硅太阳能电池器件

第四章同质结太阳能电池

4.1 引言

现在我们开始对具体的光伏结构做详细的研究，首先探索的是p-n和p-i-n 型同质结太阳能电池类型。这种类型的太阳能电池的血统可以追溯到1941年Ohl 的工作，他展示出一种生长硅的p-n结光电器件。大约12年之后，一种效率为6%，扩散形成的单晶硅p-n结器件被证实，到1958年，效率为14％的单晶硅设备有效地运用了扩散结技术。在硅电池发展的同时，基于其他单晶半导体材料的p-n同质结电池的研究也开始进行，例如砷化镓。一个效率为22%（在一个光照条件下）的浅结砷化镓同质结器件被证实，例如一个效率为22%（实质上是在一

个光照条件下）的器件。这种结构的宽缝

隙层减少了前表面附近的光学生成并且充当一种选择性的欧姆接触。在随后的几年里，这些硅和III-V族化合物半导体的p-n结技术得到了继续的完善。薄膜p-n同质结结构也迅速出现，因为潜在的材料成本的节省使其具有吸引力。他们最初使用的半导体有多晶硅CuInS2、多晶硅CuInSe2、加氢非晶硅（a-Si:H）。有趣的是，同质结电池都是基于电子 - 空穴产生的吸收材料。基于激子产生的吸收剂的同质结电池还没有被实现。协商一致的是，他们的不能实现是由于（1）内置电池领域不能解离线态激子，因此也是因为（2）需要用半导体异质结或金属半导体界面去进行激子分离和电荷分离。

图4.1给出了一些可能的各种结构的同质结结点的能带图。所有这些具有主要对称性破缺的电荷分离区域采用了一个通过内置p-n或p-i-n同质结形成的电场。其中的几个例子具有附属有效场区域，这来自于HT-EBL吸收剂电子亲和性的改变。还有一种也具有附属有效场区域，是来自于ET-HBL吸收剂空穴亲和性的变化。图4.1e有一个底触点处的附属电场区域，这是由于n-n+“高 - 低”交界点的作用。所有这些电池中的不同类型的附属区域被用来创建选择性欧姆接触，这些是通过有效场或电场来实现。在图4.1b-d中，前宽带隙区域也具有在接触点附近停止产生光载流子的优势，这个接触点上光子通量最强。这防止了接

触点处光电子重组的损失。在图4.1b中的渐变亲和区在p-n同质结术语中被称为异质面结构。在图4.1e中的附属电场区域被称为背面场区。图4.1a-d中存在内置静电势与相关的p-n金相结区域，然而在图4.1e中在电池的背面它有一定的作用，而在图4.1f中，内建的电势存在于整个p-i-n型电池中。无论是否存在附属的场区域，这些器件中的主要“电荷分离引擎”位于同一半导体的各个p 区,n区,甚至是i区域。因此，如前所述，这整个类别被称为同质结太阳电池。

图4.1一些同质结太阳能电池的配置是从左侧入光：（a）无附属区域的p-n吸收体结构,(b) 具有形成选择性欧姆接触的渐变附属有效场区的p-n吸收体结构，（c）具有形成选择性欧姆接触的突变附属有效场区的p-n吸收体结构，（d）具有在前后面形成选择性欧姆接触的突变附属有效场区的p-n吸收体结构，（e）具有形成选择性背面欧姆接触的突变附属有效场区的p-n吸收体结构，（f）一个没有附属区域的p-i-n结构。在这些结构中，V Bi是在TE两端装置中内建电子的电势能。在（a）- (d)中的内建静电势被看作是存在于p-n结区域的。在（e）中，它被看作是在两个区域形成，而在（f）中，这个内建电位是在整个p-i-n电池中形成。由于光照来自左侧，（b-d）的结构抑制了前表面重组，这会非常有用。

在图4.1的p-n组态中，存在没有内建场p-n结的平带电压相邻区域。我们

知道在这些区域没有内建电场的存在，因为附件D确定了本地真空度的负导数并且在同质结带边缘始终是静电场。在这些平带电压区域存在一种通过掺杂而确定数目的多数载流子。它的数目一般是如此之大以至于很难利用光照来改变，至少在一个光照的条件下。其他具有很少数量的载流子在这些区域被称为少数载流子。这些少数载流子的数目一般通过照明能发生显著的改变。在这种平带电压区域，过量光照条件下产生的少数载流子被带到内建静电对称性破缺区域里，这通过检验图中的平带电压区域可以看出。因此，对于内置电场中p-n结区域的分离电荷的机械装置，扩散是被用来收集少数光载波的。在这些p-n电池的阻挡区，光载流子的漂移是非常重要的，带边衍生物表明存在内建静电场，这个静电场在一个方向上推动了空穴，在另一个方向上推动了电子。在p-i-n结构中，通过用于收集和分离的横跨装置，漂移得到了利用。图4.1 a-e中同质结设计适用于具有载流子扩散长的吸收材料，这种材料在平带区域外能获得少数光载波。图4.1 f 的p-i-n型设计对于相邻触点的掺杂情况，接触功函数，或者是贯穿整个结构设立的场来看是理想的，这使得L n Drift,L p Drift都约等于L ABS，电池的宽度约为L ABS。

