太陽(yáng)能光伏畢業(yè)論文

1、太陽(yáng)能光伏畢業(yè)論文目 錄摘 要IIABSTRACTIII1緒 論11.1課題研究背景11.2太陽(yáng)能的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)22太陽(yáng)能電池原理及結(jié)構(gòu)42.1太陽(yáng)能電池基本原理42.2太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)62.3太陽(yáng)能電池主要特性7光譜響應(yīng)特性7溫度特性82.4影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素82.5提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù)93太陽(yáng)能電池的分類133.1按材料分類133.2按形態(tài)結(jié)構(gòu)分類164太陽(yáng)能級(jí)硅材料的制備工藝194.1高純多晶硅制備的傳統(tǒng)工藝19改良西門子法19硅烷法194.2單晶硅生產(chǎn)工藝20切客勞斯基法 (Czochralski method)20懸浮區(qū)熔法204.3太陽(yáng)能級(jí)硅制備的化學(xué)法新工藝

2、215太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝226太陽(yáng)能電池的應(yīng)用24謝 辭28參考文獻(xiàn)29摘要隨著化石能源的日益枯竭、人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問題的重視程度不斷提高，尋找潔凈的替代能源問題變得越來(lái)越迫切。太陽(yáng)能作為一種可再生清潔能源，并可持續(xù)利用，因此有著廣闊的應(yīng)用前景，光伏發(fā)電技術(shù)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。為了能使光伏產(chǎn)品得到普及，進(jìn)一步提高效率、降低成本是光電池的發(fā)展趨勢(shì)。提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，降低成本，關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能的利用率。本文在詳細(xì)介紹太陽(yáng)能電池工作原理、基本結(jié)構(gòu)及主要特性的基礎(chǔ)上，研究了太陽(yáng)能電池的加工工藝。具體內(nèi)容如下:分析了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率及影響因素，并研究了提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要技術(shù)，如減

3、少反射損失技術(shù)、減少載流子損失技術(shù)和減少光透射損失技術(shù)等。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；太陽(yáng)能電池；轉(zhuǎn)換效率The Principle and Processing of Solar Cell Technology ResearchABSTRACTWith the increasing depletion of fossil energy, environmental protection awareness of the importance and the constant increase, look for clean alternative energy issues become more ur

4、gent. Solar energy as a renewable clean energy, and sustainable use, it has broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more attention. In order to make photovoltaic products have been popular, and further improve efficiency, reduce costs is the development tren

5、d of photovoltaic cells. Improve solar cell conversion efficiency, reduce costs, the key is to improve the utilization of solar energy. This article describes in detail the working principle of solar cells, the basic structure and main features, based on studies of the solar cell processing technolo

6、gy. Details are as follows: analysis of the solar cell conversion efficiency and the impact factors and research to improve solar cell conversion efficiency of the major technologies, such as technology to reduce reflection losses, reduce the loss of carrier technologies and reduce the loss of light

7、 transmission technology.Key words:solar energy; solar cells;conversion efficiency1緒論1.1課題研究背景自人類社會(huì)誕生以來(lái)，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源在社會(huì)發(fā)展中的重要性越來(lái)越突出，尤其是近年來(lái)各國(guó)日益呈現(xiàn)出來(lái)的能源危機(jī)問題，更加明顯地把能源置于社會(huì)發(fā)展的首要地位。根據(jù)BP世界能源統(tǒng)計(jì)2005的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以目前的開采速度計(jì)算，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40多年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng)67年和164年。而我國(guó)的能源資源儲(chǔ)量情況更是危機(jī)逼人，按2000年底的統(tǒng)計(jì)，探明可開發(fā)能源總儲(chǔ)量

