光伏材料及太陽能電池課件

.1第4章

光伏材料及太陽能電池

.2太陽能電池概述

太陽能光伏電池——太陽能

電能

.34.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

（1）自由電子與自由電子濃度物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，電子受原子核的作用，按一定的軌道繞核高速運動。能在晶體中自由運動的電子，稱為“自由電子”，它是導(dǎo)體導(dǎo)電的電荷粒子。自由電子濃度：單位體積中自由電子的數(shù)量，稱為自由電子濃度，用n表示，它是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素之一。

.4

（2）晶體中自由電子的運動由于晶體內(nèi)原子的振動，自由電子在晶體中做雜亂無章的運動。

電流：導(dǎo)體中的自由電子在電場力作用下的定向運動形成電流。

遷移率：在單位電場強度（1V/cm）下，定向運動的自由電子的“直線速度”，稱為自由電子的遷移率，用

表示，這也是決定物體導(dǎo)電能力的主要因素。

電導(dǎo)率：表征物體導(dǎo)電能力的物理量，用

表示,=en

電阻：導(dǎo)體中的自由電子定向運動形成電流所受到的“阻力”，它也表征表征物體導(dǎo)電能力。導(dǎo)體的電阻特性用電阻率

表示（

=1/

）。導(dǎo)體電阻4.1太陽能光伏發(fā)電原理.54.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強的物體，電阻率為10-9~l0-6

cm

；

絕緣體，不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計的物體，電阻率為108~l020

cm

；

半導(dǎo)體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體，電阻率為10-5~l07

cm

。

導(dǎo)電機理：金屬導(dǎo)體導(dǎo)電是自由電子（n恒定）在電場力作用下的定向運動，電導(dǎo)率基本恒定；半導(dǎo)體導(dǎo)電是電子和空穴在電場力作用下的定向運動。電子和空穴的濃度隨溫度、雜質(zhì)含量、光照等變化較大，影響其導(dǎo)電能力。.64.1太陽能光伏發(fā)電原理2.硅的晶體結(jié)構(gòu)

（1）硅的原子結(jié)構(gòu)

硅(Si)原子，原子序數(shù)14，原子核外14個電子，繞核運動，分層排列：內(nèi)層2個電子(滿)，第二層8個電子(滿)，第三層4個電子(不滿)，如圖3-1所示。圖3-1硅的原子結(jié)構(gòu)及其原子能級.74.1太陽能光伏發(fā)電原理

（2）硅的晶體結(jié)構(gòu)

硅晶體中的硅原子在空間按面心立方晶格結(jié)構(gòu)無限排列，長程有序。每個硅原子近鄰有四個硅原子，每兩個硅原子間有一對電子與這兩個原子的原子核都有相互作用，稱為共價鍵。基于共價鍵作用，是硅原子緊密地結(jié)合在一起，構(gòu)成晶體。圖3-2硅的晶胞結(jié)構(gòu).84.1太陽能光伏發(fā)電原理硅晶體和所有的晶體都是由原子(或離子、分子)在空間按一定規(guī)則排列而成。這種對稱的、有規(guī)則的排列叫做晶體的晶格。一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重復(fù)排列，即長程有序，就稱其為單晶體。在硅晶體中，每個硅原子近鄰有四個硅原子，每兩個相鄰原子之間有一對電子，它們與兩個相鄰原子核都有相互作用，稱為共價鍵。正是靠共價鍵的作用，使硅原子緊緊結(jié)合在一起，構(gòu)成了晶體。由許多小顆粒單晶雜亂無章地排列在一起的固體稱為多晶體。非晶體沒有上述特征，但仍保留了相互間的結(jié)合形式，如一個硅原子仍有四個共價鍵，短程看是有序的，長程無序，這樣的材料稱為非晶體，也叫做無定形材料。.94.1太陽能光伏發(fā)電原理

3.能級和能帶圖

電子在原子中的軌道運動狀態(tài)具有不同的能量—能級(E),

單一的電子能級，分裂成能量非常接近但又大小不同的許多電子能級，形成一個“能帶”。圖3-3單原子的電子能級對應(yīng)的固體能帶

.104.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

電子只能在各能帶內(nèi)運動，能帶之間的區(qū)域沒有電子態(tài),這個區(qū)域叫做“禁帶”，用Eg

表示。完全被電子填滿的能帶稱為“滿帶”，最高的滿帶容納價電子，稱為“價帶”,價帶上面完全沒有電子的稱為“空帶”。

有的能帶只有部分能級上有電子,一部分能級是空的。這種部分填充的能帶,在外電場的作用下,可以產(chǎn)生電流。

而沒有被電子填滿、處于最高滿帶上的一個能帶稱為“導(dǎo)帶”。

.114.1太陽能光伏發(fā)電原理

4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

(a)金屬(b)半導(dǎo)體(c)絕緣體圖3-4金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶.124.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

