十個(gè)相同的硅太陽(yáng)電池連接起來(lái)；第三十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日薄膜太陽(yáng)電池優(yōu)點(diǎn)：電池厚度只有1~10μm，制備在玻璃等相對(duì)廉價(jià)的襯底支撐材料上，因此，可以實(shí)現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。主要的薄膜電池材料：GaAs薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池CuInSe薄膜太陽(yáng)能電池CdTe（碲di化鎘）薄膜太陽(yáng)能電池第三十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日GaAs薄膜太陽(yáng)能電池GaAs材料優(yōu)點(diǎn)：直接能帶結(jié)構(gòu)，禁帶寬度較寬，光譜響應(yīng)特性好，因此其光電轉(zhuǎn)換效率較高；耐高溫性、抗輻射性好；缺點(diǎn)：生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，能耗大；生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高；僅僅使用在空間中；第三十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日GaAs電池材料制備早期：n型GaAs體單晶，通過(guò)擴(kuò)散工藝，在表層擴(kuò)散P型摻雜劑（Zn），形成P型GaAs層，構(gòu)成P-N結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。缺陷：

GaAs體電池復(fù)合速率很高，電池轉(zhuǎn)換效率一直不高，其生產(chǎn)成本也很高；現(xiàn)在采用液相外延（LPE）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延（MOCVD）等生長(zhǎng)技術(shù)，在GaAs單晶襯底上，生長(zhǎng)n型或p型GaAs薄膜，構(gòu)成GaAs薄膜太陽(yáng)能電池；第三十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日液相外延（LPE）在GaAs單晶襯底上，利用低熔點(diǎn)的金屬（如Ga、In）作為溶劑；加入GaAs材料和摻雜劑（如Zn、Te等），作為溶質(zhì)；在一定溫度下，使溶質(zhì)在溶劑中呈飽和狀態(tài)；逐漸降溫，使溶質(zhì)在溶劑中呈過(guò)飽和狀態(tài)，而從溶劑中析出，在襯底上結(jié)晶；加入不同的摻雜劑，可以分別實(shí)現(xiàn)n型GaAs或p型GaAs；第三十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日早期的單結(jié)GaAs薄膜電池都是采用液相外延制備；生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低；難以實(shí)現(xiàn)外延層參數(shù)的精確控制和異質(zhì)外延生長(zhǎng)；只吸收特定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜，而且同質(zhì)的GaAs界面的表面復(fù)合幾率較大；第三十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日解決方法：將兩種或兩種以上的不同禁帶寬度的薄膜材料疊加在一起，可以形成雙結(jié)、三結(jié)或四結(jié)疊層的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)（見(jiàn)教材圖3.13），吸收更多的太陽(yáng)能光譜，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；但是，LPE技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。第三十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日20實(shí)際80年代以后，MOCVD薄膜生長(zhǎng)技術(shù)出現(xiàn)，為多結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用創(chuàng)造了可能！第三十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日兩種結(jié)構(gòu)：雙結(jié)AlGaAs/GaAs薄膜太陽(yáng)能電池雙結(jié)GaInP/GaAs薄膜太陽(yáng)能電池（界面復(fù)合速率低，電池抗輻射性能好，具有更好的光電性能和更長(zhǎng)的壽命）新提出三結(jié)、四結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。第三十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池特點(diǎn)：重量輕、工藝簡(jiǎn)單、成本低、能耗少；用途：電子計(jì)算器、手表、路燈等消費(fèi)產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)：pin結(jié)構(gòu)（i：絕緣層）第四十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日非晶硅薄膜電池第四十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日原因：非晶硅晶體原子無(wú)周期性排列，對(duì)載流子具有很強(qiáng)的散射作用；載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，使得光生載流子在太陽(yáng)能電池中只有漂移運(yùn)動(dòng)而無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；隧道電流占主導(dǎo)地位，使其呈電阻特性，而無(wú)整流特性；不能制作太陽(yáng)能電池；第四十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日在P層和N層之間加入較厚的本征層i，以抑制其隧道電流；為解決光生載流子由于擴(kuò)散限制而很快復(fù)合的問(wèn)題，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池一般被設(shè)計(jì)成pin結(jié)構(gòu)；

p：入射光層

i：本征吸收層

n：基底層第四十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日光生伏特原理：入射光穿過(guò)P型入射光層，在本征吸收層中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，很快被內(nèi)建電場(chǎng)分開(kāi)，空穴漂移到P層，電子漂移到N層，形成光生電流和光生電壓。pin+++++++++－－－－－－－