8、約占世界總量的10.1%。我國(guó)能源剩余可開采總儲(chǔ)量的結(jié)構(gòu)為:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然氣占 1.3%，水資源占36.5%。我國(guó)能源可開發(fā)剩余可采儲(chǔ)量的資源保證程度為129.7年。自從工業(yè)革命以來(lái)，約80%溫室氣體造成的附加氣候強(qiáng)迫是由人類社會(huì)活動(dòng)引起的，其中CO2的作用約占60%，而化石能源的燃燒是CO2的主要排放源。隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題的日益嚴(yán)重，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、小

9、水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉?。研究和?shí)踐表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問題，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)60年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會(huì)發(fā)展到世界能源構(gòu)成的50%以上，成為人類社會(huì)未來(lái)能源的基石和化石能源的替代能源。如圖1.1所示是世界能源發(fā)展趨勢(shì)圖1，從圖中我們可以看出，可再生能源的比重將逐漸上升，尤其太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用將占到很大比重。目前世界大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展

10、的需要，各國(guó)紛紛出臺(tái)各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升溫。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以歐盟為代表的地區(qū)集團(tuán)，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù)10年可再生能源發(fā)電的年增長(zhǎng)速度都在15%以上。以德國(guó)、西班牙為代表的一些國(guó)家通過立法方式，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，1999年以來(lái)可再生能源年均增長(zhǎng)速度均達(dá)到30%以上。西班牙2003年風(fēng)力發(fā)電機(jī)占到全國(guó)發(fā)電機(jī)總量的4%，德國(guó)在過去11年間，風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)21倍，2003年占全國(guó)發(fā)電量的3.1%。瑞典和奧地利的生物質(zhì)能源在其能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中高達(dá)15%以上。圖1.1 世界能源發(fā)展趨勢(shì)聯(lián)合國(guó)氣候變化框架條約締約國(guó)簽訂的京都議定書在2005

11、年2月16日生效，簽署的國(guó)家已達(dá)185個(gè)。中國(guó)是第37個(gè)簽約國(guó)。議定書主要反映了人類應(yīng)對(duì)地球變暖這一有害現(xiàn)象進(jìn)行有效控制的迫切需要，規(guī)定主要工業(yè)國(guó)(發(fā)達(dá)國(guó)家)在2008-2012年期間將二氧化碳等6種溫室氣體排放量從 1990年的水平進(jìn)行削減。全球削減溫室氣體排放的京都議定書重新引起了世界范圍內(nèi)對(duì)可再生能源的重視。我國(guó)擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來(lái)的高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)使我國(guó)迫切需要加大對(duì)新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源短缺問題，保障能源供應(yīng)安全2。1.2太陽(yáng)能的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽(yáng)能傳送到地球上的能源，每40秒鐘就有相當(dāng)于210億桶石油

12、的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽(yáng)能以其突出的優(yōu)勢(shì)被定位為最具前景的未來(lái)能源，有無(wú)盡的潛力。目前太陽(yáng)能利用的方式有:太陽(yáng)能光伏發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用，太陽(yáng)能光化學(xué)利用，太陽(yáng)能生物利用。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來(lái)在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國(guó)家均投入巨資競(jìng)相研究開發(fā)，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓太陽(yáng)能光伏發(fā)電的市場(chǎng)應(yīng)用3-5。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式，太陽(yáng)能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心，其開發(fā)、生產(chǎn)直接影響到太陽(yáng)能發(fā)

13、電的普及和發(fā)展。將太陽(yáng)能電池單元進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后可以做成太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽(yáng)能電池組件是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，可以將太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行進(jìn)一步的串并聯(lián)，構(gòu)成太陽(yáng)能電池方陣，以滿足負(fù)載所需要的功率輸出。和常規(guī)能源相比較，太陽(yáng)能資源具有如下5個(gè)優(yōu)越性:（1）取之不盡，用之不竭太陽(yáng)內(nèi)部由于氫核的聚變熱核反應(yīng)，從而釋放出巨大的光和熱，這就是太陽(yáng)能的來(lái)源。根據(jù)氫核聚變的反應(yīng)理論計(jì)算，如果太陽(yáng)像目前這樣，穩(wěn)定地每秒鐘向其周圍空間發(fā)射輻射能，在氫核聚變產(chǎn)能區(qū)中，氫核穩(wěn)定燃燒的時(shí)間，可在60億年以上。也就是說太陽(yáng)能至少還可像現(xiàn)在這樣有60億年可以穩(wěn)定地被利用。（2）就地

