晶體硅太陽能電池

1、晶體硅太陽能電池專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化13秋姓名:學(xué)號:張正紅報告時間：2015 年12月晶體硅太陽能電池摘 要：人類面臨著有限常規(guī)能源和環(huán)境破壞嚴(yán)重的雙重壓力，能源己經(jīng)成為越來越值得關(guān)注的社會與環(huán)境問題。人們開始急切地尋找其他的能源物質(zhì)，而光能、 風(fēng)能、海洋能以及生物質(zhì)能這些可再生能源無疑越來越受到人們的關(guān)注。光伏技術(shù)也便隨之形成并快速地發(fā)展了起來， 因此近年來，光伏市場也得到了快速發(fā)展 并取得可喜的成就。本文主要就晶體硅太陽能電池發(fā)電原理及關(guān)鍵材料進(jìn)行介 紹，并對晶體硅太陽能電池及其關(guān)鍵材料的市場發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：太陽能電池；工作原理；晶體硅；特點；發(fā)展趨勢刖言“開發(fā)太

2、陽能，造福全人類”人類這一美好的愿景隨著硅材料技術(shù)、半導(dǎo)體 工業(yè)裝備制造技術(shù)以及光伏電池關(guān)鍵制造工藝技術(shù)的不斷獲得突破而離我們的 現(xiàn)實生活越來越近！近20年來，光伏科學(xué)家與光伏電池制造工藝技術(shù)人員的研究 成果已經(jīng)使太陽能光伏發(fā)電成本從最初的幾美元 /KWh減少到低于20美分/KWh 而這一趨勢通過研發(fā)更新的工藝技術(shù)、 開發(fā)更先進(jìn)的配套裝備、更廉價的光伏電 子材料以及新型高效太陽能電池結(jié)構(gòu)， 太陽能光伏（PV發(fā)電成本將會進(jìn)一步降 低，到本世紀(jì)中葉將降至4美分/KWh優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用。大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展 趨勢。通過降低峰瓦電池的硅材料成本，通過提升

3、光電轉(zhuǎn)換效率與延長其使用壽 命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造 成本，通過合理的機(jī)制建立優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊、 避免人才的不合理流動、充分保證 技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏企業(yè)發(fā)展的核心競爭力所在！一、晶體硅太陽能電池工作原理圖I人陽能電池工作原珅太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換 成電能的能量轉(zhuǎn)換器，太陽能電池 工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的 光生伏特效應(yīng)。在純凈的硅晶體中，自由電子 和空穴的數(shù)目相等。如果在硅晶體 中摻入能夠俘獲電子的硼、鋁、鎵 或銦等雜質(zhì)元素，就構(gòu)成了 P型半導(dǎo)體，如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、砷或銻等雜質(zhì)元素，就構(gòu)成了 N 型半導(dǎo)體。若把這兩種

4、半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在交界面處便會形成 PN結(jié)，并在結(jié) 的兩邊形成勢壘電場。當(dāng)太陽光照射 PN結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光 能而釋放電子，產(chǎn)生電子-空穴對，在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向 N型區(qū)， 空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而在PN結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。 光生電場的一部分抵銷勢壘電場，其余使得在N型區(qū)與P型區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了 電動勢，即光生伏特電動勢，當(dāng)接通外電路時便有電能輸出。這就是PN結(jié)接觸型單晶硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。 若把幾十個、數(shù)百個太陽能電池單體串聯(lián)、 并聯(lián)起來， 組成太陽能電池組件， 在太陽光的照射下， 便可獲得輸出功率相當(dāng)可 觀的電能。二、晶硅太陽能電池

5、特點（一）晶硅電池包括單晶硅和多晶硅， 在硅系列太陽能電池中， 單晶硅太陽 能電池的轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的， 技術(shù)也最成熟， 在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍 舊占據(jù)主導(dǎo)地位。 雖然晶體硅太陽能電池被廣泛應(yīng)用， 但晶體硅的禁帶寬度 Eg=， 太陽能光電轉(zhuǎn)換理論效率相對較低；硅材料是間接能帶材料，在可見光范圍內(nèi)， 硅的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它太陽能光電材料， 如同樣吸收 95以上的太陽光， GaAS太陽電池只需要510卩m而硅太陽電池在150200卩m以上，才能有效 地吸收太陽能；高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)成熟的加工 工藝基礎(chǔ)上。 提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝

6、。 由 于受單晶硅材料價格及相應(yīng)繁瑣的電池工藝影響， 致使單晶硅成本據(jù)高不下； 硅 太陽電池尺寸相對較小， 若組成光伏系統(tǒng)， 要用數(shù)十個相同的硅太陽電池連接起 來，造成系統(tǒng)成本較高。這些因素嚴(yán)重影響了其廣泛應(yīng)用。 為解決單晶硅太陽能電池的制造過程復(fù)雜、 能耗大的缺點， 用澆鑄法或晶帶法制 造的多晶硅太陽能電池的開發(fā)取得了進(jìn)展。 但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差， 有 許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構(gòu)化困難。但多晶硅 太陽能電池經(jīng)過不斷的努力， 目前其能量轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池已基本上 在同一個數(shù)量級。 特別是多晶硅電池可以制成方形， 在制作太陽能電池組件時面 積利用率高。

7、 今后，在如何開發(fā)新技術(shù)以得到低價格的多晶硅材料， 如何得到高 效率、大面積多晶硅太陽能電池等方面還有許多工作可做。（二）晶硅太陽能的發(fā)展趨勢 高效電池是光伏的突圍之匙，近年來晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率取得重大進(jìn)展， 漿料及絲網(wǎng)印刷技術(shù)進(jìn)步最快； 但隨之而來的是銀的消耗日益突出， 其成本已占 到電池成本的 17%左右，如圖 21 為量產(chǎn)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。晶體硅電池發(fā)展的趨勢是低成本、 高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的 實現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝 的改進(jìn)、材料的改進(jìn)及電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、 工藝的簡化及新材料的開

8、發(fā)。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的 改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價上網(wǎng)時間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大有關(guān)外， 最重要的依賴于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進(jìn)。僅靠工藝水平的改進(jìn)對 電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限，電池效率的進(jìn)一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新 工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括選擇性發(fā)射極電池、 異質(zhì)結(jié)電池、 背面主柵電池及N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵 線細(xì)化、選擇性擴(kuò)散、表面鈍化等問題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升23個百分點。為了進(jìn)一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有 技術(shù)，開發(fā)新技術(shù)。如新南威爾士大學(xué)研究了近2

9、0年的先進(jìn)電池系列PESCPERC PERL電池，2001年，PERL電池效率達(dá)到，接近理論值，是迄今為止的最高記 錄。后來由此衍生了南京中電的 SE電池與尚德的PLUTO電池，PLUTO電池的本 質(zhì)即是將實驗室PERL電池進(jìn)行量產(chǎn)，SE電池可以算是尚德PLUTOt池的一個簡 化版，它們都是從PE系列電池演變而來，因為無論是 PESC PERC還是PERL 電池均含有SE電池最典型的選擇性發(fā)射極技術(shù)，SE技術(shù)只選取PE系列收益最 明顯、同時產(chǎn)業(yè)化相對容易的前表面結(jié)構(gòu)部分。相對于尚德PLUTO是對PERL技 術(shù)的“高仿”電池，中電SE電池可視為“低仿”，如 圖2-2 PERL電池結(jié)構(gòu)是PERL電

10、池結(jié)構(gòu)圖。pit cm tadootidt圖2-2 PERL電池結(jié)構(gòu)PERL電池具有高效率的原因在于：(1) 電池正面采用“倒金字塔”，這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，具有很低的 反射率，從而提高了電池的短路電流 JSC.(2) 淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻；而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應(yīng)好的要求；(3) 背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散 P+區(qū)。這會減少背電極的接觸電阻，又增加 了硼背面場，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器， 從而進(jìn)一步提高了電池的 轉(zhuǎn)化效率；(4) 雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài)，同時減少了前表面的少子復(fù)合。 而

11、背面鈍化使反向飽和電流密度下降， 同時光譜響應(yīng)也得到改善；但是這種電池 的制造過程相當(dāng)繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產(chǎn) 工藝。其他如SunPower公司開發(fā)出一種采用絲網(wǎng)印刷工藝的低成本背面點接觸電池，效率已達(dá)22%三洋公司生產(chǎn)的HIT電池，研發(fā)效率可達(dá)%德國Konstanz ISEC 采用n型ZEBRA IBC技術(shù)研發(fā)的雙面電池得到了 效率，背面的光照可得到20% 額外的輸出功率。太陽電池硅片技術(shù)發(fā)展趨勢是薄片化， 降低硅片厚度是減少硅材料消耗、 降低晶 硅太陽電池成本的有效技術(shù)措施，是光伏技術(shù)進(jìn)步的重要方面。30多年來，太陽電池硅片厚度從70年的450500卩m降低