第四十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)單結(jié)；在玻璃、不銹鋼、陶瓷、塑料等柔性襯底上，制備pin非晶硅層。玻璃襯底：玻璃／ＴＣＯ／ｐ－ａ－ＳｉＣ：Ｈ／ｉ－ａ－Ｓｉ：Ｈ／ｎ－Ｓｉ：Ｈ／ＴＣＯ／Ａｌ不銹鋼襯底：不銹鋼/ZnO/n-a-Si：H/i-a-Si（Ge）：H/p-Si：H/ITO（氧化銦錫）第四十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日制備工藝流程：清洗和烘干玻璃襯底生長(zhǎng)透明導(dǎo)電膜（TCO）激光切割生長(zhǎng)pin非晶硅結(jié)構(gòu)蒸發(fā)、濺射鋁膜切割制成電極（或直接掩膜蒸發(fā)鋁膜）第四十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日玻璃/TCOAl（金屬接觸層）第四十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日問(wèn)題：為了增加光電轉(zhuǎn)換效率，一般盡量增加光敏區(qū)i層的厚度；非晶硅中載流子的遷移率很低，因此，需要有足夠電場(chǎng)強(qiáng)度的內(nèi)建電場(chǎng)將光生載流子輸送到電極。為了保證內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，本征i層又盡量薄；所以，pin結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的i層厚度設(shè)計(jì)在500nm左右；p層、n層的厚度要盡量薄，一般設(shè)計(jì)在10nm數(shù)量級(jí)；第四十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日非晶硅薄膜制備化學(xué)氣相淀積輝光放電濺射真空濺射熱絲蒸發(fā)等離子體化學(xué)氣相淀積第四十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日常用淀積反應(yīng)式：

SiH4Si+2H2摻雜劑：磷烷（PH5），獲得n型非晶硅；硼烷（B2H6），獲得p型非晶硅；第五十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日非晶硅薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率低非晶硅帶隙較寬，但實(shí)際可以利用的太陽(yáng)光譜主要光譜段是0.05~0.7μm，相對(duì)較窄；摻雜雜質(zhì)離化形成的電子或空穴僅有一定比例的部分成為自由電子，而且，非晶硅缺陷多，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，電流很??；因此，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓比預(yù)期值要小；第五十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日解決這些問(wèn)題比較困難，可通過(guò)利用不同光學(xué)帶隙的材料通過(guò)改善非晶硅薄膜電池的設(shè)計(jì)以增加電池的效率。第五十二頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日解決方式將太陽(yáng)能電池窗口材料的p型的a-Si薄膜改為帶隙更寬的材料，如p型的a-SiC：H或p型的a-SiN：H薄膜材料，以減少光線在表面的吸收；多級(jí)帶隙材料結(jié)構(gòu)，即利用多層不同寬帶隙材料的疊加以替代p型的a-Si薄膜，盡量增加長(zhǎng)波長(zhǎng)光線的吸收，使得非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的吸收光譜最大地接近太陽(yáng)光譜；第五十三頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日第五十四頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池成本較高，非晶硅薄膜電池效率較低，而且存在光衰減現(xiàn)象；在廉價(jià)襯底上制備多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成為目前國(guó)際上研究的重點(diǎn)；多晶硅薄膜電池優(yōu)勢(shì)：襯底便宜、硅用料少；無(wú)光的衰減現(xiàn)象；結(jié)合單晶硅和非晶硅的優(yōu)點(diǎn)；第五十五頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日多晶硅薄膜電池缺陷：晶粒較小，光電轉(zhuǎn)換效率依然較低；到目前為止，依然未有大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)；第五十六頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日多晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)與單晶硅電池結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于材料的形式不同；襯底材料：玻璃、晶體硅、多晶硅、SiC等；減反層n-Sip-Si襯底第五十七頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日制備工藝：基底選擇p型多晶硅薄膜制備（等離子體化學(xué)氣相淀積、濺射、液相外延）擴(kuò)磷，形成n型多晶硅薄膜減反層制備。。。。。。。第五十八頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日CdTe薄膜太陽(yáng)能電池優(yōu)勢(shì)：禁帶寬度寬（1.45ev）；生產(chǎn)成本低；相對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率高；可大面積生產(chǎn)；是一種具有重要應(yīng)用前景的薄膜太陽(yáng)能電池；第五十九頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日CdTe薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)純的SnO2是透明的n型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度在3.6ev，透光率在80%以上；摻入1%的Sb等雜質(zhì)，可使SnO2的導(dǎo)電能力大大提高，變?yōu)榱己玫膶?dǎo)體；玻璃（襯底）SnO2（透明導(dǎo)電膜）CdS（n型窗口層）CdTe（p型電池材料）背面接觸金屬層第六十頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日SnO2的制備常壓化學(xué)氣相淀積低壓化學(xué)氣相淀積磁控濺射（原料：SnO2和Sb2O3）熱分解成膜（原料：SnO4或SnCl4）磁控濺射和熱分解已在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)式：

SnCl4+2H2O

SnO2+4HCl第六十一頁(yè)，共六十七頁(yè)，2022年，8月28日如何提高SnO2的光透率及電導(dǎo)率？為了增加電導(dǎo)率，在制備過(guò)程中，通常需要加入NHF4、SbCl3的材料；摻銻的SnO2薄膜簡(jiǎn)稱ATO，摻氟的SnO2薄膜簡(jiǎn)稱FTO；除SnO2薄膜以外，ZnO、In2O3薄膜也常被用作導(dǎo)電膜；第六十二頁(yè)，共六十七