圖3-4晶體的能帶.134.1太陽能光伏發(fā)電原理4.禁帶、價帶和導(dǎo)帶

禁帶寬度Eg價電子要從價帶越過禁帶跳躍到導(dǎo)帶里去參與導(dǎo)電運動，必須從外界獲得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是導(dǎo)帶底部與價帶頂部之間的能量差，稱為“禁帶寬度”或“帶隙”

表3-1半導(dǎo)體材料的禁帶寬度

材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.6.144.1太陽能光伏發(fā)電原理

金屬與半導(dǎo)體的區(qū)別：金屬的導(dǎo)帶和價帶重疊在一起，不存在禁帶，在一切條件下具有良好的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體有一定的禁帶寬度，價電子必須獲得一定的能量（>Eg）“激發(fā)”到導(dǎo)帶才具有導(dǎo)電能力。激發(fā)的能量可以是熱或光的作用。

常溫下，每立方厘米的硅晶體，導(dǎo)帶上約有l(wèi)010個電子，每立方厘米的導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶中約有1022個電子。絕緣體禁帶寬度遠大于半導(dǎo)體，常溫下激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子非常少，固其電導(dǎo)率很低

。.154.1太陽能光伏發(fā)電原理5.電子和空穴

電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶（自由電子）后，在價帶中留下一個空位，稱為空穴，空穴移動也可形成電流。電子的這種躍遷形成電子-空穴對。電子和空穴都稱為載流子。

電子-空穴對不斷產(chǎn)生，又不斷復(fù)合。圖3-5具有一個斷鍵的硅晶體.164.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體

晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價元素磷(P)—

N型硅

：自由電子數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少—少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。

摻雜少量的三價元素硼(B)

—P型硅：空穴數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；自由電子數(shù)量很少—少數(shù)載流子(少子)?？昭ㄐ桶雽?dǎo)體或p型半導(dǎo)體。圖3-6n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu).174.1太陽能光伏發(fā)電原理6.摻雜半導(dǎo)體-雜質(zhì)能級在摻雜半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子的能級處于禁帶之中，形成雜質(zhì)能級。五價雜質(zhì)原子形成施主能級，位于導(dǎo)帶的下面；三價雜質(zhì)原子形成受主能級，位于價帶的上面(圖3-7)。施主（或受主）能級上的電子（或空穴）跳躍到導(dǎo)帶（或價帶）中去的過程稱為電離。電離過程所需的能量就是電離能（很小0.04eV

），摻雜雜質(zhì)幾乎全部電離。

圖3-7施主和受主能級.184.1太陽能光伏發(fā)電原理7.載流子的產(chǎn)生與復(fù)合由于晶格的熱振動，電子不斷從價帶被“激發(fā)”到導(dǎo)帶，形成一對電子和空穴（即電子-空穴對），這就是載流子產(chǎn)生的過程。電子和空穴在晶格中的運動是無規(guī)則的導(dǎo)帶中的電子落進價帶的空能級，使一對電子和空穴消失。這種現(xiàn)象叫做電子和空穴的復(fù)合，即載流子復(fù)合。

一定的溫度下晶體內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合的電子-空穴對數(shù)目達到相對平衡，晶體的總載流子濃度保持不變，熱平衡狀態(tài)。由于光照作用，產(chǎn)生光生電子-空穴對，電子和空穴的產(chǎn)生率就大于復(fù)合率，形成非平衡載流子，稱為光生載流子。

.194.1太陽能光伏發(fā)電原理

8.載流子的輸運半導(dǎo)體中存在能夠?qū)щ姷淖杂呻娮雍涂昭?，這些載流子有兩種輸運方式：漂移運動和擴散運動。載流子在熱平衡時作不規(guī)則的熱運動，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，運動方向不斷改變，平均位移等于零，這種現(xiàn)象叫做散射。散射不會形成電流。半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下，按照一定方向的運動稱為漂移運動。外界電場的存在使載流子作定向的漂移運動，并形成電流。擴散運動是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運動。擴散運動和漂移運動不同，它不是由于電場力的作用產(chǎn)生的，而是由于載流子濃度差的引起的。.203.1.2p-n結(jié)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體緊密接觸，在交界處n區(qū)中電子濃度高，要向p區(qū)擴散，在N區(qū)一側(cè)就形成一個正電荷的區(qū)域；同樣，p區(qū)中空穴濃度高，要向n區(qū)擴散，p區(qū)一側(cè)就形成一個負(fù)電荷的區(qū)域。這個n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)的正、負(fù)電荷薄層區(qū)域稱為“空間電荷區(qū)”，即p-n結(jié)—內(nèi)建電場E—電勢差UD—電勢能電勢能=電荷×電勢=(

q)