4.2 同质结太阳能电池物理器件概述

4.2.1传输

我们开始通过考虑图4.2中简单的p-n结构来对同质结这类电池的内部物质如何移动的问题进行深入研究。在本章中，我们的最终目标是要了解整个电池的电流密度J和电压V之间函数关系的根源。若我们明白了这些，就可以分析器件和进行更好的设计。从图4.2中我们可以看到，由入射光产生的光生自由电子和空穴受到载波损耗机理的制约:（1）本体复合(机制1,4,5)，（2）顶端触点的重组（机制2,3），（3）底触点重组（机制6,7）。虽然这些重组正在发生，但是幸运的光生电子无重组地逃离了顶层，扩散到静电场（壁垒）区域。在那里，如果它们避免了在电场（垒）区域重组，那么它们将加入到光生电子之中，这些光生电子是在壁垒区域中产生的，并且通过漂移到底部材料时被一起扫出。一旦到了底部材料，电子仍然会重组成为迁移到底触点的多子。由于电子是在底层材料中的多数载流子，它们的主要活动是在这一层的漂移，但是是在一个非常小的电场中。相应的，在底层的光生空穴将主要扩散到静电场的势垒区，它们将加入在那里产生的空穴，通过漂移到顶端材而一同被扫出，并且同时有希望地避免重组。在

材料顶端的空穴成为了移到前接触点的多子，主要作为由一个非常小的电场建立的多数载流子漂移电流。

p 类型流出负载的

常规电流顶层或发射极n 类型

势垒区基极移向负载的

电子

移向负载的

空穴

流入负载的

常规电流

顶面、欧姆接触

欧姆接触

图4.2 一个光照条件下左侧入光的简单p-n 型同质结太阳能电池。图中所示为大量光载流损耗机理1，4，5，以及接触复合损耗机理2，3，6，7。粒子电流流向如图。机制2，3，6与7之间的区别已在第2.3节，2.9节中进行了深入讨论。

电子通过图4.2中正确接触（粒子流）所产生的过程1~7成功地避免了损耗机制，并且引起电流流经外围电路。它们传输到外围电路，进行工作，并返回到左侧触点，在那里它们完全湮灭，数量与新产生的空穴数目相同。这些空穴在电池的损耗机制下幸存下来。图4.2清楚的表明要去增加光电行为，这对于减少由于进程1~7导致的光载流子损耗的影响是必要的。请注意，当图4.1中的电池在光照条件下时，左侧的接触相对于在功率象限J-V 特性下在任何一点接触的右侧来说是较为积极的。还要注意的是在这个电源生产模式下，传统的电流图是在图

4.2的负x 方向上移动。虽然在图4.2中光照被描述为从触点的左侧入射，但是如果光照入射到右接触点，没有一种有关上述描述的电池操作会发生改变。

从图4.2中可以看出，开路电压的上限是针对于p-n 型同质结中最简单的内置静电势能V Bi 而言的。如果开路电压超过V Bi ，则势垒区中的电场将变号，电

流的流动方向也发生变化。如果发生这种情况，电流的流动方向改变将会使装置的J-V特性转变为功耗模式。虽然V Bi确立了开路电压的上限，但是我们强调它是建立了实际开路电压V oc的损耗机制1-7的动力学研究。进程1-7被抑制的越多，则越多的开路电压接近其极限值V Bi。开路电压V oc的量可以被看作是所需足够减少势垒静电场的电压，因此，驱动电子和空穴的准费米能级具有足够的间隔，该亏损正好等于生成。

在光照条件下,图4.2中所有活动的最终结果表现在非常普遍的数理层面，这是通过挑选任意平面并进行一些计算而得来的。计算必须确定当电池正在产生电压V时通过该平面的常规电流密度J。平面x=L+W作为我们进行“豆计数”的地方，使用电子作为“豆子”，可以看出，在平面x=L+W上单位时间单位面积离开装置的净电子数（实际上在x轴方向上离开的只是过程6，7的右侧，正如第2.3，2.9节中所讨论的）引起常规电流密度J在平面x=L+W上从负载流入装

置。豆计数表示，J一定来自,电子（空穴）单位时间单位面积的光生介于-d与L+W之间，是积分的负值，计算出单位时间单位面积丢失的电子（空穴）在-d与L+W之间重新组合的情况。数量-J ST(d)与J SB(L+W),计算单位面积单位时间丢失的电子（空穴）电荷在接触中的重组情况，并进行核算。这些全部给出为：

（4.1a）公式4.1a的延续性概念来自章节2.3.3中的积分形式。这里自由载流子光学生成函数G ph (λ,x)在2.2.6节中有介绍，其中整合公式4.1a中的λ代表入射频谱。

