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1、單晶硅太陽能電池能源現(xiàn)狀太陽能電池概述太陽能電池工作原理單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)及應用1■能源現(xiàn)狀 能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎，也是直接影響經(jīng)濟發(fā)展的一個重要的因素。然而地球儲藏的化石能源有限，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，同時化石能源的大量使用使環(huán)境污染日趨嚴重。 世界 中國75% 25% 圖1:中國和世界的能源結(jié)構(gòu)能源枯竭石油：42年，天然氣：67年，煤:200年。 環(huán)境污染每年排放的二氧化碳達210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖;空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。 可再生能源： 風能；水能；地熱；

2、潮汐;太陽能等為此，各個國家積極發(fā)展低碳經(jīng)濟，越來越多的開發(fā)利用清潔能源?其中太陽能取之不盡，用之不竭，并且無污染，是最具開發(fā)和應用前景的清潔能源之一，優(yōu)越性非常突出。太陽能電池是利用太陽能的良好途徑之一，近些年來不斷受到人們的重視，許多國家開始實行“陽光計劃"，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力?使得其成為發(fā)展最快、最具活力的研究領域. 太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池1）太陽能電池定義太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷Ｋ翘柲芄夥l(fā)電的基礎和核心。 2）太陽能電池的發(fā)展世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點 1954美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池,效率為6

3、% 1955第一個光伏航標燈問世，美國RCA發(fā)明GaAs太陽能電池 1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8%。 1959第一個單晶硅太陽能電池問世。 1960太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。 1974突破反射絨面技術，硅太陽能電池效率達到18%。 1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世 1978美國建成100KW光伏電站 1980單晶硅太陽能電池效率達到20%多晶硅為14。5%,GaAs為22.5% 1986美國建成6.5KW光伏電站 1990德國提出“2000光伏屋頂計劃” 1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32%。 1997美國提出“克林頓總

4、統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽光計劃” 1998單晶硅太陽能電池效率達到24。7%,荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃” 2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池3）太陽能電池的應用家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 路燈發(fā)電站 3太陽能電池的工作原理1）太陽能電池的結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它的核心結(jié)構(gòu)是N型硅/P型硅構(gòu)成的活性層。 通過特殊工藝向硅晶體中摻入少量的三價硼就可以構(gòu)成P（positive）型硅。未摻雜的硅晶體中，每個硅原子通過共價鍵與周圍4個硅原子相連。摻入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在這些硅原子的位置上也與周圍4個硅原

5、子形成共價鍵。因為硼原子只有3個價電子，與周圍4個硅原子成鍵時缺少1個電子，它需要從硅晶體中獲取1個電子才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)果，硼原子變成負離子，硅晶體中形成空穴（空穴帶一個單位的正電荷）。 如果向硅晶體中摻入少量五價磷或者砷就構(gòu)成了N（negative）型硅，例如摻入磷。摻入的磷原子同樣取代硅原子的位置，并與周圍的4個硅原子形成共價鍵。因為磷原子有5個價電子，成鍵后剩下1個價電子，這個電子受到的束縛力比共價鍵上的電子小得多，很容易脫離磷原子，成為自由電子，結(jié)果該磷原子成為正離子。需要說明的是，P型和N型硅都是電中性的. 2）PN結(jié)形成過程 ）電予◎現(xiàn)讒的即租于 當把P型硅與N型硅通過

6、一定方式結(jié)合在一起時，發(fā)生如圖所示的PN結(jié)形成過程. 在N區(qū)（N型硅一側(cè)）與P區(qū)（P型硅一側(cè)）的交界面附近，N區(qū)的自由電子較多空穴較少,P區(qū)則是空穴較多自由電子較少，這樣在P區(qū)和N區(qū)之間出現(xiàn)空穴和自由電子的濃度差?濃度差導致空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子從N區(qū)向P區(qū)擴散，二者在界面附近復合。P區(qū)界面附近帶正電荷的空穴離開后，留下帶負電荷的硼，因此形成1個負電荷區(qū)。 同理，在N區(qū)界面附近出現(xiàn)1個正電荷區(qū). 通常把交界面附近的這種正、負電荷區(qū)域叫做空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)中的正、負電荷產(chǎn)生1個由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場?在內(nèi)建電場的作用下，空穴和電子發(fā)生漂移，方向與它們各自的擴散方向相反，即電子

7、從P區(qū)漂移到N區(qū)，空穴從N區(qū)漂移到P區(qū)。顯然，內(nèi)建電場同時又起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作用。隨著擴散的進行，空間電荷逐漸增多，內(nèi)建電場逐漸增強，空穴和電子的漂移也逐漸增強，但空穴和電子的擴散卻逐漸變?nèi)?。無外界影響時，空穴和電子的擴散和漂移最終達到動態(tài)平衡。此時，空間電荷的數(shù)量一定,空間電荷區(qū)不再擴展，內(nèi)建電場的大小就確定下來。 3）太陽能電池發(fā)電原理當具有一定能量的光子入射到PN結(jié)表面時，光子在硅表面及體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生大量的電子一空穴對。由于入射光的強度因材料的吸收而不斷衰減，因而沿著光照方向，材料內(nèi)部電子-空穴對的濃度逐漸降低，這導致電子-空穴對向內(nèi)部擴散。當電子一空穴對擴散到PN結(jié)邊界時,