14、可取，不需運(yùn)輸?shù)V物能源中的煤炭和石油資源在地理分布上的不均勻，以及全世界工業(yè)布局的不均衡造成了煤炭和石油運(yùn)輸?shù)牟痪狻＿@些礦物能源必須經(jīng)過開采后長(zhǎng)途運(yùn)送，才能到達(dá)目的地，給交通運(yùn)輸造成壓力。（3）分布廣泛，分散使用太陽(yáng)能年輻射總量一般大于5.04x106kJ/m2，就有實(shí)際利用價(jià)值，若每年輻射量大于6.3x106kJ/m2，則為利用較高的地區(qū)。世界上約有二分之一的地區(qū)可以達(dá)到這個(gè)數(shù)值。雖然太陽(yáng)能分布也具有一定的局限性，但與礦物能、水能和地?zé)崮艿认啾热钥梢暈榉植驾^廣的一種能源。（4）不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，如SO2，CO2等，使人類賴以生存的環(huán)境

15、受到了破壞和污染。此外，其它新能源中水電、核能、地?zé)崮艿?，在開發(fā)利用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問題。但太陽(yáng)能在利用中不會(huì)給空氣帶來(lái)污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。（5）周而復(fù)始，可以再生在自然界可以不斷生成并有規(guī)律地得到補(bǔ)充的能源，稱為可再生能源。太陽(yáng)能屬于可再生能源。煤炭、石油和天然氣等礦物能源經(jīng)過幾十億年才形成，而且短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)。當(dāng)今世界消耗石油、天然氣和煤炭的速度比大自然生成它們的速度要快一百萬(wàn)倍，如果按照這個(gè)消耗速度，在幾十億年時(shí)間里所生成的礦物能源將在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)就被消耗掉。2太陽(yáng)能電池原理及結(jié)構(gòu)2.1太陽(yáng)能電池基本原理如圖2.1所示為典型太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)單示意圖

16、。該電池受光面為高濃度摻雜的狹窄N區(qū)。耗盡層(寬度W)一直延伸到P區(qū)，并在耗盡層形成一內(nèi)建電場(chǎng)E0。把連接N區(qū)的電極做成柵形或指形以提高光的吸收率和減小電池的表面電阻，在電池表面鍍一層減反射膜以提高太陽(yáng)光的利用率。當(dāng)光照射在電池上時(shí)，由于N區(qū)(寬度Ln)比較狹窄，能量大于禁帶寬度Eg的大部分光子在耗盡層和P區(qū)(寬度Lp)被吸收，產(chǎn)生光生電子一空穴對(duì) (EHPs)。在耗盡層的光生EHPs立即被內(nèi)建電場(chǎng)所分離，電子漂移到達(dá)N區(qū)形成負(fù)極性區(qū)域，同時(shí)空穴漂移到達(dá)P區(qū)形成正極性區(qū)域，于是通過接線在PN結(jié)兩端形成了開路電壓Voc。如果連接了負(fù)載，那么N區(qū)的大量電子經(jīng)過外電路工作，然后到達(dá)P區(qū)與大量空穴復(fù)合