损耗机制1,4,5均通过积分进行认定。被积函数表示能带，S-R-H，螺旋净重组发生在入射光频谱下的一些x点处。这些损耗机制在第2.5.1节中进行了详细讨论。量J ST(-d)通过损耗机制2,3在表层顶端（前部有光照入射）有电子（空穴）的损失，而量J SB(L+W)通过入射光谱下的机制6,7在表层后端有电子（空穴）的损失。在我们继续探索之前，我们需要关注一下公式4.1a 中的符号约定的使用问题。因为我们已经在第一章中选定了功耗象限为第四象限，并且当装置产生动力时J在图4.2中为x轴负方向，所以公式4.1a前面的符

号是为了与x坐标轴，功耗象限的符号保持一致。

由公式4.1a得到短路电流密度J sc为：

（4.1b）这里的上标SC表示短路中损耗的评估。从公式4.1a中也能得出当

（4.1c）时出现了开路电压，其中上标OC表示开路中损耗的评估。

现在，如果我们能评估公式4.1a中的各个量，我们将得到一直在寻找的函数关系；也就是我们将获得J-V特性。评估这些方面需要大量的努力，这些将在使用数值分析方法的4.3节与使用分析方法的4.4节中呈现。现在，我们有方程4.1a-4.1c。它们是非常普通的，是陈述中整体概念的类型，并且适用于图4.1中所见的所有结构。既然我们有了方程4.1a，让我们来看一下是否能从中得到更多

东西。方程4.1a中的损耗（即：）取决于电压，这一事实我们也用到了方程4.1b, 4.1c中。它们也取决于光照。具体而言，它们依赖于入射频谱的分布与强度，因为后者两个频谱的特性会影响载流子群。如果没有光照，方程4.1a将缩减为：

（4.2）

其中，上标D是用来强调电压函数现在必须在黑暗中进行评估。方程4.2通常被称为黑暗电流密度J-V特性，我们定义它为J DK(V)。

我们也可以使用方程4.1a来作为理解电池性能的一个有用的措施，这称为量子效率。这个量用来测试外部电路中对于每一个入射光子波长λ有多少电子在做功。实际上，有两种量子效率：外部量子效率（EQE），我们已在第三章中运用，它用来测量检测光子在入射电池时的带宽的响应；内部量子效

率（IQE），用来测量检测光子在进入设备时的带宽的响应，在这

里对于进入真正电池之前被反射或吸收的光子已进行修正。为了能从定义中辨别出来，这两种量子效率都应≥0。一般情况下，它们取决于通过电池两端的电压（偏置）和电池上的入射光谱（偏置光）。大多数情况下，关于量子效率的报告中并没有偏置电压（短路状态）和偏置光。然而，若是在充电过程中，在偏置电压下获得的量子效率是有效的，因此，重度静电场再分配是在偏置状态下发生的。同样地，在装置中如果大流量的光载流子在偏置光状态下进行充电和重新排列电场，那么光的偏置是非常有意义的。如果不是当前存在载子倍增现象（参见2.2.6节），则当报告以百分比的形式时：EQE与IQE均≦100；如果是基于统一性时：EQE与IQE均≦1.因为EQE本质上是正的，由方程4.1a可以得到，在无偏置频谱时，它定义为：

（4.3）

其中的上标T表示入射电池的测试光子。IQE的定义通过调整单位

时间单位面积的光子数实现，这种调整是针对于带宽与 4.3方程中的分母

。量子效率的讨论不仅适用于同质结，而且在各种类型的太阳能电池中都是普遍适用的。方程式4.3的一般性是由于它仅是对于在测试光照条件下电池负损耗的一个表达式。

公式4.1a也可以用来让我们深入了解叠加假设。这个假设常用来构造各种类型太阳能电池的J-V特性。假定J写为光电流密度之差，这个值取决于光照且不受电压约束，但电流密度值依赖于电压而光照是否存在对其没有影响。由于电流密度的成分一定存在，一定要先进行讨论暗电流密度J DK(v)。由于电池的暗电流密度在短路状态下为零，所以此时光电流密度等于短路电流密度J SC。根据这个叠加假设，所寻找的J，V间的关系式如下：

J = -[ J SC - J DK(v)] （4.4）按照使用符号的习惯，在关系式的右侧加一个减号。当上式有效时，式子4.4表明一个同质结装置（或任何一个有效的电池）能够给出一个电气工程的图

形解释，解释是针对恒定电流发生器被一个电压依赖元件分流，而这个元件的J-V特性在光照与黑暗条件下是相同的。公式4.4也表明这些元素是相互之间对立的。从第三章中讨论的阻断对称性可知，我们期望得到图4.2结构中理想二极管的J DK(V)特性。

将一直有效的公式4.1和4.2代入叠加假设，由公式4.4表示叠加假设中的J为：

（4.5）

换句话说，假定4.1a式中的损耗通过

与.

