1、微电子工艺原理与技术微电子工艺原理与技术 李李 金金 华华太阳能电池制造工艺太阳能电池制造工艺主要内容主要内容 硅太阳能电池工作原理硅太阳能电池工作原理 太阳能电池硅材料太阳能电池硅材料 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，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中；洁能源，不产生任何的环境污染
2、。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。域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，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。太阳能电池发电的原理
3、主要是半导体的内光电效应，一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：般的半导体主要结构如下：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。旁边的四个电子。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 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：硅晶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图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅
4、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只有3 3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空个电子，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，容易吸收电子而中和，形穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成成P P 型半导体。型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有同样，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，形成一个电子变得非常活跃，形成N N型半导体。黄色的为磷原子核，型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。
5、如下图。红色的为多余的电子。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）材料中的空穴型）材料中的空穴（电子）向（电子）向N 型（型（P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合型）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，在进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区结两侧形成一个耗尽区。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，耗尽区在外电结反偏时，外加电
6、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；当场作用下变宽，使势垒加强；当PNPN结正偏时，外加电场与内电结正偏时，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。场方向相反，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。当光当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表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发到导带的束缚电子激发到导带(光生伏
7、特效应），激发出的电子空穴光生伏特效应），激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到对在内电场作用下分别漂移到N N型区和型区和P P型区，当在型区，当在PNPN结两端加结两端加负载时就有一光生电流流过负载。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，将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：电器件里可利用的电子有：（1）价带电子；）价带电子；（2）自由电子或空穴
8、（）自由电子或空穴（Free Carrier）；）；（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。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征或到光的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。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造是由半导体的PNPN结组成。此外，异质结、肖特基势垒等结组成。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。也可以得到较好的光电转换效率。太阳电池能量
9、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，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子结上时，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到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入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n区，区，空穴流入空穴流入p区，结果使区，结果使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。区有过剩的空穴。它们在它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部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，还使分抵消势垒电场的
10、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，这就是光生伏特效应光生伏特效应。此时，如果。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，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，则由于电子和空穴结两端开路，则由于电子和空穴分别流入分别流入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，在这区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以
11、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。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二。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，并由此可以决定极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。的值。光生伏特效应光生伏特效应 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，型区移动，而而P P型区中的电子往型区中的电子往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型区的型区的电流。然后在电流。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。硅太阳能电池结构硅太阳
12、能电池结构 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常反射系数非常小的保护膜小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层沉积沉积一层氮化硅膜氮化硅膜，厚度在，厚度在10001000埃左右。将反射损失埃左右。将反射损失减小到减小到5 5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟甚至更小。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（通常是有限，于是人们又将很多电池（通常是3636个）个
13、）并联或串联并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。起来使用，形成太阳能光电板。由于半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属，阳光就不能通过，电流就不能产生，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），以增梳状电极），以增加入射光的面积。加入射光的面积。梳状电极和抗反膜梳状电极和抗反膜 二太阳能电池的硅材料二太阳能电池的硅材料 通常
14、的晶体硅太阳能电池是在厚度通常的晶体硅太阳能电池是在厚度300300350m350m的高质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，一般片厚约晶硅棒切成片，一般片厚约0.40.40.450.45毫米。硅片经过切、毫米。硅片经过切、抛、磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。抛、磨、清洗等工序，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
15、）要求低得多。太阳能硅常用）要求低得多。太阳能硅常用0.32cm的的P P型（型（100100）单晶硅片。单晶硅片。制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片，在高温石制造太阳电池片，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、磷、锑等。目的是在硅片上形成硼、磷、锑等。目的是在硅片上形成P/NP/N结。然后采用丝结。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，并在有栅线的面涂覆减反射膜结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆
16、减反射膜 ，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过检测，即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（太阳电池板），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。最后用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。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左右，实验室成果也有左右，实验室成果也有2020以上的。常州天和光能和以上的
17、。常州天和光能和无锡尚德的转换效率在无锡尚德的转换效率在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以上。以上。三、硅太阳能电池制造工艺三、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。表