(

UD)=qUDqUD通常稱作勢壘高度。

內(nèi)建電場一方面阻止“多子”的擴散運動，另一方面增強“少子”漂移運動，最終達到平衡狀態(tài)。4.1太陽能光伏發(fā)電原理.214.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.2p-n結(jié)(a)n區(qū)電子往P區(qū)(b)p區(qū)空穴往N區(qū)(c)p-n結(jié)電場擴散在n區(qū)形成帶擴散在p區(qū)形成帶正電的薄層A負(fù)電的薄層B圖3-8p-n結(jié)電子與空穴的擴散.224.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.2p-n結(jié)(a)形成p-n結(jié)前載流子的擴散過程(b)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場圖3-8p-n結(jié).234.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.2p-n結(jié)—單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)p-n結(jié)加上正向偏壓，外加電場的方向與內(nèi)建電場的方向相反，打破了擴散運動和漂移運動的相對平衡，形成通過p-n結(jié)的電流（稱為正向電流），較大；當(dāng)p-n結(jié)加上反向偏壓，構(gòu)成p-n結(jié)的反向電流，很小。圖3-9p-n結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

.244.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.3光伏效應(yīng)—太陽能電池

1.光伏效應(yīng)當(dāng)太陽電池受到光照時，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別產(chǎn)生電子-空穴對。由于入射光強度從表面到太陽電池體內(nèi)成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，沿光強衰減方向?qū)⑿纬晒馍d流子的濃度梯度，從而產(chǎn)生載流子的擴散運動。

n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達p-n結(jié)區(qū)n側(cè)邊界時，由于內(nèi)建電場的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留在n區(qū)。

p區(qū)中到達p-n結(jié)區(qū)p側(cè)邊界的光生電子立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)。

空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對則自然被內(nèi)建電場分別拉向n區(qū)和p區(qū)。.254.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動勢。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光生電動勢的電場方向和平衡p-n結(jié)內(nèi)建電場的方向相反。當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，這些分離的電荷就形成電流。

圖3-10光伏效應(yīng)示意圖

.264.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.光伏效應(yīng)—太陽能電池當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，光伏電動勢就形成電流。圖3-11太陽電池的發(fā)電原理.274.1太陽能光伏發(fā)電原理4.1.4太陽電池的結(jié)構(gòu)和性能1.太陽電池的結(jié)構(gòu)最簡單的太陽電池是由p-n結(jié)構(gòu)成的，如圖3-142示，其上表面有柵線形狀的上電極，背面為背電極，在太陽電池表面通常還鍍有一層減反射膜。

圖3-12太陽電池的結(jié)構(gòu)和符號.284.1太陽能光伏發(fā)電原理

1.太陽電池的結(jié)構(gòu)硅太陽電池一般制成p

/n型結(jié)構(gòu)或n

/p型結(jié)構(gòu)。太陽電池輸出電壓的極性，p型一側(cè)電極為正，n型一側(cè)電極為負(fù)。

根據(jù)太陽電池的材料和結(jié)構(gòu)不同，分為許多種形式，如p型和n型材料均為相同材料的同質(zhì)結(jié)太陽電池(如晶體硅太陽電池)；p型和n型材料為不同材料的異質(zhì)結(jié)太陽電池[硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)，硫化鎘/銅銦硒(CdS/CulnSe2)薄膜太陽電池]；金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)太陽電池；絨面硅太陽電池；激光刻槽掩埋電極硅太陽電池；鈍化發(fā)射結(jié)太陽電池；背面點接觸太陽電池；疊層太陽電池等。

.294.1太陽能光伏發(fā)電原理

2.太陽電池的技術(shù)參數(shù)（1）開路電壓（Uoc）受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢，這時在太陽電池兩端測得的電勢差叫做開路電壓，用符號Uoc表示。（2）短路電流（Isc）如果把太陽電池從外部短路測得的最大電流，稱為短路電流，用符號Isc表示。圖3-13硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系