在任意电压下的之和给出。显而易见的

问题是，如何进行有效叠加？严格意义上说，要让叠加有效，系统方程描述的是电池内部所发生的变化是线性的，但粗略地看一下这个数学系统（见2.4），表明该系统远非线性，除非一些现象没有发挥主要作用。

我们将在4.3，4.4节中详细地探讨在亮（在光照条件下）和暗J-V特性下同质结的特征。我们在未进行任何假设去获得J-V特性的条件下，使用2.4节的方程对公式4.1a进行数值计算。在理想情况下，这将让我们有机会了解更多关于同质结电池的设计和操作。通过这种方法，我们能判定公式4.4与我们观察到的的匹配程度。在4.4节中，我们使用一种分析方法来获取J-V特征。这让我们得以详细地检验所有4.4式中需要的假设是否严格地有效。希望这也会让我们进一步洞察到同质结的行为和性能的优化。

4.2.2 同质结势垒区

静电势垒区域是同质结电池的“电荷分离引擎”。它既不是图4.1a-e中的p-n 类型，也不是图4.1f中的p-i-n类型。这些势垒打破了对称性，使得两个方向不同，从而引起电荷分离和电流流动。从图4.1 a-e中p-n 同质结器件的能带图中可以看到，p-n电池的特征都有在一定程度上受到制约的壁垒区和在TE中静电势垒两侧的平带（没有内置的电场）区域。在有光照和电流流动的条件下，数值

分析（4.3节中）表明在p-n型电池平带区域产生了电场，但它通常较微弱。当这些在势垒外无光条件下且在TE中不存的电荷区域较小时，这些区域在光照下不能有任何显著的电荷密度出现。因此，它们通常是准中性区。“Quasi”在意大利语中是“准、几乎”的意思，所以我们在太阳能电池物理器件中称为准中性区和准费米能级（在附录C，D中定义）。由于在这些“差不多”p-n同质结的中性区域里电场很小，我们期望当电池在光照条件下时，势垒区中少数载流子的集合通过扩散占据主导地位。在准中性区域中载流子的漂移不是很重要，因为它涉及到的是少数群体的产物与一个十分小的静电场。图4.1f中的p-i-n型装置是另一种极端情况。它有一个内置的静电场，因此，一个静电场的势垒，延伸到整个电池并且没有平带区。在运行时，这些电池已被设计成为通过漂移在任何地方都可以收集到光生载流子。在许多情况下，p-n和p-i-n型势垒区域中得到的解析解的泊松方程（第2.3.4节中的方程2.45）产生的E C(x)，E V(x)，E VL(x) 和电场ζ(x) 是一个电压函数。这种分析方法的讨论，可以在标准物理器件方面的书籍中发现。当然，我们可以对在任何情况下使用数值解技术的准中性区域和阻隔区域来检测

E C(x)，E V(x)，E VL(x)和ζ(x) 。

4.3同质结物理器件的分析：数值求解方法

现在，我们将使用数值分析方法精确分析2.4节中的方程式，由此确定静电场，重组，以及p-i型和p-i-n型同质结太阳能电池在黑暗和光照条件下的电流。这能够让我们探究它们在黑暗与光照条件下J-V特性关系。一个太阳光照射（特别是AM1.5G）被用来确定光照条件下的J-V表现特征。数值方法的好处是不需要做一个广泛的假设，而这个假设对于用分析方法获得J-V特性是必需的。所有装置丰富的物理性质被保留下来。数值分析方法同时也让我们能够剖开电池，详细地观察其内部究竟是怎么回事。利用数值分析方法，我们可以深入了解接触材料HT-EBL和ET-HBL的影响以及背面采用高-低掺杂结构的使用情况。所有我们在4.3节中探索的装置只会产生自由电子空穴对的吸附。4.3.1到4.3.4节中例子的设计主要是利用电池平带区域中少数载流子的扩散集合，即：扩散是用来收集电池中静电场势垒区域里的光生少数载流子。4.3.5和4.3.6节研究替代p-i-n 型电池的方法，这种方法使用的是到处收集漂移载流子。虽然第3.4，1.4节表明，二维甚至是三维的太阳能电池结构可能有优势，但是一维配置在这里是用来保持

装置的相对简单和物理设备的集中。

4.3.1 基本的p-n 型同质结

数值分析中首先要考虑的同质结是图4.2类型的结构。这能从图4.3中看到并由表4.1中的参量来描述。本表中用到的材料参数是典型的硅。我们把这个简单的电池称为基线设备并用它来开始我们对同质结的数值分析。这种电池一直没有进行尝试过优化措施。从图4.3中可以看出，这个触点在产生内置电位中没有发挥任何作用。内置电位V Bi 为0.62电子伏特，它完全是从P 区和n 区之间的逸出功差中得来的。表4.1中的吸收体在1014 cm -1的浓度下呈现出间隙缺陷状态。这些状态遍布整个间隔带并作为S-R-H 复合中心。接触点间的传输是根据表中所列的表面复合速度来建模的。真空能级费米能级传导带价电带位置(μm)能