18、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片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。当各向异性因子制备绒面。当各向异性因子1010时（所谓各向异性因子就时（所谓各向异性因子就是（是（100100）面与（）面与（111111）面单晶）面单晶硅腐蚀速率之比），可以得到硅腐蚀速率之比），可以得到整齐均匀的金字塔形的角锥体整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。组成的绒面。绒面具有受光面绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可提积大，反射率低的特点。可提高单晶硅太阳电池的短路电流，高单晶硅太阳电
19、池的短路电流，从而提高太阳电池的光电转换从而提高太阳电池的光电转换效率效率。金字塔形角锥体的表面积金字塔形角锥体的表面积S0S0等于等于四个边长为四个边长为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由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即面提高了倍即1.7321.732倍。倍。20a3a23a214S绒面受光面积绒面受光面积 当一束强度为当一束强度为E0E0的光投射到图中的的光投射到图中的A A点，产生反射光点，产生反射光1 1和进和进入硅中的折射光入硅中的折射光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，点，产生二次反射光产生
20、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；而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有不产生这第二次的入射。经计算可知还有11%11%的二次反射光可能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进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%9.04%。绒面反射率绒面反射率 由于原始硅片采用由于原始硅片采用P P型硅，发射区扩散一般采用三型硅，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，氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。目前大型的太阳能厂家一般用有利于降低成本。目前大型的太阳
21、能厂家一般用8 8吋吋硅片扩散炉、石英管口径达硅片扩散炉、石英管口径达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，有利于降低太阳电池的串联电阻杂，有利于降低太阳电池的串联电阻RsRs，从而了提高，从而了提高太阳电池填充因子太阳电池填充因子FFFF。扩散条件为。扩散条件为880880CC，1010分，得分，得到的到的P-NP-N结深约结深约0.150.15 m m。发射
22、区扩散发射区扩散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太阳电池(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,热氧化生长一层热氧化生长一层10nm25nm厚厚SiOSiO2 2,使表面层非晶化使表面层非晶化,改变改变了表面层硅原子价键失配情况了表面层硅原子价键失配情况,使表面趋于稳定使表面趋于稳定,这样减少这样减少了发射区表面复合了发射区表面复合,提高了太阳电池对蓝光的响应提高了太阳电池对蓝光的响应,同时也同时也增加了短路电流密度增加
23、了短路电流密度Jsc,Jsc,由于减少了发射区表面复合由于减少了发射区表面复合,这样这样也就减少了反向饱和电流密度也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电从而提高了太阳电池开路电压压VocVoc。还有如果没有这层。还有如果没有这层SiN,SiN,直接淀积直接淀积TiOTiO2 2薄膜薄膜,硅表面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会出现陷阱型的滞后现象导致太阳电池短路电流衰减,一般一般会衰减会衰减8%8%左右左右,从而降低光电转换效率。故要先生长从而降低光电转换效率。故要先生长SiNSiN钝钝化再生长化再生长TiOTiO2 2减反射膜。减反射膜。TiOTiO2 2减
24、反射膜是用减反射膜是用APCVDAPCVD设备生长的设备生长的,它通过钛酸异丙脂它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长与纯水产生水解反应来生长TiOTiO2 2薄膜。薄膜。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PECVDPECVD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同时生成了大量的原子氢氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重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作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池,为上
25、世纪末多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,引起人们将引起人们将PECVDPECVD用于单晶用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望。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，一般要提高中的表面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高20%20%左右，同时由于左右，同时由于SiNSiN薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化薄膜对单晶硅表面
26、有非常明显的钝化作用。经验显示，用作用。经验显示，用PECVD SiNPECVD SiN作为减反膜的单晶硅太阳电作为减反膜的单晶硅太阳电池效率高于传统的池效率高于传统的APCVD TiOAPCVD TiO2 2作减反膜单晶硅太阳电池。作减反膜单晶硅太阳电池。SiNSiN减反膜的厚度约减反膜的厚度约7575nm，折射率可高到，折射率可高到2.12.1（富硅）。（富硅）。PECVDPECVD淀积淀积SiNSiN 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，结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，
27、共烧工艺只需一次烧结，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关键工艺。该工艺的基础理论来自合金法制。该工艺的基础理论来自合金法制P-NP-N结工艺。当电极金属结工艺。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。单晶硅原子溶入到电极金属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。溶入的单晶硅原子数目决定中的整个过程
28、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，电极金属材料体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层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导上生长出一层
29、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与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，再结晶层内含有足够量的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 银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机银桨、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，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，可视
30、为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共烧工艺显然是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单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入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形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，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。只经过一次烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限构。只经过一次烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限的，共烧保障了氢原子大量存在，填充因子较高，没有必的，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
31、工艺（要引入氮氢烘焙工艺（FGSFGS）。）。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、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(Fill Factor),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)的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值，的乘积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。如果两个电池电流和开路电压是产生
32、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。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。光能量转换成电能的效率。光电池的测试电路光电池的测试电路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；光电池处于反偏时，流过处于反偏时，流过PN结的电流结的电流I IP-Is，当光电池用作光电，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏
33、或反偏状态。转换器时，必须处于零偏或反偏状态。光电流光电流IP与输出光功率与输出光功率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，对不同材料制值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池作的光电池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。PKTevsIeII)1(/PiIRP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。它的确为最大功率点。它的确定可用从光电池定可用从光电池I-V曲线上任意点向纵、横坐标引垂线，垂线与曲线上任意点向纵、横坐标引
