太阳能电池制造工艺幻灯片.ppt

《太阳能电池制造工艺幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池制造工艺幻灯片.ppt（48页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、太阳能电池制造工艺第1页，共48页，编辑于2022年，星期五太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺第2页，共48页，编辑于2022年，星期五主要内容主要内容1.1.硅太阳能电池工作原理硅太阳能电池工作原理2.2.太阳能电池硅材料太阳能电池硅材料3.3.硅太阳能电池制造工艺硅太阳能电池制造工艺4.4.提高太阳能电池效率的途经提高太阳能电池效率的途经5.5.高效太阳能电池材料高效太阳能电池材料6.6.高效太阳能电池结构高效太阳能电池结构第3页，共48页，编辑于2022年，星期五一、硅太阳能电池工作原理一、硅太阳能电池工作原理太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不太阳能是人类取之不

2、尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中；大阳能光电利用是近些产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电效应，吸收光能后发生内光电效应，将光能转换为电能将光能转换为电能。根据所。根据所用材料的不同，太阳能电池用材料的不同，太阳能电池可分为：硅基太阳能电池和可分为：硅基太阳

3、能电池和薄膜电池，本章主要讲硅基薄膜电池，本章主要讲硅基太阳能电池。太阳能电池。第4页，共48页，编辑于2022年，星期五 太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电效应，一般的半太阳能电池发电的原理主要是半导体的内光电效应，一般的半导体主要结构如下：导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。的四个电子。1 1硅太阳能电池工作原理与结构硅太阳能电池工作原理与结构第5页，共48页，编辑于2022年，星期五当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶

4、体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3 3个电子，所以就会产个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成容易吸收电子而中和，形成P P 型半导体。型半导体。第6页，共48页，编辑于2022年，星期五 同样，掺入磷原

5、子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成变得非常活跃，形成N N型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。如下图。当当P型和型和N型半导体材料结合时，型半导体材料结合时，P型（型（N型）材料中的空穴（电子）型）材料中的空穴（电子）向向N型（型（P型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续

6、进行，当两者达到平衡时，在在PN结两侧形成一个耗尽区结两侧形成一个耗尽区。第7页，共48页，编辑于2022年，星期五PN结的形成及工作原理结的形成及工作原理 零偏零偏 负偏负偏 正偏正偏 当当PNPN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当使势垒加强；当PNPN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。在外加电场作用下变窄，势垒削弱。当光电池用作光电转换器时，必当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。须处于零偏或反

7、偏状态。第8页，共48页，编辑于2022年，星期五硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带发到导带(光生伏特效应），激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移光生伏特效应），激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到到N N型区和型区和P P型区，当在型区，当在PNPN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。结两端加负载时就有一光生电流流过负载。光光电电池池结结构构示示意意图图第9页，共48页，编辑于

8、2022年，星期五半导体的内光电效应半导体的内光电效应当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：有：（1）价带电子；）价带电子；（2）自由电子或空穴（）自由电子或空穴（FreeCarrier）；）；（3）存在于杂质能级上的电子。）存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本

9、征或固有吸收。能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的半导体的PNPN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。较好的光电转换效率。第10页，共48页，编辑于2022年，星期五太阳电池能量转换的基础是结的太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应光生伏特效应。当光照射到。当光照射到pn结上时，结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成

10、的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入区，空穴流入p区，结区，结果使果使n区储存了过剩的电子，区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，区带正电，N区带负电，在区带负电，在N区和区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是区之间的薄层就产生电动势，这就是光光生伏特效应生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量

11、成正比的。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作光电流流过，这个电流称作短路电流短路电流；若将；若将PN结两端开路，则由于电子和空结两端开路，则由于电子和空穴分别流入穴分别流入N区和区和P区，使区，使N区的费米能级比区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为。可以测得这个值，并称为开路电压开路电压。由于。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定

12、并由此可以决定VOC的值。的值。光生伏特效应光生伏特效应第11页，共48页，编辑于2022年，星期五当晶片受光后，当晶片受光后，PN结中，结中，N型半导体的空穴往型半导体的空穴往P P型区移动，而型区移动，而P P型区中型区中的电子往的电子往N N型区移动，从而形成从型区移动，从而形成从N型区到型区到P型区的电流。然后在型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。结中形成电势差，这就形成了电源。第12页，共48页，编辑于2022年，星期五硅太阳能电池结构硅太阳能电池结构第13页，共48页，编辑于2022年，星期五另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利另外硅表面非常光亮