量

级

别

(eV)

图4.3 这是一个非常简单的，假设在热力学平衡状态下的p-n 型同质结的能带图。内置电位V Bi 为0.62电子伏特。光照条件下，光从左侧进入。

使用数值技术，同时解决针对表4.1和图4.3结构的存在于2.4节中的整个系统方程组，无任何假设，给出图4.4中光照与黑暗条件下的J-V 特性。这个图形表达出的信息是线性和半对数坐标的J-V 曲线。J sc 为11.8 mA/cm 2

， V oc =0.43 V, FF=0.74，AM1.5G 下的效率是3.8%。

光照

黑暗

理想二极管

电压

黑暗

光照

电压

图4.4 数值分析法对于表4.1与图4.3中的电池描述使用如图（a）半对数（b）线性关系来确定黑暗与光照条件下的J-V特性。按照我们的习惯，对于线性关系中的符号约定选取第四象限作为功率象限。

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池赵准（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000）摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。太阳能电池种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

晶体硅太阳能电池的制造工艺流程

晶体硅太阳能电池的制造工艺流程 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。晶体硅太阳能电池的制造工艺流程说明如下：（1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。（3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为－。（5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。（6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。（7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。（9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。

由此可见，太阳能电池芯片的制造采用的工艺方法与半导体器件基本相同，生产的工艺设备也基本相同，但工艺加工精度远低于集成电路芯片的制造要求，这为太阳能电池的规模生产提供了有利条件。

硅太阳能电池的结构及工作原理

硅太阳能电池的结构及工作原理集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

一.引言：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。?? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、

日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总绿色环保节能太阳能能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。在太阳能的有效利用当中；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。

硅基太阳能电池的发展及应用

.. 硅基太阳能电池的发展及应用摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。关键词：硅基太阳能电池转换效率 1引言二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。

（图1：太阳能电池的种类）太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。

硅太阳能电池的结构及工作原理

一.引言：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。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总绿色环保节能太阳能能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显

晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池专业班级：机械设计制造及其自动化13秋姓名：张正红学号： 1334001250324 报告时间： 2015年12月

晶体硅太阳能电池摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势前言 “开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。

晶硅太阳能电池的特点和种类

晶体硅太阳能电池的种类及特点太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基本原则。单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅，虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术 2.1前言部分 21世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这两个问题成为了制约经济发展的主要问题。太阳能作为一种清洁、无污染的新能源，早已走进了人们的视野，太阳能发电及光伏产业近来受到了人们的高度重视。太阳能电池是利用光生伏特效应直接把太阳能转换成电能的一种器件。太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，其中硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱。太阳能电池以硅材料为主的主要原因：对太阳能电池材料一般的要求： 1、半导体材料的禁带不能太宽； 2、要有较高的光电转换效率： 3、材料本身对环境不造成污染； 4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍。

2.2主题部分 2.2.1太阳能电池发展历程从发现光伏现象，太阳能电池已经有近170多年的发展历史。1839年法国人发现了光伏现象，38年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有1%的转换效率，作为发电没能推广。1954年美国贝尔实验室的3位科学家才做出具有实用价值的单晶硅电池（4.5%），几年后迅速提升到10%，这时主要用于卫星、航天器（价格太高，每瓦要近2000美圆）。上世纪70年代后，由于化石能源危机（石油、煤炭），再生能源被各国重视，尤其是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从1995年以后，太阳能电池以每年35%的年增长幅度高速发展。价格也大幅度降低（2—4美圆每瓦) 最近5年是世界光伏电池快速增长几年，平均年增长速度超过40%。 2004年全球太阳能电池产量1200MW，2005年产量达到1650MW，比2004年增加38%。转换效率常规生产单晶15.5%、多晶14.5%，实验室达24.8%。由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加上地球硅材料及其丰富，有人预计，太阳能发电21世纪中叶将占整个能源市场的20%-50%。 2.2.2太阳能晶硅电池关键材料技术 ·晶体硅太阳能电池的基本原理