12、到目前的150180卩m降低了一 半以上，硅材料用量大大減少，對太陽電池成本降低起到了重要作用，是技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)成本降低的重要范例之一，如圖 2-3普通硅太陽能電池的多種損失機(jī)制 顯示了太陽電池硅片厚度的降低。表2-1太陽電池硅片厚度的降低砒湘悅盹/ W 4it20世紀(jì)70科450-500>2020世紀(jì)SO笊代4M-45016-2020世紀(jì)W林J50-40013-162008180-24012-132010ISO-ISOW-ll202080-100（三）晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的損失機(jī)理太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、 載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。現(xiàn)有的影響 太陽能電池效率的因素主要有電學(xué)損

13、失和光學(xué)損失，光學(xué)損失主要是表面反射、 遮擋損失和電池材料本身的光譜效應(yīng)特性； 電量轉(zhuǎn)換損失包括載流子損失和歐姆 損失。太陽光之所以僅有很少的百分比轉(zhuǎn)換為電能，原因歸結(jié)于不管是哪一種材料的太陽能電池都不能將全部的太陽光轉(zhuǎn)換為電流，晶體硅太陽電池的光譜敏感最大值沒有與太陽輻射的強(qiáng)度最大值完全重合，在光能臨界值之上一個光量子只 產(chǎn)生一個電子一空穴對，余下的能量又被轉(zhuǎn)換為未利用的熱量， 光的反射引起陽 光中的一部分不能進(jìn)入電池中。如硅的帶隙 Eg=,對應(yīng)波長大于ym的光透過， 不能被吸收；波長小于ym的光子能量如果大于Eg, 個光子只產(chǎn)生一個電子， 多余能量不能利用，以熱的形式損失；硅表面反射率35

14、%造成較大的反射損失； 其他如二極管非線性損失、復(fù)合損失、接觸電阻損失都造成硅電池效率的下降。對于單晶硅硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是 28%只有盡量減少損失才能開發(fā)出效率足夠高的太陽能電池。影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個方面，如圖 2-3所示：（1）光學(xué)損失，包括電池 前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。（2）電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、 半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻， 以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。 這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù) 合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的 擴(kuò)散層在前表面

15、引入大量的復(fù)合中心。 此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的 厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時，背表面的復(fù)合速度對太陽能電池特性的影響也很明 顯。b roni Si rlrftrw ftL*>*W«JuM I I MblUrk SkdcPl 汁磯IF就眩抽章口M；l制圖2-3普通硅太陽能電池的多種損失機(jī)制（四）提高晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法圍繞提高晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，目前正在采用的有效技術(shù)有：1、優(yōu)化晶體硅材料：太陽電池的效率與硅材料的電阻率及少子壽命有著極其密 切的聯(lián)系，理論和實踐都證明-3Qcm左右的工業(yè)生產(chǎn)直拉單晶硅片及鑄錠多 晶硅片都可以有很好的效果。為了降低光致衰減，目

16、前單晶有向高電阻率發(fā)展的 趨勢。2、高方阻技術(shù)：采用均勻高方阻技術(shù)，高方阻 PN結(jié)具有高表面活性磷濃度、 低非活性磷濃度、深結(jié)的特點。3、先進(jìn)的金屬化技術(shù)：金屬柵線由不透光的銀顆粒及玻璃體組成。為了降低柵線遮擋造成的電池效率損失，可以縮小細(xì)柵的寬度、采用超細(xì)主柵或無主柵、背 面接觸、柵線內(nèi)反射、選擇性擴(kuò)散技術(shù)、激光刻槽埋柵電池。4、 光陷阱結(jié)構(gòu)：一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射 率可達(dá)到10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)（RIE）, 該技術(shù)的優(yōu)點是和晶硅的晶向無關(guān)，適用于較薄的硅片。5、減反射膜：它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以

17、使入射光產(chǎn)生的各級反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用Ti02、Si02、SnO2 ZnS MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至 2%左右。6鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效 太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。7、增加背場：如在P型材料的電池中，背面增加一層 P+濃摻雜層，形成P+/P 的結(jié)構(gòu)，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場。由于內(nèi)建電場 所分離出的光生載流子的積累，形成一個以P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這 個光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的 P