13、，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮氮化硅膜化硅膜，厚度在，厚度在10001000埃左右。将反射损失减小到埃左右。将反射损失减小到5 5甚至更小。一个甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是3636个）个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。由于半

14、导体不是电的良导体，电子在通过由于半导体不是电的良导体，电子在通过p pn n结后如果在半导体结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖金属网格覆盖p pn n结结（如图（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。梳状电极），以增加入射光的面积。梳状电极和抗反膜梳状电极和抗反膜第14页，共48页，编辑于2022年，星期五 二太阳能电池的硅材料二太阳能电池的硅材料通常的晶体硅太阳能电池是在厚度通常的晶体硅太阳

15、能电池是在厚度300300350m350m的高质量硅的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上，将单晶硅棒切成片，片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上，将单晶硅棒切成片，一般片厚约一般片厚约0.40.40.450.45毫米。硅片经过切、抛、磨、清洗等工毫米。硅片经过切、抛、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。序，制成待加工的原料硅片。太阳能硅的杂质浓度较高，一般要求太阳能硅的杂质浓度较高，一般要求5 5个个9 9的纯度（的纯度（99.99999.999），比集成电路用的单晶硅（），比集成电路用的单晶硅（纯度要求纯度要求7 78 8个个9 9）要求低得）要求低得多。太阳能硅常用多。

16、太阳能硅常用0.32cm的的P P型（型（100100）单晶硅片。）单晶硅片。第15页，共48页，编辑于2022年，星期五第16页，共48页，编辑于2022年，星期五制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片，在高温石英制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片，在高温石英管扩散炉对硅片表面作扩散掺杂，一般掺杂物为微量的硼、管扩散炉对硅片表面作扩散掺杂，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。目的是在硅片上形成磷、锑等。目的是在硅片上形成P/NP/N结。然后采用丝网印刷法，结。然后采用丝网印刷法，用精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，用精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背

17、电极，并在有栅线的面涂覆减反射膜并在有栅线的面涂覆减反射膜 ，单晶硅太阳电池的单体片就制成，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过检测，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件了。单体片经过检测，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装，组成各种大小不同太阳电池阵列。最后用框架和装材料进行封装，组成各种大小不同太阳电池阵列。目前大规模生产的单晶硅太阳电池的光电转换效率为目前大规模生产的单晶硅太阳电池的光电转换效率为14141515左左右，实验室成果也有右

18、，实验室成果也有2020以上的。常州天和光能和无锡尚德的以上的。常州天和光能和无锡尚德的转换效率在转换效率在14.514.5，常州盛世太阳能公司有，常州盛世太阳能公司有9090可做到可做到16.216.2以以上。上。三、硅太阳能电池制造工艺三、硅太阳能电池制造工艺第17页，共48页，编辑于2022年，星期五硅太阳能电池制造工艺硅太阳能电池制造工艺硅太阳能电池制造工艺主要包括：硅太阳能电池制造工艺主要包括：1.1.去除损伤层去除损伤层2.2.表面绒面化表面绒面化3.3.发射区扩散发射区扩散4.4.边缘结刻蚀边缘结刻蚀5.PECDV5.PECDV沉积沉积SiNSiN6.6.丝网印刷正背面电极浆料丝

19、网印刷正背面电极浆料7.7.共烧形成金属接触共烧形成金属接触8.8.电池片测试。电池片测试。第18页，共48页，编辑于2022年，星期五表面绒面化表面绒面化由于硅片用由于硅片用P P型（型（100100）硅片，）硅片，可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行可利用氢氧化钠溶液对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子各向异性因子1010时（所谓各向异时（所谓各向异性因子就是（性因子就是（100100）面与（）面与（111111）面单晶硅腐蚀速率之比），可以面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥得到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。体

20、组成的绒面。绒面具有受光面积绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提高单晶硅大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，从而提高太阳太阳电池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换效率电池的光电转换效率。第19页，共48页，编辑于2022年，星期五 金字塔形角锥体的表面积金字塔形角锥体的表面积S0S0等于四等于四个边长为个边长为a a正三角形正三角形S S之和之和 由此可见有绒面的受光面积比光面提高由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即了倍即1.7321.732倍。倍。绒面受光面积绒面受光面积第20页，共48页，编辑于2022年，星期五 当一束强度为当一束强度为E0E0的光投射到图中的