硅太阳能电池的主要性能参数

硅太阳能电池的主要性能参数本信息来源于太阳能人才网|https://www.360docs.net/doc/d311932845.html, 原文链接：硅太阳能电池的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。 ①短路电流(isc)：当将太阳能电池的正负极短路、使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培(a)，短路电流随着光强的变化而变化。 ②开路电压(uoc)：当将太阳能电池的正负极不接负载、使i=0时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(v)。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.7v。 ③峰值电流(im)：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是安培(a)。 ④峰值电压(um)：峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是v。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.45～0.5v，典型值为0.48v。 ⑤峰值功率(pm)：峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：pm===im ×um。峰值功率的单位是w(瓦)。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度lkw／㎡、光谱aml.5、测试温度25℃。 ⑥填充因子(ff)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。计算公式为ff=pm/(isc×uoc)。填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。串、并联电阻对填充因子有较大影响，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.5～0.8之间，也可以用百分数表示。 ⑦转换效率(η)：转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即： η=pm(电池片的峰值效率)/a（电池片的面积）×pin（单位面积的入射光功率），其中pin=lkw ／㎡=100mw／cm2。电池组件的板型设计在生产电池组件之前，就要对电池组件的外型尺寸、输出功率以及电池片的排列布局等进行设计，这种设计在业内就叫太阳能电池组件的板型设计。电池组件板型设计的过程是一个对电池组件的外型尺寸、输出功率、电池片排列布局等因素综合考虑的过程。设计者既要了解电池片的性能参数，还要了解电池组件的生产工艺过程和用户的使用需求，做到电池组件尺寸合理，电池片排布紧凑美观。组件的板形设计一般从两个方向入手。一是根据现有电池片的功率和尺寸确定组件的功率和尺寸大小；二是根据组件尺寸和功率要求选择电池片的尺寸和功率。电池组件不论功率大小，一般都是由36片、72片、54片和60片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片×9片、6片×6片、6片×12片、6片×9片和6片×10片等。下面就以36片串联形式的电池组件为例介绍电池组件的板型设计方法。

太阳能电池的发展与应用

太阳能电池的发展与应用目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。太阳能蓄电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于"先锋1号"人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能蓄电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能蓄电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能蓄电池组件的产量70MW(兆瓦)，我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能蓄电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户(2800万人口)，还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。

高效晶体硅太阳能电池介绍

高效晶体硅太阳电池简介（1） PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究的高效电池。它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％[26]。由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 Ωcm以下的硅材料。为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示[27]。定域掺硼的温度为900 ℃，时间为20 min，随后采用了drive-in step技术（1070 ℃，2 h）。经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20 Ω/□以下。孔间距离也进行了调整，由2 mm缩短为250 μm，大大减少了横

向电阻。如此，在0.5 Ωcm和2 Ωcm的p型硅片上制作的4 cm2的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。 1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记录。这种PERL电池取得高效的原因是[28]：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 ℃的合成气氛中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。在这个电池中浓硼扩散区面积为30 μm×30 μm，接触孔的面积为10 μm ×10 μm，孔间距为250 μm，浓硼扩散区的面积仅占背面积的1.44%。定域扩散

太阳能硅材料的发展前景调研

太阳能电池级硅材料行业调研报告 1国内外光伏发电现状 1.1全球光伏发电现状 2008年全球光伏发电累计装机容量：14GW 为了扶持和促进太阳能发电产业的发展，很多国家都制定了相关的激励政策用于鼓励产业界以及科技界对该产业的投入，太阳能产业已初具规模。 2008年全球光伏发电累计装机容量为14.5GW，1992年仅0.1 GW。特别是2000年以来，全球光伏发电装机容量以每年40%的速度增长，仅2008年一年就新增6GW。光伏发电仅满足全球0.1%的电力需求。但发展速度惊人。全球光伏发电装机容量变化 2009年全球新增光伏发电装机容量7.2GW ，其中德国3.8GW，约占全球的1/2。欧洲之外，最大的市场是日本，新增装机容量预计为1GW，其次为美国0.8GW。2010年全球新增光伏装机容量16GW，是上年新增容量的两倍。德国和意大利的数据大约分别为7GW和3GW。欧洲其他主要国家的太阳能光伏发电新增装机容量预计为捷克1.3GW，法国0.5GW，西班牙0.4GW，比利时0.25GW以及希腊0.2GW。2010年全球太阳能光伏累计装机容量接近40GW，比2009年的23GW增加70%。 2011年全球新增光伏装机预计19GW。 1.2中国光伏发电现状中国太阳能发电产业起步晚，发展快，空间大截至2008年底，中国累计光伏装机量仅为145MW。中国政府的一系列光伏激励政策促进了中国光伏市场的快速增长。2009年中国年度光伏新增装机量达到160MW，超过了截至2008年底的累计安装总量。2010年实际新增装机量超过500MW。截止到2010年底，光伏累计装机容量为800MW 左右，仍未达到1GW。

我国太阳能电池的发展历史

从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来，到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉编辑：“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。” 据统计，从2002年至今，中国太阳能电池产量猛增了77倍。2008年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。 1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应；1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池；1983年美国在加州建立了当时世界上最大的太阳能电厂……人类从来未曾停止过追逐太阳的步伐。 1969年研制完成硅太阳能电池组 1958，我国研制出了首块硅单晶中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国对编辑说：“美国1957年左右拉出了首块硅单晶，我国1958年也研制出了首块硅单晶，随后，中科院物理新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。” 最初，研发出的电池主要用于空间领域。从1958年到1965年间，半导体所研制出的PN结电池效率突飞猛进，10×20mm电池效率稳定在15%，同国际水平相差不大。 1968年至1969年底，半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中，研究人员发现，P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射，造成电池衰减，使电池无法长时间在空间运行。

