太陽能電池板及其工作原理

1、太陽能電池板及其工作原理性能及特點：太陽能電池分為單晶硅太陽電池（堅固耐用，使用壽命一般可達20年。光電轉換效率為15%。）多晶硅太陽電池（其光電轉換效率 約14.5%,材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低非晶硅太 陽電池。）非晶硅太陽能電池（其光電轉換率為 10%成本低，重量輕，應用方便。）殂怦型號標稱功率（w y峰值電壓（V）峰值電流t人）尺寸C mm >重量（ kc iIM-10CFIII12017.56.861454X643X4。10.710D17. 55. 71YM-30FII8017.54 ST1200X526X407.5T517.54.29501T. 52.86YM-2

2、5PIII251T. 51 43751X343X282.6工工工20ITS1.14594 X 343 x 282. 1YM-iaFIII10IT. 50. 57289X343X281.5太陽能發(fā)電原理:太陽能不象煤和石油一樣用交通工具進行運輸，而是應用光學原理，通過光的反射和折射進行直接傳輸，或者將太陽能轉換成其它形式的能量進行間接傳輸。 直接傳輸適用于較短距離。基本上有三種方法:基本上有三種方法：通過反射鏡及其它光學元件組合，改變陽光的傳播方向，達到用能地點；通過光導纖維，可以將入射在其一端的陽光傳輸到另一端，傳輸時光導纖維可任意彎曲；采用表面鍍有高反 射涂層的光導管，通過反射可以將陽光導入

3、室內。間接傳輸適用于各 種不同距離。將太陽能轉換為熱能，通過熱管可將太陽能傳輸到室內； 將太陽能轉換為氫能或其它載能化學材料，通過車輛或管道等可輸送 到用能地點；空間電站將太陽能轉換為電能，通過微波或激光將電能 傳輸到地面。太陽能的光電轉換是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變?yōu)殡?能的過程，通常叫做"光生伏打效應”，太陽電池就是利用這種效應制 成的。當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部 分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光 子則同組成半導體的原子價電子碰撞， 于是產生電子-空穴對。這樣， 光能就以產生電子-空穴對的形式轉變?yōu)殡娔?、如果半?/p>

4、體內存在 P- n結，則在P型和n型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向n區(qū)， 空穴驅向P區(qū)，從而使得n區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在 P-n結附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。光生電場的一部分 除抵銷勢壘電場外，還使 P型層帶正電，n型層帶負電，在n區(qū)與p 區(qū)之間的薄層產生所謂光生伏打電動勢。 若分別在P型層和n型層焊 上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個 電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產生一定的電壓和電流，輸 出功率。太陽能發(fā)電原理圖如下:教你制作太陽能電池第一步:制作二氧化鈦膜(1)先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進行研磨(2)接著用玻璃棒緩慢地

5、在導電玻璃上進行涂膜(3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結1015分鐘，然后冷卻第二步：利用天然染料為二氧化鈦著色如圖所示，把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水并進行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進去進行著色， 大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進去浸泡5分鐘，然后用乙醇沖洗，并用柔軟的紙輕輕地擦干。第三步：制作正電極由染料著色的TiO2為電子流出的一極（即負極）。正電極可由導電玻璃的導電面（涂有導電的SnO膜層）構成，利用一個簡單的萬用 表就可以判斷玻璃的哪一面是可以導電的，利用手指也可以做出判斷，導電面較為粗糙。如圖所示，把非導電面標上+'

6、;,然后用鉛筆在導電面上均勻地涂上一層石墨。第四步：加入電解質利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質，它主要用于還原和再生染料。如圖所示，在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質即第五步：組裝電池把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含 碘和碘離子的電解質，然后把正電極的導電面朝下壓在二氧化鈦膜 上。把兩片玻璃稍微錯開，用兩個夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導線。這樣，你的太陽能電池就做成了。第六步：電池的測試在室外太陽光下，檢測你的太陽能電池是否可以產生電流多晶硅太陽能電池制作工藝眾所周知，利用太陽能有許多優(yōu)點，光伏發(fā)電將為人類提供主要 的能源，但目前來講，要使

7、太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消 費者接受，提高太陽能電池的光電轉換效率，降低生產成本應該是我 們追求的最大目標。從目前國際太陽能電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā) 展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、 化合物基薄膜及染料薄膜）。從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多 晶方向發(fā)展，主要原因為：1可供應太陽能電池的頭尾料愈來愈少； 2對太陽能電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法 所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；3多晶硅的生產工藝不斷取 得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；4由于近十年單晶硅工藝的研究 與發(fā)展很快