17、。其中，內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)分離光生EHPs，在N區(qū)積累大量電子，在P區(qū)積累大量空穴起了關(guān)鍵作用6-10。因?yàn)闆]有電場(chǎng)的緣故，在P區(qū)被吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)光子激發(fā)的EHPs只能擴(kuò)散到一定的區(qū)域。則電子的平均擴(kuò)散長(zhǎng)度Le可由(2.1)表示，其中De為電子在P區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)。 （2.1）離耗盡層的距離在Le范圍內(nèi)的那些電子能擴(kuò)散到內(nèi)建電場(chǎng)，并在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移到N區(qū)，因此在P區(qū)產(chǎn)生的光生EHPs中，只有那些離耗盡層距離在Le范圍內(nèi)的的少數(shù)圖2.1 太陽(yáng)能電池工作原理載流子(電子)才對(duì)光伏效應(yīng)起作用。一旦電子被擴(kuò)散到耗盡區(qū)域，它將被Eo掃到N區(qū)，增加該區(qū)的負(fù)電荷，空穴留在P區(qū)增加該區(qū)的正電荷。而那些離耗盡層的長(zhǎng)度大

18、于Le的光生EHPs都被復(fù)合損失掉了。正因?yàn)榇耍贁?shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Le要盡可能的長(zhǎng)，又由于在半導(dǎo)體硅中電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度要比空穴長(zhǎng)，所以這里選擇了以P區(qū)產(chǎn)生的電子為少數(shù)載流子的硅PN結(jié)。同樣，在N區(qū)由短波長(zhǎng)光子激發(fā)產(chǎn)生的EHPS中只有那些離耗盡層距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度Lh的少數(shù)載流子(空穴)能到達(dá)耗盡層并被內(nèi)建電場(chǎng)分離到P區(qū)。因此，對(duì)光伏效應(yīng)起作用的EHPs的產(chǎn)生發(fā)生在這樣一個(gè)區(qū)域: Lh+W十Le。如圖2.2所示，在N區(qū)大量的電子通過外電路流到P區(qū)與空穴中和，這種由光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生的電流叫光電流Iph。要注意的是，在PN兩端形成光生電動(dòng)勢(shì)后，相當(dāng)于在PN結(jié)兩端加上了正向電壓V，具有普通PN結(jié)的二

19、極管特性，正向電流為Id，因此通過電池的總電流： （2.2）圖2.2 光電流產(chǎn)生區(qū)域由上面分析可以看出，為使半導(dǎo)體光電器件能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，他們應(yīng)該滿足以下三個(gè)條件：（1）半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)a，即要求入射光子的能量hv大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對(duì)。（2）圖2.3為一些材料的吸收曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)GaAs和非晶硅的吸收系數(shù)比單晶硅大得多，透入深度(l/a)只有1um左右，即幾乎全部吸收入射光。所以這兩種電池都可以做成薄膜，節(jié)省材料。而硅太陽(yáng)能電池，對(duì)太陽(yáng)光譜中長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，要求較厚的硅片(約100-300um

20、)才能充分吸收;對(duì)于短波長(zhǎng)的光，只在入射表面附近1um區(qū)域內(nèi)就己充分吸收了。（3）具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)的重要作用是分離了兩種不同電荷的光生非平衡載流子，在P區(qū)積累了非平衡空穴，而在N區(qū)積累了非平衡電子。產(chǎn)生了一個(gè)與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，于是在P區(qū)和N區(qū)間建立了光生電動(dòng)勢(shì)(或稱光生電壓)。圖2.3 不同半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)與入射波長(zhǎng)的關(guān)系2.2太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)典型的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。硅的PN接合處，被夾在上、下兩個(gè)金屬接觸層之間。上金屬接觸層是柵格狀的，以容許光線射到PN接合之上。PN接合的頂部有一層防反射薄層，以減少?gòu)墓饬恋墓璞砻娣瓷?/p>

21、出來(lái)的光線。這就是太陽(yáng)能板的表面看起來(lái)很暗淡的原因11-15。圖2.4 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖2.3太陽(yáng)能電池主要特性太陽(yáng)能電池的特性可大致分為:光伏器件特性，如光譜特性、照度特性;半導(dǎo)體器件特性，特性曲線如輸出特性、溫度特性、二極管特性等。太陽(yáng)能電池的輸出特性通常是指伏安(包括開路電壓、短路電流、填充因子)。以下就太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性、溫度特性及主要參數(shù)作簡(jiǎn)單介紹。光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)表示不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子一空穴對(duì)的能力。也就是說，在陽(yáng)光照射激發(fā)作用下，太陽(yáng)能電池所收集到的光生電流與到電池表面上的入射波長(zhǎng)有著直接的關(guān)系。光譜特性的測(cè)量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽(yáng)能電池，測(cè)量此時(shí)的短路電流I