于是，包括王占国在内的6人小组开始进行人造卫星用硅太阳电池辐照效应研究，实验过程中，由于技术不成熟、设备落后，致使王占国的右手严重电子灼伤，从此他一直饱受痛苦，直到1978年夏天进行植皮手术才有所缓解。编辑注意到，王占国院士右手手背上有一些黑色的褶皱，这正是老一辈科学家殚精竭虑献身科学的印记。经过刻苦攻关，实验结果给研究人员带来巨大惊喜。王占国院士介绍，NP 结硅太阳电池抗电子辐照的能力比PN结硅电池大几十倍！随后，半导体所做出了将硅PN电池改为NP定型投产的决定，生产出了5690片NP结硅太阳电池，其中达到空间应用要求的成品3350片，圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制、生产任务。1971年实践1号发射升空，在8年的寿命期内，太阳电池功率衰降不到15%，该项目在1978年全国科学大会上获重大成果奖。 1969年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。王占国院士说：“70年代末，我国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究，该电池具有很高的光发射和光吸收系数，1999年，2×2cm2电池的转换效率达22％。” 1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。 1998，我国太阳能产业有了第一个“吃螃蟹”的人上世纪80年代开始，我国太阳能电池开始进入萌芽期，研发工作在各地次第展开，但进展缓慢。

晶体硅太阳能电池依然是主流

未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高，制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两种，它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。但是，专家认为，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。晶体硅太阳能电池依然是主力在太阳能光伏领域，晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，因此虽然薄膜太阳能电池迅速崛起，但晶体硅太阳能电池目前仍是太阳能电池行业的主力。在2007年全球前十大太阳能电池生产商中，有9家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。据应用材料公司提供的PV（光伏）产业预测，尽管多晶硅太阳能电池技术相对市场占有率有下降趋势(即2007年45%，2010年40%，2015年37%)，但总体上多晶硅太阳能电池年增长率在以40%—50%的速度发展，未来市场相当可观。硅是自然界存量最多的元素之一，硅材料来源广泛、价格低廉且容易获得，大生产制造技术成熟，电池制造成本持续下降，业内专家预计，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜电池的发展等原因而下降，但主导地位仍不会根本改变。而随着太阳能电池尺寸的加大，多晶硅太阳能电池制造技术的成熟，其转换效率和单晶硅电池的差距越来越小，制造成本优势逐渐显现，所占份额也会不断提高。以高纯多晶硅为原料而制备的晶硅电池占据现有太阳能电池80%以上的市场，由于其原料易于制备，电池制备工艺最为成熟，在硅系太阳能电池中转换效率最高，无论其原料还是产品都对人类无毒无害等优点而获得了广泛的开发和应用。预计在未来的20年～30年里还不可能有其他材料和技术能取代晶硅电池位居第一的地位。多晶硅产能扩大成本降低多晶硅太阳能电池之所以占据主流，除取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。随着硅太阳能商业化电池效率不断提高、商业化电池硅片厚度持续降低和规模效应等影响，硅太阳能成本仍在降低，规模每扩大1倍，成本降低约20%。

石墨烯-硅太阳能电池研发现状及应用前景

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/d311932845.html, 石墨烯-硅太阳能电池研发现状及应用前景作者：朱淼李昕明朱宏伟来源：《新材料产业》2015年第07期传统能源如石油、天然气和煤炭等大量开采和消耗，使其储量已接近枯竭。能源短缺已成为当前制约世界各国经济社会发展的主要问题。我国已连续多年成为世界上最大的能源消耗国，年能源消耗占到全球总量的1/5。因此，我国未来所面临的能源问题尤其严重，寻找新的替代能源迫在眉睫。太阳能是一种清洁友好的新能源，其储量巨大，分布广泛，被普遍认为在未来的能源使用中具有光明的前景。太阳能电池便是基于光伏效应将太阳能转化为电能的器件。1954年，美国贝尔实验室第1次报道了光电转换效率达6%的单晶硅pn结型太阳能电池，成为了太阳能发电史上的里程碑[1]。经过数十年的研究和发展，今天可用于制作太阳能电池的材料已有硅（单晶、多晶、非晶）、砷化镓、铜铟镓硒（CIGS）等多种。此外，还包括有机薄膜电池和染料敏化电池等多种形式的太阳能电池。但由于材料成本及制作工艺所限，当前应用最为广泛、所占市场份额最高的还是晶体硅太阳能电池。其中，单晶硅太阳能电池所能达到的转换效率约为25%，多晶硅太阳能电池约为20%左右[2]。一、石墨烯-硅太阳能电池石墨烯作为一种性能优异的二维纳米碳材料，具有极高的电子迁移率和良好的透光性，十分适合用作太阳能电池的透明导电材料。在有机太阳电池及染料敏化电池等领域，石墨烯已可取代成本较高的氧化铟锡（ITO）来制作电池的透明电极[3，4]。由于石墨烯的功函数（约 4.5eV）高于硅的功函数4.31eV，若将石墨烯与硅直接进行接触，二者可形成异质结，当太阳光照射到其表面时，硅中的价电子吸收入射光中的光子能量发生跃迁，从而形成电子-空穴对。在内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，并可经由石墨烯和硅传输到外电路当中，实现太阳能到电能的转换。基于这样的原理，Li等人于2010年提出石墨烯-硅异质结太阳能电池模型（图1），其转换效率为1.5%左右[5，6]。

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术.