21、的光投射到图中的A A点，产生反射光点，产生反射光1 1和进入硅中的和进入硅中的折射光折射光2 2。反射光。反射光1 1可以继续投射到另一方锥的可以继续投射到另一方锥的B B点，产生二次反射光点，产生二次反射光3 3和进入半导体的折射光和进入半导体的折射光4 4；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有算可知还有11%11%的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为面的反射率为9.04%9.04%。绒面反射率绒面反射率第21页，共48页，编辑于2022年，星期五由于原始硅片

22、采用由于原始硅片采用P P型硅，发射区扩散一般采用三氯氧磷型硅，发射区扩散一般采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。目前大型的太阳能厂家一般用成本。目前大型的太阳能厂家一般用8 8吋硅片扩散炉、石英吋硅片扩散炉、石英管口径达管口径达270mm270mm，可以扩散，可以扩散156156156156（mmmm）的硅片。）的硅片。由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性；由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性；因为采用磷扩散，可以实现高浓度的掺杂，有利于降低太阳电因为采用磷扩散，可以实现高浓度的

23、掺杂，有利于降低太阳电池的串联电阻池的串联电阻RsRs，从而了提高太阳电池填充因子，从而了提高太阳电池填充因子FFFF。扩散条。扩散条件为件为880880CC，1010分，得到的分，得到的P-NP-N结深约结深约0.150.15 m m。发射区扩散发射区扩散第22页，共48页，编辑于2022年，星期五SiN钝化与钝化与APCVD淀积淀积TiO2先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池阳电池(PESC)(PESC)工艺。扩散后，在去除磷硅玻璃的硅片上工艺。扩散后，在去除磷硅玻璃的硅片上,热氧化热氧化生长一层生长一层10nm25nm

24、厚厚SiOSiO2 2,使表面层非晶化使表面层非晶化,改变了表面层硅原子改变了表面层硅原子价键失配情况价键失配情况,使表面趋于稳定使表面趋于稳定,这样减少了发射区表面复合这样减少了发射区表面复合,提提高了太阳电池对蓝光的响应高了太阳电池对蓝光的响应,同时也增加了短路电流密度同时也增加了短路电流密度Jsc,Jsc,由由于减少了发射区表面复合于减少了发射区表面复合,这样也就减少了反向饱和电流密度这样也就减少了反向饱和电流密度,从从而提高了太阳电池开路电压而提高了太阳电池开路电压VocVoc。还有如果没有这层。还有如果没有这层SiN,SiN,直接淀直接淀积积TiOTiO2 2薄膜薄膜,硅表面会出现陷

25、阱型的滞后现象导致太阳电池短路硅表面会出现陷阱型的滞后现象导致太阳电池短路电流衰减电流衰减,一般会衰减一般会衰减8%8%左右左右,从而降低光电转换效率。故要先从而降低光电转换效率。故要先生长生长SiNSiN钝化再生长钝化再生长TiOTiO2 2减反射膜。减反射膜。TiOTiO2 2减反射膜是用减反射膜是用APCVDAPCVD设备生长的设备生长的,它通过钛酸异丙脂与纯水它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长产生水解反应来生长TiOTiO2 2薄膜。薄膜。第23页，共48页，编辑于2022年，星期五多晶硅太阳电池广泛使用多晶硅太阳电池广泛使用PECVDPECVD淀积淀积SiN,SiN,由于由于P

26、ECVDPECVD淀积淀积SiNSiN时时,不光是生长不光是生长SiNSiN作为减反射膜作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢同时生成了大量的原子氢,这些氢原这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池效多晶硅太阳电池,为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳。随着太阳电池立下汗马功劳。随着PECVDPECVD在多晶硅太阳电池成功在多晶硅太阳电池成功,引起人引起人们将们将PECVDPECVD用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。用于单

27、晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的表可以很好的钝化硅中的表面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高20%20%左右，同时左右，同时由于由于SiNSiN薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化作用。经验显示，用薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化作用。经验显示，用PECVD SiNPECVD SiN作为减反膜的单晶硅太阳电池效率高于传统的作为减反膜的单晶硅太阳电池效率高于传统的APCVD APCVD TiOTiO2 2作减反膜单晶硅太阳电池。作减反膜单晶硅太阳电池。SiNSiN减

28、反膜的厚度约减反膜的厚度约7575nm，折射率可高，折射率可高到到2.12.1（富硅）。（富硅）。PECVDPECVD淀积淀积SiNSiN第24页，共48页，编辑于2022年，星期五晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺。该工艺的基础理论。该工艺的基础理论来自合金法制来