8、，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產， 例如選擇腐蝕 發(fā)射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用 絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到 50微米，高度達到15微米以 上，快速熱退火技術用于多晶硅的生產可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅 片上作出的電池轉換效率超過14%。據報道，目前在5060微米多 晶硅襯底上制作的電池效率超過16% ,利用機械刻梢、絲網印刷技 術在100平方厘米多晶上效率超過17%,無機械刻梢在同樣面積上 效率達到16%,采用埋柵結構，機械刻梢在130平方厘米的多晶上 電池效率達到15.8%。下面從兩個方面

9、對多晶硅電池的工藝技術進行討論：1.實驗室高效電池工藝實驗室技術通常不考慮電池制作的成本和是否可以大規(guī)?；a，僅僅研究達到最高效率的方法和途徑，提供特定材料和工藝所能夠達到的極限。對于光吸收主要是：（1）降低表面反射；（2）改變光在電池體內的路徑；（3）采用背面反射。對于單晶硅，應用各向異性化學腐蝕的方法可在（100）表面制作金 字塔狀的絨面結構，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離（100）面，采用上面的方法無法作出均勻的絨面，目前采用下列方法：1激光刻梢用激光刻梢的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結構，在500900nm光譜范圍內，反射率為46%,與表面制作雙層減反射膜相當，而 在（100）面

10、單晶硅化學制作絨面的反射率為 11%。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2電池的短路電流要提高4%左右，這主要是長波光（波長大于 800nm斜射進入電池的原因。激 光制作絨面存在的問題是在刻蝕中，表面造成損傷同時引入一些雜質，要通過化學處理去除表面損傷層。 該方法所作的太陽電池通常短 路電流較高，但開路電壓不太高，主要原因是電池表面積增加，引起 復合電流提高。2化學刻梢應用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液， 也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該方法無法形成各向異 性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據報道，該方法所形成的絨面對7001030微

11、米光譜范圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較 高的溫度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特別對質量較低的多晶 材料，少子壽命縮短。應用該工藝在 225cm2的多晶硅上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網印刷的方法形成。3反應離子腐蝕（RIE）該方法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450 1000微米光譜范圍的反射率可小于2%。僅從光學的角度來看，是一 種理想的方法，但存在的問題是硅表面損傷嚴重，電池的開路電壓和填充因子出現(xiàn)下降。4制作減反射膜層對于高效太陽電池，最常用和最有效的方法是蒸鍍 ZnS/MgF雙層減 反射膜，具最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面

12、的特征， 例 如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍 Ta2O5, PECVDt積Si3N3等，ZnO導電膜也可作為減反材料。1.2金屬化技術在高效電池的制作中，金屬化電極必須與電池的設計參數， 如表面摻 雜濃度、PN結深，金屬材料相匹配。實驗室電池一般面積比較小（面 積小于4cm2 ,所以需要細金屬柵線（小于10微米），一般采用的 方法為光刻、電子束蒸發(fā)、電子鍍。工業(yè)化大生產中也使用電鍍工藝，但蒸發(fā)和光刻結合使用時，不屬于低成本工藝技術。1電子束蒸發(fā)和電鍍通常，應用正膠剝離工藝，蒸鍍 Ti/Pa/Ag多層金屬電極，要減小金 屬電極所引起的串聯(lián)電阻，往往需要金屬層比較厚（810微米），

13、缺點是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷，使表面復合提高。 因此，工藝中，采用短時蒸發(fā)Ti/Pa層，在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個 問題是金屬與硅接觸面較大時，必將導致少子復合速度提高，工藝中， 采用了隧道結接觸的方法，在硅和金屬成間形成一個較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）應用功函數較低的金屬（如鈦等）可在硅 表面感應一個穩(wěn)定的電子積累層（也可引入固定正電荷加深反型）。另 外一種方法是在鈍化層上開出小窗口（小于 2微米），再淀積較寬的 金屬柵線（通常為10微米），形成mushroom- like狀電極，用該方 法在4cm2 Mc-Si上電池的轉換效率達到17.3%。目前，在機械刻梢表面也運用

14、了 Shallow angle （oblique） 技術。1.3 PN結的形成技術1發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜對于高效太陽能電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴散，在金屬電極 下方形成重雜質區(qū)域而在電極間實現(xiàn)淺濃度擴散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴散即增強了電池對藍光的響應，又使硅表面易于鈍化。擴散的方法有 兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝，目前采用選擇擴散， 150mr 150mmi池轉換效率達到16.4%, n+、n+區(qū)域的表面方塊電 阻分別為20Q和80Q。對于Mc-Si材料，擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究， 較長時間 的磷吸雜過程（一般34小時），可使一些Mc-Si的少子擴散長度 提高兩個數量級