.304.1太陽能光伏發(fā)電原理

（3）最大輸出功率（P）把太陽電池接上負(fù)載，負(fù)載電阻中便有電流流過，該電流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負(fù)載電流或輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電池的輸出功率P=UI。太陽電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太陽電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm）

。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和最佳工作電流（Im

），Pm=UmIm。.314.1太陽能光伏發(fā)電原理

（4）填充因子（FF）太陽電池的另一個重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比：

（5）轉(zhuǎn)換效率（

）太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與入射到太陽電池表面的能量之比：.324.1太陽能光伏發(fā)電原理

3.太陽電池的伏-安特性及等效電路太陽電池的電路及等效電路如圖3-14所示。ID(二極管電流)為通過p-n結(jié)的總擴散電流，與Isc反向；Rs串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻所組成，很?。籖sh為旁路電阻，主要由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的，很大。

(a)光照時太陽電池的電路(b)光照時太陽電池的等效電路圖3-14太陽電池的電路及等效電路.334.1太陽能光伏發(fā)電原理當(dāng)RL=0時，所測的電流為電池的短路電流Isc。Isc與電池面積成正比，1cm2太陽電池的Isc值為16~30mA；同一塊太陽電池，Isc值與入射光的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高時，Isc略有上升。當(dāng)RL為無窮大時，所測得的電壓為電池的開路電壓Uoc，Uoc隨光照度變化不大。(a)光照時太陽電池的電路(b)光照時太陽電池的等效電路圖3-14太陽電池的電路及等效電路.344.1太陽能光伏發(fā)電原理伏安特性曲線圖3-15太陽電池的電流-電壓關(guān)系曲線圖3-16常用太陽電池電流-電壓特性曲線

1-未受光照；2-受光照I-電流；Isc-短路電流；Im-最大工作電流；U-電壓；Uoc-開路電壓；Um-最大工作電壓；Pm-最大功率.354.1太陽能光伏發(fā)電原理

太陽電池性能的測試須在標(biāo)準(zhǔn)條件太陽電池（組件）的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽光譜分布和太陽電池（組件）的工作溫度，因此太陽電池性能的測試須在標(biāo)準(zhǔn)條件（STC）下進行。測量標(biāo)準(zhǔn)被歐洲委員會定義為101號標(biāo)準(zhǔn)，其測試條件是：

光譜輻照度1000W/m2

；

大氣質(zhì)量為AM1.5時的光譜分布；

電池溫度25℃。在該條件下，太陽電池（組件）輸出的最大功率稱為峰值功率。.364.1太陽能光伏發(fā)電原理串、并聯(lián)電阻對硅太陽電池輸出(Uoc、Isc、FF)性能的影響。(入射光強為l000W/m2，電池面積為2cm2）(a)串聯(lián)電阻的影響(b)并聯(lián)電阻的影響圖3-17太陽電池串、并聯(lián)電阻的影響.374.2太陽能電池材料制備*

硅太陽能電池（單晶、多晶和非晶硅太陽電池）是目前使用最廣泛的太陽能電池，占太陽能電池總產(chǎn)量的90%以上。

晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝：

硅材料的制備

太陽能電池的制造

太陽能電池組件的封裝硅砂(SiO2)→冶金硅(MG-Si)→晶體硅(Si)→硅片→光伏電池片→電池組件→電池方陣.384.2太陽能電池材料制備*4.2.1硅材料的優(yōu)異性能（1）Si材料豐富，易于提純，純度可達12個9(12N)；（電子級硅9N，太陽能電池硅6N即可）（2）Si原子占晶格空間小（34%），有利于電子運動和摻雜；.394.2太陽能電池材料制備*（3）Si原子核外4個，摻雜后，容易形成電子-空穴對；（4）容易生長大尺寸的單晶硅（

4001100mm，重438kg）；（5）易于通過沉積工藝制作單晶Si、多晶Si和非晶Si薄層材料；.404.2太陽能電池材料制備*（6）易于腐蝕加工；（7）帶隙適中（在室溫下硅的禁帶寬度Eg＝1.l2eV），受本征激發(fā)影響?。唬?）Si材料力學(xué)性能好，便于機加工；（9）Si材料理化性能穩(wěn)定；（10）Si材料便于金屬摻雜，制作低阻值歐姆接觸；