29、自合金法制P-NP-N结工艺。当电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温结工艺。当电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料。单晶度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料。单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程相当快，一般只需几秒钟。溶入的单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程相当快，一般只需几秒钟。溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属材料体积愈

30、大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，原先溶入到电极金属材属的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，原先溶入到电极金属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，在金属和晶体接触界面上生长出一料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，在金属和晶体接触界面上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同杂质成层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触；如果再结晶层内含有足够量的份，就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触；如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电

31、类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成P-NP-N结。结。共烧形成金属接触共烧形成金属接触第25页，共48页，编辑于2022年，星期五银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机溶银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共烧工艺显可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共烧工艺显然是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶然是采用银硅的共晶温度，同时在几

32、秒钟内单晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。只经过一次这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。只经过一次烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限的，共烧保障了氢烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限的，共烧保障了氢原子大量存在，填充因子较高，没有必要引入氮氢烘焙工艺原子大量存在，填充因子较高，没有必要引入氮氢烘焙工艺（FGSFGS）。）。第26页，共48页，编辑于2022年，星期五电池片测试电池片测试主要测试太阳电池的基本特性：主要测试太阳电池的基本特性：开路电压开路电压VOC、

33、短路电流、短路电流ISC、填充因子、填充因子FF、能量转换效率、能量转换效率。FF为电池的填充因子为电池的填充因子(FillFactor),它定义为电池具有最大输出功率它定义为电池具有最大输出功率(Pop,)时的电流时的电流(IOpt)和电压和电压(Vopt)的乘积的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值，与电池的短路电流和开路电压乘积的比值，较高较高的的短短路电流和开路电压是路电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池的短路电流和开路电压完全产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填充因子。相同，制约其效率大小的参数就是填

34、充因子。能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射光能量能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射光能量转换成电能的效率。转换成电能的效率。第27页，共48页，编辑于2022年，星期五光电池的测试电路光电池的测试电路第28页，共48页，编辑于2022年，星期五PN结两端的电流结两端的电流光电池处于零偏时，光电池处于零偏时，V0，流过，流过PN结的电流结的电流IIP；光电池处于反偏时，；光电池处于反偏时，流过流过PN结的电流结的电流I IP-Is，当光电池用作光电转换器时，必须处于零，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。偏或反偏状态。光电流光电流IP与输出光

35、功率与输出光功率Pi 之间的关系之间的关系：R 为响应率，为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。第29页，共48页，编辑于2022年，星期五第30页，共48页，编辑于2022年，星期五光电池的伏安特性光电池的伏安特性下图显示了光电池的典型下图显示了光电池的典型I-V曲线。曲线。Pm为最大功率点。它的确定可为最大功率点。它的确定可用从光电池用从光电池I-V曲线上任意点向纵、横坐标引垂线，垂线与坐标轴保卫面曲线上任意点向纵、横坐标引垂线，垂线

36、与坐标轴保卫面积最大的点即为积最大的点即为Pm。根据该特性曲线可以确定光电池的根据该特性曲线可以确定光电池的开路电压、短开路电压、短路电流路电流。第31页，共48页，编辑于2022年，星期五太阳电池的短路电流等于其光生电流。决定短路电流的因素很多，太阳电池的短路电流等于其光生电流。决定短路电流的因素很多，分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和。短路电流是全部光谱段贡献的总和

37、。第32页，共48页，编辑于2022年，星期五负载特性负载特性第33页，共48页，编辑于2022年，星期五四、提高太阳能电池效率的途经四、提高太阳能电池效率的途经在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳能电池的在硅太阳能电池的制造历史中已经采用过许多措施来提高太阳能电池的光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能的研究正热火朝天光电转换效率，并且随着能源的不断消耗，高效太阳能的研究正热火朝天地进行。主要针对：地进行。主要针对：1.1.降低光电子的表面复合，如降低表面态等；降低光电子的表面复合，如降低表面态等；2.2.降低入射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积降低入

38、射光的表面反射，用多种太阳光减反射技术，如沉积 减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度减反层、硅片表面织构技术、局部背表面场技术，最大限度 地减少太阳光在硅表面的反射；地减少太阳光在硅表面的反射；3.3.电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表电极低接触电阻和集成受光技术，如激光刻槽埋栅技术和表 面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积。面浓度扩散技术，使电极接触电阻低和增加硅表面受光面积。4.4.降低降低P-NP-N结的结深和漏电；结的结深和漏电；5.5.采用高效廉价光电转换材料；采用高效廉价光电转换材料；后面主要介绍高效太阳能电池材料和结构。后面主要介