22、sc。;然后依次改變單色光的波長(zhǎng)，再重新測(cè)量電流。光譜響應(yīng)曲線有時(shí)候稱為量子效率(外量子效率)曲線，也可以用收集效率(內(nèi)量子效率)曲線來(lái)表示。二者并不一致，一般來(lái)說，量子效率(外量子效率)是指入射多少光子數(shù)產(chǎn)生多少電子的比率，即入射到電池上的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目;而收集效率(內(nèi)量子效率)是指吸收多少光子產(chǎn)生多少電子的比率，即在電池中被吸收的每個(gè)光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)或少數(shù)載流子的數(shù)目。能量轉(zhuǎn)換效率是輸入多少的光能夠產(chǎn)生多少電能的比率數(shù)。由于入射的光子不一定都被吸收，產(chǎn)生的電子不一定都產(chǎn)生電能，因此一般而言，內(nèi)量子效率最高，而能量轉(zhuǎn)換效率最低，但它們都是可以測(cè)量或計(jì)算的。在

23、太陽(yáng)能電池中，只有那些能量大于其材料禁帶寬度的光子才能在被吸收時(shí)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，而那些能量小于禁帶寬度的光子即使被吸收也不能產(chǎn)生電子一空穴對(duì)(它們只是使材料變熱)。這就是說，材料對(duì)光的吸收存在一個(gè)截止頻率(長(zhǎng)波限)。并且當(dāng)禁帶寬度增加時(shí)，被材料吸收的總太陽(yáng)能就越來(lái)越少。對(duì)太陽(yáng)輻射光線來(lái)說，能得到最好工作性能的半導(dǎo)體材料，其截止波長(zhǎng)應(yīng)在0.8um以上，包括從紅色到紫色全部可見光。每種太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光線都有其自己的光譜響應(yīng)曲線，它表示電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度(光電轉(zhuǎn)換能力)。太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性在很大程度上依賴于太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料的特性、結(jié)的深度和光學(xué)涂層。使用濾光膜和玻璃蓋片

24、可以進(jìn)一步改善光譜響應(yīng)。太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)隨著溫度和輻照度損失而變化。溫度特性太陽(yáng)能電池的開路電壓Voc。隨著溫度的上升而下降，大體上溫度每上升1，電壓下降2-2.3mV;短路電流Isc。則隨著溫度的上升而微微地上升;電池的輸出功率P則隨著溫度的上升而下降，每升高1，約損失0.35%0.45%。溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的影響:載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度也隨著溫度的升高稍有增大，因此，光生電流也隨著溫度的升高有所提高。但是I隨溫度的升高指數(shù)增大，而Voc隨溫度的升高急劇下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，I-U曲線形狀改變，填充因子下降，故轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。效率隨著照度的上

25、升而上升，因此可以通過提高電池單位面積上的照度來(lái)提高電池效率，即使用聚光技術(shù)。效率又隨著溫度的上升而下降，即太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池，此外，在聚光電池系統(tǒng)中應(yīng)加有相應(yīng)的電池冷卻裝置。2.4影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因素前面所敘述的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的理論值都是在理想狀況下得到的。而太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比理論極限效率要低。以PN結(jié)硅電池為例，下面我們來(lái)分析影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素。（1）光生電流的光學(xué)損失太陽(yáng)能電池的效率損失中，有三種是