（11）切片損傷小，便于可控鈍化；（12）Si材料表面SiO2薄層制作簡單，SiO2薄層有利于減小反射率，提高太陽能電池發(fā)電效率；SiO2薄層絕緣好，便于電氣絕緣的表面鈍化；SiO2薄層是良好的掩膜層和阻擋層。

Si材料是優(yōu)良的光伏發(fā)電材料！.414.2太陽能電池材料制備*4.2.2硅材料的制備制造太陽電池的硅材料以石英砂（SiO2）為原料，先把石英砂放入電爐中用碳還原得到冶金硅，較好的純度為98%~99%。冶金硅與氯氣（或氯化氫）反應(yīng)得到四氯化硅（或三氯氫硅），經(jīng)過精餾使其純度提高，然后通過氫氣還原成多晶硅。多晶硅經(jīng)過坩堝直拉法（Cz法）或區(qū)熔法（Fz法）制成單晶硅棒，硅材料的純度可進一步提高，要求單晶硅缺陷和有害雜質(zhì)少。石英砂

冶金硅

多晶硅

單晶硅從硅材料到制成太陽電池組件，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的工藝過程，以多晶硅太陽電池組件為例，其生產(chǎn)過程大致是：硅砂

硅錠

硅片

電池片

電池組件.424.2太陽能電池材料制備*1.高純多晶硅的制備

（1）硅砂

冶金硅（MG-Si）：SiO2+2C→Si+2CO

（2）冶金硅

高純多晶硅：

電子級硅(EG-Si)，9N(99.9999999%)以上純度；

太陽能級硅(SG-Si)，7N以上純度。

①四氯化硅法：SiCl4+2H2→Si+4HCl↑

②三氯氫硅法（改良西門子法）

：

SiO2+2C→Si+2CO2↑Si+3HCl→SiHCl3+H2↑SiHCl3+H2→Si+3HCl↑圖3-19硅砂制備高純多晶硅工藝流程.434.2太陽能電池材料制備*

改良西門子法工藝流程

圖3-20改良西門子法工藝流程圖

.444.2太陽能電池材料制備*

③硅烷法硅烷（SiH4）生產(chǎn)的工藝是基于化學(xué)反應(yīng)2Mg+Si→MgSi，然后將硅化鎂和氯化銨進行如下化學(xué)反應(yīng):MgSi+4NH4Cl→SiH4+2MgCl2+4NH3↑從而得到氣體硅烷。高濃度的硅烷是一種易燃、易爆氣體，要用高純氮氣或氫氣稀釋到3%～5%后充入鋼瓶中使用。硅烷可以通過減壓精餾、吸附和預(yù)熱分解等方法進行純化，化學(xué)反應(yīng)式為SiH4→Si+2H2↑

.454.2太陽能電池材料制備*

2.多晶硅錠的制備多晶硅棒

多晶硅鑄錠

（1）定向凝固法（2）澆鑄法

圖3-21多晶硅定向凝固法原理圖.464.2太陽能電池材料制備*

3.片狀硅的制備片狀硅又稱硅帶，是從熔體中直接生長出來，可以減少由于切割而造成硅材料的損失，工藝也比較簡單，片厚100～200

rm。主要生長方法有限邊喂膜（EFG）法、枝蔓蹼狀晶（WEB）法、邊緣支撐晶（ESP）法、小角度帶狀生長法、激光區(qū)熔法和顆粒硅帶法等。

.474.2太陽能電池材料制備*4.單晶硅的制備（1）直拉單晶法（Cz）

.484.2太陽能電池材料制備*直拉單晶爐

.494.2太陽能電池材料制備*

（2）區(qū)熔法（Fz）

.504.2太陽能電池材料制備*內(nèi)熱式區(qū)熔爐結(jié)構(gòu)示意圖

.514.3太陽能電池制造工藝

4.3.1硅片的加工—晶體硅

硅片硅片的加工，是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無缺陷、無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。

圖3-23硅片加工工藝流程.524.3太陽能電池制造工藝

4.3.1硅片的加工

1.切片工藝技術(shù)的原則要求：

（1）切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差??；（2）斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋；（3）提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗；（4）提高切割速度，實現(xiàn)自動化切割。

2.切片方法：外圓切割、內(nèi)圓切割、線切割以及激光切割等。

.534.3太陽能電池制造工藝

線切割機切片一根長達幾千米的線兩頭纏繞在轉(zhuǎn)鼓上，這根線在帶磨料的懸浮液中切割硅晶體。切片更快，硅片更?。?.18~0.2mm），硅損失更少（30%）。