18、N結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路 電壓Voc。同時由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增Jsc加了載流子的有效擴(kuò)散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流 也就得到提高。8、改善襯底材料：選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如 N 型硅具有載流子壽命長、制結(jié)后硼氧 反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。進(jìn)一步提高硅電池效率的一些技術(shù)方法有 1.電池背表面的鈍化和PER（技術(shù)2. 三氧化二鋁膜對 P 型表面的鈍化 3. 增加光譜的吸收范圍 4. 用離子注入來改善 發(fā)射結(jié)的性能等。三、晶體硅太陽能電池發(fā)電的特點 與風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等發(fā)電技術(shù)相比， 太陽能發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想 特征

19、的發(fā)電技術(shù)， 故晶體硅太陽能電池發(fā)電具有很多優(yōu)點。 如結(jié)構(gòu)簡單，體積小、 重量輕，便于運(yùn)輸和安裝；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；操作、維護(hù)簡單，運(yùn)行 穩(wěn)定可靠；太陽能資源取之不盡用之不竭，且隨處可得，可就近供電等。當(dāng)然 , 其也有它的不足和缺點，能量密度過低；占地面積大；轉(zhuǎn)換效率低；受氣候影響 大；地域依賴性強(qiáng)；成本高等。盡管其存在上述的不足和缺點，但在當(dāng)今的能源 和環(huán)境條件下， 發(fā)展這樣的可再生能源利用是勢不可擋的， 我們只能去提高技術(shù) 經(jīng)行改造。表1各種太陽能電池肪峨嫌純解類耐翹車%：4,*±0.5轉(zhuǎn)解亂技術(shù)麹、鈾長成*高長壽瓠技柿熱隸孵鵜mu14 5創(chuàng)螂m.戊簡駄糕效車毎站12 g

20、（離IB效應(yīng)IMAI4成枷:日扁號也f野工藝隸優(yōu)化筋的罪電也（COS）m （die電池19.5M" 6及觥屯辭訊效厳隸戦|酣時是比較踴的兀成本瓢、粧戦為肝大縣生產(chǎn)H 9 4而在國內(nèi)單晶硅太陽能電池市場份額占1520%多晶硅太陽能電池市場份額占70%非晶硅太陽能電池市場份額占5%10流右。四、晶體硅太陽能電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢為了進(jìn)一步的適應(yīng)市場的要求，電池板的光電轉(zhuǎn)換率會不斷地提高， 并且會加大 系統(tǒng)容量，以滿足大功率室外照明燈的要求。目前，一套太陽能照明燈（全套） 所需費(fèi)用是普通照明燈（全套）的幾倍，大大地影響了太陽能照明的推廣使用， 而隨著技術(shù)的不斷提高，其成本也會逐漸地降下來

21、。同時延長蓄電池等器件的壽 命，從而延長太陽能照明系統(tǒng)的壽命；減小電池板、蓄電池等的體積，美化桿型。 人們也會逐步淘汰嚴(yán)重污染的鉛酸蓄電池、Ni - Cd蓄電池等，加快開發(fā)研制無污染蓄電池，實現(xiàn)真正意義的環(huán)保。不難看出太陽能電池在經(jīng)過技術(shù)進(jìn)步和降低 價格后，將成為新世紀(jì)的主導(dǎo)能源之一。2000年以后，全球太陽能電池產(chǎn)量以年 均40%左右的速度增長。其中，中國的年增長率則高達(dá) 100%以上。2008年，中 國超過了之前一直居全球市場份額首位的日本，成為全球第一大生產(chǎn)國。100%的年增長率，意味著每年產(chǎn)量都翻倍，10年將達(dá)1000倍。用圖表表示這一增長速 度，需要使用對數(shù)軸。中國的太陽能電池產(chǎn)量增長率在 2001年以后的8年內(nèi)超過 了“三位數(shù)”。在此期間，日本也實現(xiàn)了一位數(shù)增長，但從對數(shù)圖表上看，二者 的差別十分明顯（圖1）。UK1M0DWO142OC9.中一hl的嚴(yán)君 全環(huán)產(chǎn)量 AIOGW,佶計申 尺的 fHS.£aJO%2Doef 中 jJifiiia 本：產(chǎn)童達(dá)誓主逹弟赳過2gw 嚴(yán)能3.3GW 200B年琶球產(chǎn)供的丸 7GW,申國憂曲顏胚 H3O%CZOW 2«MH 2W22(KM 工耐 2OM ZtO7 SOW £W