太陽(yáng)能電池板及其工作原理

1、太陽(yáng)能電池板及其工作原理性能及特點(diǎn)：太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)電池（堅(jiān)固耐用，使用壽命一般可達(dá)20年。光電轉(zhuǎn)換效率為15%。）多晶硅太陽(yáng)電池（其光電轉(zhuǎn)換效率 約14.5%,材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低非晶硅太 陽(yáng)電池。）非晶硅太陽(yáng)能電池（其光電轉(zhuǎn)換率為 10%成本低，重量輕，應(yīng)用方便。）殂怦型號(hào)標(biāo)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(yáng)能發(fā)電原理:太陽(yáng)能不象煤和石油一樣用交通工具進(jìn)行運(yùn)輸，而是應(yīng)用光學(xué)原理，通過(guò)光的反射和折射進(jìn)行直接傳輸，或者將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量進(jìn)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(guò)反射鏡及其它光學(xué)元件組合，改變陽(yáng)光的傳播方向，達(dá)到用能地點(diǎn)；通過(guò)光導(dǎo)纖維，可以將入射在其一端的陽(yáng)光傳輸?shù)搅硪欢?，傳輸時(shí)光導(dǎo)纖維可任意彎曲；采用表面鍍有高反 射涂層的光導(dǎo)管，通過(guò)反射可以將陽(yáng)光導(dǎo)入

3、室內(nèi)。間接傳輸適用于各 種不同距離。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱管可將太陽(yáng)能傳輸?shù)绞覂?nèi)； 將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過(guò)車輛或管道等可輸送 到用能地點(diǎn)；空間電站將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)微波或激光將電能 傳輸?shù)降孛?。太?yáng)能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽(yáng)的輻射能光子通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?能的過(guò)程，通常叫做"光生伏打效應(yīng)”，太陽(yáng)電池就是利用這種效應(yīng)制 成的。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部 分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光 子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞， 于是產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這樣， 光能就以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、如果半?dǎo)

4、體內(nèi)存在 P- n結(jié)，則在P型和n型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向n區(qū)， 空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得n區(qū)有過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在 P-n結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反光的生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分 除抵銷勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使 P型層帶正電，n型層帶負(fù)電，在n區(qū)與p 區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動(dòng)勢(shì)。 若分別在P型層和n型層焊 上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè) 電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸 出功率。太陽(yáng)能發(fā)電原理圖如下:教你制作太陽(yáng)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(jìn)行研磨(2)接著用玻璃棒緩慢地

5、在導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行涂膜(3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結(jié)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(jìn)行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進(jìn)去進(jìn)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(jìn)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(fù)極）。正電極可由導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面（涂有導(dǎo)電的SnO膜層）構(gòu)成，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的萬(wàn)用 表就可以判斷玻璃的哪一面是可以導(dǎo)電的，利用手指也可以做出判斷，導(dǎo)電面較為粗糙。如圖所示，把非導(dǎo)電面標(biāo)上+'

6、;,然后用鉛筆在導(dǎo)電面上均勻地涂上一層石墨。第四步：加入電解質(zhì)利用含碘離子的溶液作為太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)，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(zhì)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(zhì)，然后把正電極的導(dǎo)電面朝下壓在二氧化鈦膜 上。把兩片玻璃稍微錯(cuò)開(kāi)，用兩個(gè)夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導(dǎo)線。這樣，你的太陽(yáng)能電池就做成了。第六步：電池的測(cè)試在室外太陽(yáng)光下，檢測(cè)你的太陽(yáng)能電池是否可以產(chǎn)生電流多晶硅太陽(yáng)能電池制作工藝眾所周知，利用太陽(yáng)能有許多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電將為人類提供主要 的能源，但目前來(lái)講，要使

7、太陽(yáng)能發(fā)電具有較大的市場(chǎng)，被廣大的消 費(fèi)者接受，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我 們追求的最大目標(biāo)。從目前國(guó)際太陽(yáng)能電池的發(fā)展過(guò)程可以看出其發(fā) 展趨勢(shì)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(lái)看，重心已由單晶向多 晶方向發(fā)展，主要原因?yàn)椋?可供應(yīng)太陽(yáng)能電池的頭尾料愈來(lái)愈少； 2對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)講，方形基片更合算，通過(guò)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(chǎn)工藝不斷取 得進(jìn)展，全自動(dòng)澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時(shí)）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級(jí)；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(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)， 例如選擇腐蝕 發(fā)射結(jié)、背表面場(chǎng)、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極，采用 絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到 50微米，高度達(dá)到15微米以 上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時(shí)間，單片熱工序時(shí)間可在一分鐘之內(nèi)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(zhuǎn)換效率超過(guò)14%。據(jù)報(bào)道，目前在5060微米多 晶硅襯底上制作的電池效率超過(guò)16% ,利用機(jī)械刻梢、絲網(wǎng)印刷技 術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過(guò)17%,無(wú)機(jī)械刻梢在同樣面積上 效率達(dá)到16%,采用埋柵結(jié)構(gòu)，機(jī)械刻梢在130平方厘米的多晶上 電池效率達(dá)到15.8%。下面從兩個(gè)方面

