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1、單晶硅太陽能電池 1. 能源現(xiàn)狀 2. 太陽能電池概述 3. 太陽能電池工作原理 4. 單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)及應(yīng)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(chǔ)，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(yán)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(yán)重 影響人們的身

2、體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。 可再生能源： 風(fēng)能；水能；地?zé)幔怀毕?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(yīng)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(lǐng)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(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷Ｋ翘?能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。 2）

3、 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% 1955第一個光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明Ga As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(shù)，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%,Ga As為22.5% 1986美國建成6.5KW光伏電站 1990德國提出“

4、2000光伏屋頂計劃” 1995高效聚光Ga As太陽能電池問世，效率達32%。 1997美國提出“克林頓總統(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(yīng)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（

5、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(fù)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

6、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(dāng)把P型硅與N型硅通過一定方式結(jié)合在一起時，發(fā)生如圖所示的P N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(dǎo)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(fù)合。P區(qū)界面附近帶正電荷的空穴離開后，留下 帶負(fù)電荷的硼，因此形成1個負(fù)電荷區(qū)。 同理，在N區(qū)界面附

7、近出現(xiàn)1個正電荷區(qū). 通常把交界面附近的這種正、負(fù)電荷區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)中的正、負(fù)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(dāng)具有一定能量的光子入

8、射到P N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(dǎo)致電子-空穴對向內(nèi)部擴散。當(dāng)電子一空穴對擴散到P N結(jié)邊界時,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(yīng)。 1 P 9 | L?1 r r l 時日允阻畀產(chǎn)生的皚孑遼訓(xùn) + [ 民 P33 - n盤 r ■ T

9、 L 由再光鬭辦產(chǎn)空旳電動務(wù)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(fù)合,在電路中產(chǎn)生電流。 半導(dǎo)體中可以利用各種勢壘如pn結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。 當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時，光與半導(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負(fù)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(dǎo) 線流向電負(fù)載. 該效應(yīng)使PN結(jié)內(nèi)部形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流，當(dāng)PN結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，

10、就會有電 流源源不斷地通過電路。 轉(zhuǎn)耐擊入啟鳥器爲(wèi)率 II型半導(dǎo)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(yīng)用 1）太陽能電池材料 要 村 料 表而涂層 電極 _N?裝 半導(dǎo)休 甲晶仆、I. li i'ii'ifi： x GsAs右機丫:導(dǎo)偽 金屬氣化物、導(dǎo)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(dǎo)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

11、性能及應(yīng)用 名稱 禁帶寬度（eV） 轉(zhuǎn)換效率 應(yīng)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(fù)合型 17.3 已商業(yè)化 CdTe 1.44 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(yīng)用批量生產(chǎn)技術(shù) 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

12、晶硅棒為原料的太陽能電池，是當(dāng)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 4) 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

13、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(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。 先

14、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(shè)(玻璃清洗、材料切 割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè))--5、層壓——6、去毛

15、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(shù): 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(guān)。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(guān)。從提高太陽能電 池效率的原理上講，應(yīng)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

16、復(fù)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(fù)合中 心的雜質(zhì),晶體結(jié)構(gòu)缺陷等。 5、 當(dāng)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(dǎo)出相應(yīng)的 新的工藝技術(shù)。 (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(shè)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(fù)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(shè)計以達到低串聯(lián)電阻等.