太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术摘要：随着经济的快速发展，对能源的需求越来越大，太阳能作为一种非常理想的清洁、可再生的新能源，可以缓解能源短缺和环境污染。人们利用太阳能的方式有很多种，包括太阳能光化学转化、光热转化和光电转化，其中太阳能光电转化是将太阳能转化成电能，也就是一般说的光伏技术。本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍。关键词：单晶硅、多晶硅晶硅太阳能电池的发展：随着21 世纪的到来，经济飞速发展，对能源的需求越来越大，大量化学燃料的使用，导致能源迅速短缺和环境污染日益严重。新能源成为21 世纪研究的重要领域之一，太阳能的应用与普及受到了人们的高度重视。太阳能是由太阳的氢经过核聚变产生的一种能源，太阳的能量非常丰富，每秒钟照射到地球上的能量相当于500 万吨标准煤，如果换算成电能则大约为3.8×1019MW，可见太阳的能量有多么巨大，而且太阳能不含有害物质，不排除二氧化碳，因此科学家们认为太阳能的利用极富发展前景，是人类解决当前能源危机的一种有效途径。于是，人们将目光纷纷投向了太阳。太阳能是一种非常理想的清洁、可再生的新能源，可以缓解能源短缺和环境污染。人们利用太阳能的方式有很多种，包括太阳能光化学转化、光热转化和光电转化，其中太阳能光电转化是将太阳能转化成电能，也就是一般说的光伏技术。（光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。）在各种太阳能电池中，硅太阳能电池因其可靠性高、寿命长、能承受各种环境变化等优点成为太阳能电池的主要品种，目前，国际上98%以上的太阳能电池是利用硅材料制备的。据统计在2005 年的世界光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为87%，其中单晶硅占太阳能电池占据的比重为32％、多晶硅太阳能电池占据的比重为58％、硅薄膜太阳能电池占据的比重为7％、而其它材料的太阳能电池仅占据总比重的3％。而且硅的含量很丰富，是继氧之后地壳中含量最多的元素，并且硅太阳能电池的制备是建立在半导体工业技术之上，所以硅太阳能电池技术被普遍地接受并发展利用。自1954年在美国贝尔实验室成功研制出来第1块单晶硅太阳能电池以来,开启了人类对太阳能在发电方面使用的一扇大门。1958年太阳电池首先在航天器上得到应用。20世纪70年代初,硅太阳电池开始在地面应用。从80年代起,太阳能电池效率大幅度提高,生产成本进一步降低。从1990年到2000年,光伏组件的销售每年平均以20%的速率增长,特别是从1997年以来,年增长速度上升到30%。

中国太阳能电池发展历程回顾

中国太阳能电池发展历程回顾从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来，到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉记者：“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。” 据统计，从2002年至今，中国太阳能电池产量猛增了77倍。2008年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。 1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应；1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池；1983年美国在加州建立了当时世界上最大的太阳能电厂……人类从来未曾停止过追逐太阳的步伐。 1969年研制完成硅太阳能电池组 1958，我国研制出了首块硅单晶中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国对记者说：“美国1957年左右拉出了首块硅单晶，我国1958年也研制出了首块硅单晶，随后，中科院物理新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。” 最初，研发出的电池主要用于空间领域。从1958年到1965年间，半导体所研制出的PN 结电池效率突飞猛进，10×20mm电池效率稳定在15%，同国际水平相差不大。 1968年至1969年底，半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中，研究人员发现，P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射，造成电池衰减，使电池无法长时间在空间运行。于是，包括王占国在内的6人小组开始进行人造卫星用硅太阳电池辐照效应研究，实验过程中，由于技术不成熟、设备落后，致使王占国的右手严重电子灼伤，从此他一直饱受痛苦，直到1978年夏天进行植皮手术才有所缓解。记者注意到，王占国院士右手手背上有一些黑色的褶皱，这正是老一辈科学家殚精竭虑献身科学的印记。经过刻苦攻关，实验结果给研究人员带来巨大惊喜。王占国院士介绍，NP结硅太阳电池抗电子辐照的能力比PN结硅电池大几十倍！随后，半导体所做出了将硅PN电池改为NP 定型投产的决定，生产出了5690片NP结硅太阳电池，其中达到空间应用要求的成品3350片，圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制、生产任务。1971年实践1号发射升空，在8年的寿命期内，太阳电池功率衰降不到15%，该项目在1978年全国科学大会上获重大成果奖。 1969年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。