8、在內(nèi)建電場的作用下，空穴、電子被分別拉向P區(qū)和N區(qū)，電子一空穴對被分離.空穴在P區(qū)積累，電子在N區(qū)積累，結(jié)果產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，在P區(qū)和N區(qū)之間形成與PN結(jié)電勢反向的光生電勢，這就是著名的光生伏特效應。 1P9 | L?1 rrl 時日允阻畀產(chǎn)生的皚孑遼訓 +[民 P33 - n盤 r ■T L 由再光鬭辦產(chǎn)空旳電動務的狀厲 電荷運動的勢壘:p—n結(jié)區(qū)內(nèi)形成的內(nèi)建電場。阻礙電子從n區(qū)向p區(qū)運動，空穴從p區(qū)向n區(qū)運動。光子入射：造成躍遷產(chǎn)生空穴一電子對. 光電池：空穴、電子通過外電路復合,在電路中產(chǎn)生電流。 半導體中可以利用各種勢

9、壘如pn結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應。 當太陽能電池受到陽光照射時，光與半導體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負電荷分別被上下電極收集.由電荷聚集所形成的電流通過金屬導線流向電負載. 該效應使PN結(jié)內(nèi)部形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流，當PN結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有電流源源不斷地通過電路。 轉(zhuǎn)耐擊入啟鳥器爲率 II型半導體 太陽能光伏發(fā)電粒子\電極 電極 反射防止膜 3單晶硅的生產(chǎn)應用1）太陽能電池材料要村料 表而涂層 電極 _N?裝 半導休 甲晶仆、I.lii'ii'ifi：xGsAs右機丫:

10、導偽金屬氣化物、導電聚介物 金屬M休玻璃、有機玻璃 堆X1 木材rA要料T求的 ① 能充分利川足陽能輻射，即半導體的禁帶不能太寬; ② 仃較高的光電轉(zhuǎn)換效率: ③ 材I*本身對環(huán)境不造成i'虧染: ④ 材料■「I：?業(yè)化個產(chǎn)，材料的性能穩(wěn)定且經(jīng)濟 2）無機太陽能電池的性能及應用 名稱 禁帶寬度（eV） 轉(zhuǎn)換效率 應用實況 單晶硅 1.12 24.4 用于空間及地面太陽電池 多晶硅 1.12 18 與單晶硅占市場70?80% 非晶硅 1.5~2.0 13 占市場10~20%消費電子,能源 復合型 17.3 已商業(yè)化 CdTe 1.44

11、 15 與CdS結(jié)合構(gòu)成的太陽電池已商業(yè)化 CuInSe2 1.04 17 探索大面積應用批量生產(chǎn)技術 GaAs 1.42 37.4 已開始用于空間太陽電池 InP 1.35 19.1 耐輻射性能優(yōu)異，處于研究開發(fā)階段 單晶硅太陽能電池，是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當前開發(fā)得最快的一種太陽能電池。它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。 硅單晶產(chǎn)量2004年單晶硅產(chǎn)量（噸） 單晶總產(chǎn)量 1700 太陽能單晶產(chǎn)量 1200 太陽能單晶生產(chǎn)能力 2000 近年來我國硅單晶產(chǎn)量單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝太陽能電池片制作工藝流程圖切

12、片要求：①切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。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. 具體的制作工藝說明 (1) 切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。 (2) 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸(或堿)溶液將硅片表面切割損傷層除去30—50um。 (3) 制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。 (4) 磷擴散：采用涂布源(或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源)進行擴散，制成PN結(jié)，結(jié)深一般為0。3—0。5um. (5) 周邊刻蝕:擴散時在硅片周邊表面形成的擴散

13、層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層. (6) 去除背面PN+結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN+結(jié)。 (7) 制作上下電極:用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。 (8) 制作減反射膜:為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2,SiO2,Al2O3,SiO,Si3N4,TiO2,Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等. (9) 燒結(jié):將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。 (10) 測試分檔：按規(guī)定參

14、數(shù)規(guī)范，測試分類。 太陽能電池組件封裝工藝流程流程： 1、電池檢測-—2、正面焊接—檢驗—3、背面串接-檢驗-4、敷設(玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設)--5、層壓——6、去毛邊(去邊、清洗)—-7、裝邊框(涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠)—-8、焊接接線盒—-9、高壓測試——10、組件測試—外觀檢驗—11、包裝入庫提高單晶硅太陽能電池效率的特殊技術: 晶體硅太陽能電池的理論效率為33%(AM1。5光譜條件下)。太陽能電池的理論效率與入射光能轉(zhuǎn)變成電流之前的各種可能損耗的因素有關。其中，有些因素由太陽能電池的基本物理決定的,有些則與材料和工藝相關。從提高太陽能電池效率的原理上講

15、，應從以下幾方面著手： 1、減少太陽能電池薄膜光反射的損失2、降低PN結(jié)的正向電池(俗稱太陽能電池暗電流)3、PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度減少，幷減少空間電荷區(qū)的復合中心。 4、提高硅晶體中少數(shù)載流子壽命,即減少重金屬雜質(zhì)含量和其他可作為復合中心的雜質(zhì),晶體結(jié)構(gòu)缺陷等。 5、當采取太陽能電池硅晶體各區(qū)厚度和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前提高太陽能電池效率的主要措施如下，而各項措施的采用往往引導出相應的新的工藝技術。 (1)選擇長載流子壽命的高性能襯底硅晶體。 (2)太陽能電池芯片表面制造絨面或倒金字塔多坑表面結(jié)構(gòu)。電池芯片背面制作背面鏡，以降低表面反射和構(gòu)成良好的隔光機制。 (3) 合理設計發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)，以收集盡可能多的光生載流子。 (4) 采用高性能表面鈍化膜，以降低表面復合速率. (5) 采用深結(jié)結(jié)構(gòu),并在金屬接觸處加強鈍化。 (6) 合理的電極接觸設計以達到低串聯(lián)電阻等.