26、屬于光學(xué)損失，其主要影響是降低了光生電流值。反射損失就是從空氣(或真空)入射到半導(dǎo)體材料的光的反射。以硅為例，在工作范圍內(nèi)的太陽(yáng)能光譜中，超過30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅電池表面一般會(huì)涂上減反射膜SiN。柵指電極遮光損失就是定義為柵指電極遮光面積在太陽(yáng)能總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來(lái)說，c約為415%。透射損失就是如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。（2）光生載流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所產(chǎn)生的電子及空穴等載流子發(fā)生再結(jié)合作用，使部分載流子消失掉。光照射PN結(jié)激

27、發(fā)出來(lái)的電子一空穴對(duì)不一定會(huì)全部被PN結(jié)的自建電場(chǎng)所分離。我們把受激產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)目與被PN結(jié)勢(shì)壘所分離的電子一空穴對(duì)數(shù)目之比叫做收集效率。半導(dǎo)體中電場(chǎng)產(chǎn)生的偏移效應(yīng)和電荷濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致電子-空穴的移動(dòng)。過剩載流子是超過熱平衡狀態(tài)存在的載流子，通常在某個(gè)時(shí)間常數(shù)下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。人們把這個(gè)時(shí)間常數(shù)叫做過剩載流子壽命。因此，在電子一空穴對(duì)從產(chǎn)生的地方分別向PN兩層移動(dòng)所需要的時(shí)間比過剩載流子壽命還要長(zhǎng)的情況下，電荷將不會(huì)被PN結(jié)勢(shì)壘所分離，對(duì)光生電壓的產(chǎn)生沒有貢獻(xiàn)。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和PN結(jié)的位置來(lái)決定。（3）影響開路電壓的實(shí)際因素決定開路電壓大小的主

28、要物理過程是半導(dǎo)體的復(fù)合。半導(dǎo)體復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度越短，也就越低。體復(fù)合和表面復(fù)合都很重要。在襯底中，影響非平衡少子總復(fù)合率的三種復(fù)合機(jī)理是:復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合及直接輻射復(fù)合?？倧?fù)合率主要取決于三種復(fù)合中復(fù)合率最大的一個(gè)。對(duì)于高質(zhì)量的單晶硅，當(dāng)摻雜濃度高于時(shí)，則俄歇復(fù)合產(chǎn)生影響，使少子壽命降低。通常，電池表面還存在表面復(fù)合，也會(huì)降低值。（4）輻射效應(yīng)應(yīng)用在衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池受到太空中高能離子輻射，產(chǎn)生缺陷，使電池輸出功率下降，影響其使用壽命。（5）電極接觸不良或設(shè)計(jì)不合理使串聯(lián)電阻增加，不能有效地收集載流子。2.5提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的各種技術(shù)針對(duì)節(jié)分析的影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的因

29、素，研究總結(jié)了相應(yīng)的幾種提高其轉(zhuǎn)換效率的方法，見表2.1。表2.1 太陽(yáng)能損失原因及防止技術(shù)（1）減少反射損失技術(shù)為了減少太陽(yáng)光的反射損失，一般采用下面兩種技術(shù):采用減反射膜。常用減反射膜有含氧量為1-2的硅氧化物()與欽氧化物()等。單獨(dú)采用一層反射膜效果不好，為此，大多采用二層減反射膜，如由TiO2和MgF2所組成的減反射膜或由和SiO2所組成的減反射膜等。經(jīng)減反射處理過的太陽(yáng)膜或由和SiO2所組成的減反射膜等。經(jīng)減反射處理過的太陽(yáng)能電池表面，有很好的減反射效果。采用凹凸結(jié)構(gòu)。如表面用腐蝕等方法處理成具有很多金字塔型的絨面狀結(jié)構(gòu)或具有倒金字塔型的溝槽結(jié)構(gòu)，或具有V型的溝槽結(jié)構(gòu)。把太陽(yáng)表面處