圖3-26硅片線切割示意圖.544.3太陽能電池制造工藝

表4-2線切割與內(nèi)圓切割特征的比較

性能線切割內(nèi)圓切割切割方法自由磨削加工固定研磨加工切片表面線鋸痕跡切痕、裂紋、碎屑損傷深度/

m5~1520~30切片效率/(cm2/h)110~22010~30每次切片數(shù)/片200~4001損耗/

m150~210300~500可切片最薄厚度/

m180~200350可切硅錠最大直徑/mm300以上200切片翹曲度輕微嚴(yán)重.554.3太陽能電池制造工藝

4.3.2硅太陽能電池的制造—硅片

電池片制造晶體硅太陽能電池包括絨面制備、擴散制結(jié)、制作電極和制備蒸鍍減反射膜等主要工序。常規(guī)晶體硅太陽能電池的一般生產(chǎn)制造工藝流程如圖3-27所示。

圖3-27晶體硅太陽能電池生產(chǎn)制造工藝流程.564.3太陽能電池制造工藝

4.3.2硅太陽能電池的制造

1.硅片的選擇硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形，厚度為0.18~0.4mm。

2.硅片的表面處理

（1）化學(xué)清洗去污，高純水，有機溶劑，濃酸，強堿。（2）硅片的表面腐蝕去除30~50

m表面厚的損傷層。①酸性腐蝕濃硝酸與氫氟酸的配比為（10:1）~（2:1）；硝酸、氫氟酸與醋酸的一般配比為5:3:3或5:1:1或6:1:1

。②堿性腐蝕氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿溶液。

.574.3太陽能電池制造工藝

3.絨面制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)的制備，就是就是利用硅的各向異性腐蝕(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。絨面結(jié)構(gòu)，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于減少光的反射，增加光的吸收，提高電池效率。

圖3-28絨面結(jié)構(gòu)減少光的反射

.584.3太陽能電池制造工藝

4.擴散制結(jié)

制結(jié)過程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴散層。

制結(jié)方法：熱擴散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。

熱擴散法制結(jié)：采用片狀氮化硼作源，在氮氣保護下進行擴散。擴散前，氮化硼片先在擴散溫度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅表面，硼向硅內(nèi)部擴散。擴散溫度為950~l000℃，擴散時間為15~30min，氮氣流量為2L/min。

擴散要求：獲得適合于太陽能電池p-n結(jié)需要的結(jié)深(0.3~0.5

m)和擴散層方塊電阻R□(平均為20~l00

/囗)。

.594.3太陽能電池制造工藝

5.去除背結(jié)

在擴散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以在制作電極前需要去除背結(jié)。去除背結(jié)的常用方法，主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。（1）化學(xué)腐蝕法

掩蔽前結(jié)后用腐蝕液蝕去其余部分的擴散層。該法可同時除去背結(jié)和周邊的擴散層，因此可省去腐蝕周邊的工序。腐蝕后，背面平整光亮，適合于制作真空蒸鍍的電極。前結(jié)的掩蔽一般用涂黑膠的方法。硅片腐蝕去背結(jié)后用溶劑去真空封蠟，再經(jīng)濃硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用去離子水洗凈后烤干備用。

.604.3太陽能電池制造工藝

（2）磨片法用金剛砂磨去背結(jié)。也可將攜帶砂粒的壓縮空氣噴射到硅片背面以除去背結(jié)。背結(jié)除去后，磨片后背面形成一個粗糙的硅表面，適用于化學(xué)鍍鎳背電極的制造。（3）蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法前兩種方法對n+/p型和p+/n型電池制造工藝均適用，本法則僅適用于n+/p型電池制造工藝。此法是在擴散硅片背面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷一層鋁，加熱或燒結(jié)到鋁-硅共熔點(577℃)以上使它們成為合金。經(jīng)過合金化以后，隨著降溫，液相中的硅將重新凝固出來，形成含有少量鋁的再結(jié)晶層。實際上是一個對硅摻雜過程。在足夠的鋁量和合金溫度下，背面甚至能形成與前結(jié)方向相同的電場，稱為背面場。

.614.3太陽能電池制造工藝

6.制備減反射膜硅表面對光的反射損失率高達35%左右。

減反射膜作用：減反射膜不但具有減少光反射的作用，而且對電池表面還可起到鈍化和保護的作用。制備方法：采用真空鍍膜法、氣相生長法或其它化學(xué)方法等，在已制好的電池正面蒸鍍一層或多層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化二鉭或五氧化二鈮減反射膜。技術(shù)要求：膜對入射光波長范圍的吸收率要小，膜的理化能穩(wěn)定，膜層與硅粘接牢固，膜耐腐蝕，制作工藝簡單、價格低廉。