15、。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發(fā)現(xiàn)，即便對高濃度的襯第材料，經吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度（大于 200微米），電池的開路電壓大于 638mv,轉換效率超過17%。2背表面場的形成及鋁吸雜技術在Mc-Si電池中，背p+p結由均勻擴散鋁或硼形成，硼源一般為 BN BBr、APCVD SiO2 B2O瞪，鋁擴散為蒸發(fā)或絲網印刷鋁，800度下 燒結所完成，對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究，與磷擴散吸雜不同，鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。 其中體缺陷也參與了雜質的溶 解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質易于溶解進入硅中，對 Mc- Si 產生不利的影響。到目前為至，區(qū)域背場已應用于單晶硅電池工藝

16、中，但在多晶硅中，還是應用全鋁背表面場結構。3雙面Mc-Si電池Mc-Si雙面電池其正面為常規(guī)結構，背面為 N+和P+相互交叉的結 構，這樣，正面光照產生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有 效吸收。背電極作為對正面電極的有效補充， 也作為一個獨立的栽流 子收集器對背面光照和散射光產生作用，據報道，在 AM1.5條件下， 轉換效率超過19%。1.4 表面和體鈍化技術對于Mc-Si,因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜 質、氧、氮及他們的復合物）對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為重要， 除前面提到的吸雜技術外，鈍化工藝有多種方法，通過熱氧化使硅懸 掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使Si

17、-SiO2界面的復合速度大大 下降，其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度、界面態(tài)密度和電子、空 穴的浮獲截面，在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。采用 PECVD 淀積氮化硅近期正面十分有效，因為在成膜的過程中具有加氫的效 果，該工藝也可應用于規(guī)?；a中，應用 Remote PECVD Si3N和 使表面復合速度小于20cm/s。2 .工業(yè)化電池工藝太陽電池從研究室走向工廠，實驗研究走向規(guī)?；a是其發(fā)展的道路，所以能夠達到工業(yè)化生產的特征應該是：1電池的制作工藝能夠滿足流水線作業(yè)；2能夠大規(guī)模、現(xiàn)代化生產；3達到高效、低成本。當然，其主要目標是降低太陽電池的生產成本，目前多晶硅電池的主要發(fā)展方

18、向朝著大面積、薄襯底，例如，市場上可見到125m儲125mm 150mme 150mnfi至更大規(guī)模的單片電池，厚度從原來的 300微米 減小到目前的250、200及200微米以下，效率得到大幅度的提高。日本京磁（Kyocera）公司150mm< 150mm勺電池小批量生產的光電轉換效率達到17.1%,該公司1998年的生產量達到25.4MW絲網印刷及其相關技術多晶硅電池的規(guī)?；a中廣泛使用了絲網印刷工藝，該工藝可用于擴散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲 網材料的改善和工藝水平的提高，絲網印刷工藝在太陽電池的生產中將會得到更加普遍的應用。a.發(fā)射區(qū)的形成利用絲網

19、印刷形成PN結，代替常規(guī)的管式爐擴散工藝。一般在多晶 硅的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料，印刷完成后， 擴散可在網帶爐中完成（通常溫度在 900度），這樣，印刷、烘干、 擴散可形成連續(xù)性生產。絲網印刷擴散技術所形成的發(fā)射區(qū)通常表面 濃度比較高，則表面光生載流子復合較大，為了克服這一缺點，工藝 上采用了下面的選擇發(fā)射區(qū)工藝技術，使電池的轉換效率得到進一步 的提高。b.選擇發(fā)射區(qū)工藝在多晶硅電池的擴散工藝中，選擇發(fā)射區(qū)技術分為局部腐蝕或兩步擴 散法。局部腐蝕為用干法（例如反應離子腐蝕）或化學腐蝕的方法， 將金屬電極之間區(qū)域的重擴散層腐蝕掉。最初，Solarex應用反應離子腐蝕的方法在同一臺設備中，先用大反應功率腐蝕掉金屬電極間的 重摻雜層，再用小功率沉積一層氮化硅薄膜，該膜層發(fā)揮減反射和電 池表面鈍化的雙重作用。在100cm2的多晶上作出車換效率超過13% 的電池。在同樣面積上，應用兩部擴散法，未作機械絨面的情況下轉 換效率達到16%。c.背表面場的形成背PN結通常由絲網印刷A漿料并在網帶爐中熱退火后形成，該工藝 在形成背表面結的同時，對多晶硅中的雜質具有良好的吸除作用， 鋁 吸