9、對(duì)多晶硅電池的工藝技術(shù)進(jìn)行討論：1.實(shí)驗(yàn)室高效電池工藝實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通常不考慮電池制作的成本和是否可以大規(guī)?；a(chǎn)，僅僅研究達(dá)到最高效率的方法和途徑，提供特定材料和工藝所能夠達(dá)到的極限。對(duì)于光吸收主要是：（1）降低表面反射；（2）改變光在電池體內(nèi)的路徑；（3）采用背面反射。對(duì)于單晶硅，應(yīng)用各向異性化學(xué)腐蝕的方法可在（100）表面制作金 字塔狀的絨面結(jié)構(gòu)，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(wú)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(jié)構(gòu)，在500900nm光譜范圍內(nèi)，反射率為46%,與表面制作雙層減反射膜相當(dāng)，而 在（100）面

10、單晶硅化學(xué)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(zhǎng)波光（波長(zhǎng)大于 800nm斜射進(jìn)入電池的原因。激 光制作絨面存在的問(wèn)題是在刻蝕中，表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì)，要通過(guò)化學(xué)處理去除表面損傷層。 該方法所作的太陽(yáng)電池通常短 路電流較高，但開(kāi)路電壓不太高，主要原因是電池表面積增加，引起 復(fù)合電流提高。2化學(xué)刻梢應(yīng)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(wú)法形成各向異 性腐蝕所形成的那種尖錐狀結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，該方法所形成的絨面對(duì)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(duì)質(zhì)量較低的多晶 材料，少子壽命縮短。應(yīng)用該工藝在 225cm2的多晶硅上所作電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%。掩膜層也可用絲網(wǎng)印刷的方法形成。3反應(yīng)離子腐蝕（RIE）該方法為一種無(wú)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(xué)的角度來(lái)看，是一 種理想的方法，但存在的問(wèn)題是硅表面損傷嚴(yán)重，電池的開(kāi)路電壓和填充因子出現(xiàn)下降。4制作減反射膜層對(duì)于高效太陽(yáng)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(dǎo)電膜也可作為減反材料。1.2金屬化技術(shù)在高效電池的制作中，金屬化電極必須與電池的設(shè)計(jì)參數(shù)， 如表面摻 雜濃度、PN結(jié)深，金屬材料相匹配。實(shí)驗(yàn)室電池一般面積比較?。?積小于4cm2 ,所以需要細(xì)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(chǎn)中也使用電鍍工藝，但蒸發(fā)和光刻結(jié)合使用時(shí)，不屬于低成本工藝技術(shù)。1電子束蒸發(fā)和電鍍通常，應(yīng)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(diǎn)是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷，使表面復(fù)合提高。 因此，工藝中，采用短時(shí)蒸發(fā)Ti/Pa層，在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個(gè) 問(wèn)題是金屬與硅接觸面較大時(shí)，必將導(dǎo)致少子復(fù)合速度提高，工藝中， 采用了隧道結(jié)接觸的方法，在硅和金屬成間形成一個(gè)較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）應(yīng)用功函數(shù)較低的金屬（如鈦等）可在硅 表面感應(yīng)一個(gè)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(kāi)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(zhuǎn)換效率達(dá)到17.3%。目前，在機(jī)械刻梢表面也運(yùn)用

14、了 Shallow angle （oblique） 技術(shù)。1.3 PN結(jié)的形成技術(shù)1發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜對(duì)于高效太陽(yáng)能電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采用選擇擴(kuò)散，在金屬電極 下方形成重雜質(zhì)區(qū)域而在電極間實(shí)現(xiàn)淺濃度擴(kuò)散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴(kuò)散即增強(qiáng)了電池對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)，又使硅表面易于鈍化。擴(kuò)散的方法有 兩步擴(kuò)散工藝、擴(kuò)散加腐蝕工藝和掩埋擴(kuò)散工藝，目前采用選擇擴(kuò)散， 150mr 150mmi池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%, n+、n+區(qū)域的表面方塊電 阻分別為20Q和80Q。對(duì)于Mc-Si材料，擴(kuò)磷吸雜對(duì)電池的影響得到廣泛的研究， 較長(zhǎng)時(shí)間 的磷吸雜過(guò)程（一般34小時(shí)），可使一些Mc-Si的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度 提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)