39、绍高效太阳能电池材料和结构。第34页，共48页，编辑于2022年，星期五五、高效太阳能电池材料五、高效太阳能电池材料1.1.多晶硅多晶硅单晶硅太阳能电池消耗的硅材料很多。为了节省材料，目前发展单晶硅太阳能电池消耗的硅材料很多。为了节省材料，目前发展多晶硅多晶硅薄膜电池薄膜电池。采用。采用化学气相沉积法化学气相沉积法，包括用，包括用LPCVDLPCVD和和PECVDPECVD工艺制造多晶硅薄膜。工艺制造多晶硅薄膜。此外，液相外延法（此外，液相外延法（LPPELPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要以化学气相沉积主要以SiHSiH

40、2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3、SiClSiCl4 4或或SiHSiH4 4,为反应气体为反应气体,在一定的在一定的保护气氛下反应沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用保护气氛下反应沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用SiSi、SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4等。但等。但在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，且容易在晶粒间形成空隙。解决办法在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，且容易在晶粒间形成空隙。解决办法是是先用先用 LPCVDLPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，退火后得到较大的晶粒，在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，退火后得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多

41、晶硅薄膜然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。因此，再结晶技术是很重要的。因此，再结晶技术是很重要的环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和区熔再结晶法。多晶硅薄膜电环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除再结晶工艺外，采用单晶硅太阳能电池的所有技术，德国人用区熔再池除再结晶工艺外，采用单晶硅太阳能电池的所有技术，德国人用区熔再结晶法制得电池的效率高达结晶法制得电池的效率高达1919，日本三菱同法制得得效率为，日本三菱同法制得得效率为16.216.2第35页，共48页，编辑于2022年，星期五2.2.非晶硅薄膜非晶硅薄膜开发太阳能电池的两个关键是：开发太阳能电池的两个

42、关键是：提高转换效率和降低成本提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜。由于非晶硅薄膜成本低，便于大量生产，受到普遍重视并得到迅速发展。成本低，便于大量生产，受到普遍重视并得到迅速发展。但但非晶硅光学带隙为非晶硅光学带隙为1.7eV1.7eV,对太阳辐射光谱的长波区域不敏感对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这就限制了非，这就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而其光电效率会随着光照时间的延续而衰减衰减，即光致衰退，即光致衰退S S一一W W效应，使电池性能不稳定。效应，使电池性能不稳定。解决途径就是制备叠层解决途径就是制备叠层太阳能

43、电池太阳能电池。叠层电池是由在制备的。叠层电池是由在制备的p、i、n层单结电池上再沉积一个或多个层单结电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；顶电池的顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽层中的光生载流子抽出；出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；

44、底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；叠层叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的太阳能电池各子电池是串联在一起的。第36页，共48页，编辑于2022年，星期五非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、PECVD法、法、LPCVD法等，反应原料气体为法等，反应原料气体为H2稀释的稀释的SiH4，衬底主要为玻，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进单结电

45、池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13，创下新的，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池如果能

46、进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。第37页，共48页，编辑于2022年，星期五3.3.多元化合物薄膜多元化合物薄膜 为了寻找单晶硅电池的替代品为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉

47、、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高（碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高（1213），成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环），成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓砷化镓III-V族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs属于属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为族化合物半导体材料

48、，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。值，因此，是很理想的电池材料。GaAs等等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和和LPE技术，其中技术，其中MOVPE方法制备方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、薄膜电池受衬底位错、反应压力、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响。比率、总流量等诸多参数的影响。除除GaAs外，其它外，其它III-V化合物如化合物如Gasb、GaInP等等电池材料也得到了开发。电池材料也得到了开发。第38页，共48页，编辑于2022年，星期五1998年德国费莱堡太阳

49、能系统研究所制得的年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为太阳能电池转换效率为24.2，首次制备的，首次制备的GaInP电池转换效率为电池转换效率为14.7另外，该研究所还采用另外，该研究所还采用堆叠结构制备堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到所得到的电池效率达到31.1。铜铟硒铜铟硒CuInSe2简称简称CIS。CIS材料的能隙为材料的能隙为1.leV，适于太阳光的光电转换。，适于太阳光的光电转换。另外，另外

50、，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用H2Se叠层膜硒化，但难以得到成分均匀的叠层膜硒化，但难以得到成分均匀的CIS。CIS薄膜电池的转换效率将达薄膜电池的转换效率将达到到20，相当于多晶硅太阳能电池。，相当于多晶硅太阳能电池。CIS作为太阳能电