二氧化硅膜，鍍一層減反射膜可將入射光的反射率減少到10%左右，鍍兩層則可將反射率減少到4%以下。

.624.3太陽能電池制造工藝

7.腐蝕周邊在擴散過程中，硅片的周邊表面也有擴散層形成。硅片周邊表面的擴散層會使電池上下電極形成短路環(huán)，必須將其去除。周邊上存在任何微小的局部短路，都會使電池并聯(lián)電阻下降，以致成為廢品。去邊的方法：主要有腐蝕法和擠壓法。腐蝕法是將硅片兩面掩好，在硝酸、氫氟酸組成的腐蝕液中腐蝕30s左右；擠壓法則是用大小與硅片相同而略帶彈性的耐酸橡膠或塑料與硅片相間整齊地隔開，施加一定壓力阻止腐蝕液滲入縫隙，以取得掩蔽的方法。

.634.3太陽能電池制造工藝

8.制作上、下電極

所謂電極，就是與電池p-n結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。通常對電極的要求有：①接觸電阻??；②收集效率高；③遮蔽面積小；④能與硅形成牢固的接觸；⑤穩(wěn)定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引線，可焊性強；⑨體電阻小；⑩污染小。

制作方法：真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、銀/鋁漿印刷燒結(jié)法等。所用金屬材料：鋁、鈦、銀、鎳等。

電池光照面的電極稱為上電極（窄細(xì)的柵線狀，有利于收集光生電流，并保持較大受光面積

），制作在電池背面的電極稱為下電極或背電極（全部或部分布滿背面，減小電池的串聯(lián)電阻

）。

n+/p型電池上電極是負(fù)極，下電極是正極；p+/n型電池上電極是正極，下電極是負(fù)極。

.644.3太陽能電池制造工藝

鋁漿印刷燒結(jié)法工藝：把硅片置于真空鍍機的鐘罩內(nèi)，當(dāng)真空度抽到足夠高時，便凝結(jié)成一層鋁薄膜，其厚度控制在30~l00nm；然后，再在鋁薄膜上蒸鍍一層銀，厚度為2~5

m，為便于電池的組合裝配，電極上還需釬焊一層錫-鋁-銀合金焊料；此外，為得到柵線狀的上電極，在蒸鍍鋁和銀時，硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。上電極柵線密度一般為2~4條/cm，多的可達10~19條/cm，最多的可達60條/cm。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作上電極，是用滌綸薄膜等制成所需電極圖形的掩膜，貼在絲網(wǎng)上，然后套在硅片上，用銀漿、鋁漿印刷出所需電極的圖形，經(jīng)過在真空和保護氣氛中燒結(jié)，形成牢固的接觸電極。成本低，便于自動化連續(xù)生產(chǎn)

.654.3太陽能電池制造工藝

9.檢驗測試太陽電池制作經(jīng)過上述工藝完成后，在作為成品電池入庫前，必須通過測試儀器測量其性能參數(shù)，以檢驗其質(zhì)量是否合格。一般需要測量的參數(shù)有最佳工作電壓、最佳工作電流、最大功率(也稱峰值功率)、轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等，通常還要畫出太陽電池的伏安（I-U）特性曲線。現(xiàn)代測試方法：

圖3-29太陽電池測試設(shè)備系統(tǒng)框圖

.664.3太陽能電池制造工藝

典型晶硅電池片技術(shù)參數(shù)尺寸：156mm

156mm

0.5mm厚度（Si）：190

m

20

m正面（

）：氮化硅減反膜；1.9mm銀柵線背面（+）：AL背場；3mm銀背極開路電壓(V)：0.62

5%短路電流(A)：9.01

5%最大功率點電壓：0.515V最大功率點電流：7.914A

溫度系數(shù)：TkVoltage

0.349%/KTkCurrent

0.033%/KTkPower

0.44%/K

.674.3太陽能電池制造工藝

4.3.3新型太陽能電池簡介

1.新型高效單晶硅太陽電池

（1）發(fā)射極鈍化及背表面局部擴散太陽電池(PERL)

圖3-30PERL太陽電池

.684.3太陽能電池制造工藝

（2）埋柵太陽電池(BCSC)采用激光刻槽或機械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后化學(xué)鍍銅，制作電極。如圖3-31所示。批量生產(chǎn)這種電池的光電效率已達17%，我國實驗室光電效率為19.55%。