34、垂线，垂线与坐标轴保卫面积最大的点即为坐标轴保卫面积最大的点即为Pm。根据该特性曲线可以确定光根据该特性曲线可以确定光电池的电池的开路电压、短路电流开路电压、短路电流。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，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，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，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，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和。电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和。负载特性负载特性四、
35、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地进行。主要针对：究正热火朝天地进行。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、
36、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。后面主要介绍高效太阳能电池材料和结构。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
37、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，目前发展多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池。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工艺工艺制造多晶硅薄膜。此外，液相外延法（制造多晶硅薄膜。此外，液相外延法（LPPELPPE）和溅射沉积法也可用）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。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SiHSiH2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3、SiClSiCl4 4或或SiHSiH4 4,为反应气为反应气体体,在一定的保护气氛下反应沉积在加热
38、的衬底上，衬底材料一般在一定的保护气氛下反应沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用选用SiSi、SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4等。但在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，且等。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。解决办法是容易在晶粒间形成空隙。解决办法是先用先用 LPCVDLPCVD在衬底上沉积一层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晶硅薄膜积厚的多晶硅薄膜。因此，再结晶技术是很重要的环节，目前采用。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
39、和区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除再结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16.216.22.2.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。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。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。但但非晶
40、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，这就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，这就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着其光电效率会随着光照时间的延续而衰减光照时间的延续而衰减，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太阳能电池解决途径就是制备叠层太阳能电池。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。叠层太阳能电池子电池制得的。叠层太阳能电池提高
41、转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同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；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；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；叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射非晶硅薄膜太
42、阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、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，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池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单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太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展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能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电池转换效率达到13，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力
43、达池年生产能力达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。如果能进一步解决稳定性问题及提高转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，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发换率问题，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。展产品之一。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
44、硅、非晶硅薄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包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。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、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅上述电池中，尽管硫化镉、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（薄膜太阳能电池效率高（1213），成本较单晶硅电池低，并），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
45、，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。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。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，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。正好为高吸收率太阳光的值，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，其技术，其中中MOVPE方法制备方法制备GaAs薄膜
46、电池受衬底位错、反应压力、薄膜电池受衬底位错、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。2019年德国费莱堡太阳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太阳能电池转太阳能电池转换效率为换效率为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，另外，该研究所还采用堆叠结构制备该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，独立的
47、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,所所得到的电池效率达到得到的电池效率达到31.1。铜铟硒铜铟硒CuInSe2简称简称CIS。CIS材料的材料的能隙为能隙为1.leV，适于太阳光的光电转换。另外，适于太阳光的光电转换。另外，CIS薄膜太阳电池不薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材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。料也引起了人们的注目。CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和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，硒化法硒化法。
48、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薄膜电薄膜电池的转换效率将达到池的转换效率将达到20，相当于多晶硅太阳能电池。，相当于多晶硅太阳能电池。CIS作为太作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，
49、因此，这类电池的发展又必然受到限制。展又必然受到限制。铜铟硒铜铟硒(CIS)(CIS)薄膜太阳电池性能优异，被国际上称为下一代的薄膜太阳电池性能优异，被国际上称为下一代的廉价太阳能电池。廉价太阳能电池。吸引世界众多的光伏专家进行研究开发。由于吸引世界众多的光伏专家进行研究开发。由于铜铟硒电池是多元化合物半导体器件，复杂的多层结构和敏感的铜铟硒电池是多元化合物半导体器件，复杂的多层结构和敏感的元素配比，要求其工艺和设备极其严格。太阳电池光电转换效率元素配比，要求其工艺和设备极其严格。太阳电池光电转换效率是代表材料性能、器件结构、制备技术、工艺设备和检测手段等是代表材料性能、器件结构、制备技术、工
50、艺设备和检测手段等综合性整体水平的标志性指标，世界上只有四个国家开发出这种综合性整体水平的标志性指标，世界上只有四个国家开发出这种单体电池和集成组件，美、日、德三国完成了中试线的开发，尚单体电池和集成组件，美、日、德三国完成了中试线的开发，尚未实现商品化。未实现商品化。采用采用CuInGaSe CuInGaSe 多元复合薄膜，也可生产高效太阳能电池。薄多元复合薄膜，也可生产高效太阳能电池。薄膜是通过在玻璃膜是通过在玻璃o o基材上通过物理气相淀积铜和硒或铟和硒并基材上通过物理气相淀积铜和硒或铟和硒并调整该薄膜的最终化学计量比调整该薄膜的最终化学计量比CuCu=11.2 (In,Ga)=11.2