15、。在對(duì)襯底濃度對(duì)吸雜效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，即便對(duì)高濃度的襯第材料，經(jīng)吸雜也能夠獲得較大的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度（大于 200微米），電池的開(kāi)路電壓大于 638mv,轉(zhuǎn)換效率超過(guò)17%。2背表面場(chǎng)的形成及鋁吸雜技術(shù)在Mc-Si電池中，背p+p結(jié)由均勻擴(kuò)散鋁或硼形成，硼源一般為 BN BBr、APCVD SiO2 B2O瞪，鋁擴(kuò)散為蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷鋁，800度下 燒結(jié)所完成，對(duì)鋁吸雜的作用也開(kāi)展了大量的研究，與磷擴(kuò)散吸雜不同，鋁吸雜在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。 其中體缺陷也參與了雜質(zhì)的溶 解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質(zhì)易于溶解進(jìn)入硅中，對(duì) Mc- Si 產(chǎn)生不利的影響。到目前為至，區(qū)域背場(chǎng)已應(yīng)用于單晶硅電池工藝

16、中，但在多晶硅中，還是應(yīng)用全鋁背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)。3雙面Mc-Si電池Mc-Si雙面電池其正面為常規(guī)結(jié)構(gòu)，背面為 N+和P+相互交叉的結(jié) 構(gòu)，這樣，正面光照產(chǎn)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(duì)正面電極的有效補(bǔ)充， 也作為一個(gè)獨(dú)立的栽流 子收集器對(duì)背面光照和散射光產(chǎn)生作用，據(jù)報(bào)道，在 AM1.5條件下， 轉(zhuǎn)換效率超過(guò)19%。1.4 表面和體鈍化技術(shù)對(duì)于Mc-Si,因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子、金屬雜 質(zhì)、氧、氮及他們的復(fù)合物）對(duì)材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化尤為重要， 除前面提到的吸雜技術(shù)外，鈍化工藝有多種方法，通過(guò)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(fù)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?yàn)樵诔赡さ倪^(guò)程中具有加氫的效 果，該工藝也可應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)中，應(yīng)用 Remote PECVD Si3N和 使表面復(fù)合速度小于20cm/s。2 .工業(yè)化電池工藝太陽(yáng)電池從研究室走向工廠，實(shí)驗(yàn)研究走向規(guī)?；a(chǎn)是其發(fā)展的道路，所以能夠達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的特征應(yīng)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(chǎn)；3達(dá)到高效、低成本。當(dāng)然，其主要目標(biāo)是降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)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(chǎng)上可見(jiàn)到125m儲(chǔ)125mm 150mme 150mnfi至更大規(guī)模的單片電池，厚度從原來(lái)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(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.1%,該公司1998年的生產(chǎn)量達(dá)到25.4MW絲網(wǎng)印刷及其相關(guān)技術(shù)多晶硅電池的規(guī)?；a(chǎn)中廣泛使用了絲網(wǎng)印刷工藝，該工藝可用于擴(kuò)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(wǎng)材料的改善和工藝水平的提高，絲網(wǎng)印刷工藝在太陽(yáng)電池的生產(chǎn)中將會(huì)得到更加普遍的應(yīng)用。a.發(fā)射區(qū)的形成利用絲網(wǎng)

19、印刷形成PN結(jié)，代替常規(guī)的管式爐擴(kuò)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(kuò)散可在網(wǎng)帶爐中完成（通常溫度在 900度），這樣，印刷、烘干、 擴(kuò)散可形成連續(xù)性生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷擴(kuò)散技術(shù)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(fù)合較大，為了克服這一缺點(diǎn)，工藝 上采用了下面的選擇發(fā)射區(qū)工藝技術(shù)，使電池的轉(zhuǎn)換效率得到進(jìn)一步 的提高。b.選擇發(fā)射區(qū)工藝在多晶硅電池的擴(kuò)散工藝中，選擇發(fā)射區(qū)技術(shù)分為局部腐蝕或兩步擴(kuò) 散法。局部腐蝕為用干法（例如反應(yīng)離子腐蝕）或化學(xué)腐蝕的方法， 將金屬電極之間區(qū)域的重?cái)U(kuò)散層腐蝕掉。最初，Solarex應(yīng)用反應(yīng)離子腐蝕的方法在同一臺(tái)設(shè)備中，先用大反應(yīng)功率腐蝕掉金屬電極間的 重?fù)诫s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(guò)13% 的電池。在同樣面積上，應(yīng)用兩部擴(kuò)散法，未作機(jī)械絨面的情況下轉(zhuǎn) 換效率達(dá)到16%。c.背表面場(chǎng)的形成背PN結(jié)通常由絲網(wǎng)印刷A漿料并在網(wǎng)帶爐中熱退火后形成，該工藝 在形成背表面結(jié)的同時(shí)，對(duì)多晶硅中的雜質(zhì)具有良好的吸除作用， 鋁 吸