圖3-31BCSC太陽電池

.694.3太陽能電池制造工藝

（3）高效背表面反射器太陽電池(BSR)這種電池的背面和背面接觸之間用真空蒸鍍的方法沉積一層高反射率的金屬表面（一般為鋁）。背反射器就是將電池背面做成反射面，它能發(fā)射透過電池基體到達背表面的光，從而增加光的利用率，使太陽電池的短路電流增加。（4）高效背表面場和背表面反射器太陽電池(BSFR)

BSFR電池也稱為漂移場太陽電池，它是在BSR電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再做一層p+層。這種場有助于光生電子-空穴對的分離和少數(shù)載流子的收集。目前BSFR電池的效率為14.8%.

.704.3太陽能電池制造工藝

2.多晶硅薄膜太陽電池多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成，其特點是在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，因此被認(rèn)為是高效、低耗的理想光伏器件材料。

目前多晶硅薄膜太陽電池光電效率達16.9%，但仍處于實驗室階段，如果能找到一種好的方法在廉價的襯底上制備性能良好的多晶硅薄膜太陽電池，該電池就可以進入商業(yè)化生產(chǎn)，這也是目前研究的重點。多晶硅薄膜太陽電池由于其良好的穩(wěn)定性和豐富的材料來源，是一種很有前途的地面用廉價太陽電池。

.714.3太陽能電池制造工藝

3.非晶硅太陽電池（1）非晶硅的優(yōu)點①有較高的光學(xué)吸收系數(shù)，在0.315~0.75

m的可見光波長范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)比單晶硅高一個數(shù)量級，因此，很薄(1

m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可見光，制備材料成本也低；②禁帶寬度為1.5~2.0eV，比晶體硅的1.l2eV大，與太陽光譜有更好的匹配；③制備工藝和所需設(shè)備簡單，沉積溫度低(300~400℃)，耗能少；④可沉積在廉價的襯底上，如玻璃、不銹鋼甚至耐溫塑料等，可做成能彎曲的柔性電池。

.724.3太陽能電池制造工藝

（2）非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及性能①非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)性能較好的非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)有p-i-n結(jié)構(gòu)，如圖3-32所示。

圖3-32非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu).734.3太陽能電池制造工藝

②非晶硅太陽電池的性能a.非晶硅太陽電池的電性能非晶硅太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率達15%，穩(wěn)定效率為13%。商品化非晶硅太陽電池的光電效率一般為6%~7.5%。溫度升高，對其效率的影響比晶體硅太陽電池要小。b.光致衰減效應(yīng)非晶硅太陽電池經(jīng)光照后，會產(chǎn)生10%～30%的電性能衰減——光致衰減效應(yīng)，此效應(yīng)限制了非晶硅太陽電池作為功率發(fā)電器件的大規(guī)模應(yīng)用。為減小這種光致衰減效應(yīng)又開發(fā)了雙結(jié)和三結(jié)的非晶硅疊層太陽電池，目前實驗室光致衰減效應(yīng)已減小至10%。

.744.3太陽能電池制造工藝

4.化合物薄膜太陽電池薄膜太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其半導(dǎo)體層很薄，可以大大節(jié)省太陽電池材料，降低生產(chǎn)成本，是最有前景的新型太陽電池。（1）化合物多晶薄膜太陽電池除上面介紹過的a-Si太陽電池和多晶Si薄膜太陽電池外，目前已開發(fā)出化合物多晶薄膜太陽電池，主要有：硫化鎘/碲化鎘(CdS/CdTe)、硫化鎘/銅鎵銦硒(CdS/CuGalnSe2).硫化鎘/硫化亞銅(CdS/Cu2S)等，其中相對較好的有CdS/CdTe電池和CdS/CuGalnSe2電池。

.754.3太陽能電池制造工藝

（2）化合物薄膜太陽電池的制備①CdS/CdTe薄膜太陽電池

CdS/CdTe薄膜太陽電池制造工藝完全不同于硅太陽電池，不需要形成單晶，可以連續(xù)大面積生產(chǎn)，與晶體硅太陽電池相比，雖然效率低，但價格比較便宜。這類電池目前存在性能不穩(wěn)定問題，長期使用電性能嚴(yán)重衰退，技術(shù)上還有待于改進。②CdS/CulnSe2薄膜太陽電池

CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，是以銅銦硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材