30、理成凹凸結(jié)構(gòu)時(shí)的光的入射路徑示于圖2.11。由該圖可見，各種方向入射的太陽(yáng)光經(jīng)過多次反射后都能進(jìn)入到太陽(yáng)能電池中去，從而增加入射的太陽(yáng)光量。采用這種結(jié)構(gòu)，其光反射損失有的甚至可減到5%左右。未經(jīng)過處理的光滑硅表面，反射率一般高達(dá)30%左右。（2）減少載流子損失技術(shù)減少載流子損失，主要是防止載流子的再結(jié)合損失。通常采用以下三種方法:加一層鈍化層;控制雜質(zhì)濃度;在底層上加一個(gè)背面電場(chǎng)。加有鈍化層、雜質(zhì)控制層、背面電場(chǎng)的高效太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中鈍化層可以使電池表面的缺陷結(jié)構(gòu)鈍化，從而減少載流子的再結(jié)合中心。電池底層上采用高濃度摻雜法形成一背面電場(chǎng)，可加速載流子的輸運(yùn)過程，減少載流子的再結(jié)合。背面電場(chǎng)電

31、池指在基區(qū)底部即電池背面附近，具有基體雜質(zhì)濃度梯度的太陽(yáng)能電池。雜質(zhì)濃度梯度可以通過蒸鋁燒結(jié)或硼擴(kuò)散的方法建立。目前高效率電池一般都具有背面電場(chǎng)。圖2.5 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以及減反射原理（3）減少光透射損失在太陽(yáng)能電池中，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的入射光一般都能透射到電池的深層底電極，要充分利用這種長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，最好在底電極處再加一層反射率高的金屬層。用ITO作底電極上的反射層，效果很好。過去常規(guī)電池使用的鋁電極是用ITO膠燒結(jié)法制成的。這時(shí)可形成鋁的擴(kuò)散層，這種鋁擴(kuò)散對(duì)提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率很有利，在保留原鋁擴(kuò)散層的條件下去掉合金層，換成ITO電極層，結(jié)果它不僅能起電極作用，還能起反射層的作用，使轉(zhuǎn)換效率在原

32、來(lái)的基礎(chǔ)上又提高了0.2%。（4）減少串聯(lián)電阻損失合理設(shè)計(jì)和精細(xì)制作電極是減少電池內(nèi)部電阻、提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的另一個(gè)有效途徑。一般認(rèn)為電池表面所占的面積越小，太陽(yáng)光利用率越高。但電極的表面積越小，電極內(nèi)部的電阻越大，使電池的轉(zhuǎn)換效率反而降低。過去認(rèn)為電池表面的電流密度是均勻的，所以單純從電阻與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系中優(yōu)化電極形狀，沒有考慮到太陽(yáng)能電池表面的電流密度大小與電極形狀之間的關(guān)系。夏普公司采用計(jì)算機(jī)模擬方法求出了電極表面上的電流密度分布，發(fā)現(xiàn)電池表面各處的電流密度分布是不均勻的。為此根據(jù)其電流密度分布，設(shè)計(jì)了有利于收集載流子的電極形狀，并采用激光加工技術(shù)，使電極面積細(xì)微化，既增加入射光面

33、積，又提高載流子收集效率，并使電池轉(zhuǎn)換效率在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。（5）多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池把多個(gè)具有不同光譜靈敏度特性的太陽(yáng)能電池堆集起來(lái)所組成的太陽(yáng)能電池叫作多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池。這種太陽(yáng)能電池，把禁帶寬度寬的材料所制成的太陽(yáng)能電池放在入射光的一側(cè)，先讓它吸收短波長(zhǎng)的光，然后再制成用禁帶寬度較窄的材料所組成的太陽(yáng)能電池，讓它吸收由前半部透射出來(lái)的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，這樣可以充分地利用入射太陽(yáng)光，提高其轉(zhuǎn)換效率。多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池能更有效地利用各種波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率。目前面積為0.25cm2的三層結(jié)構(gòu)無(wú)定形硅太陽(yáng)能電池效率已達(dá)到13%，面積為100cm2的電池效率已達(dá)到10.1%。多層

34、結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，除了上述的無(wú)定形硅太陽(yáng)能電池以外，還有由單晶硅和無(wú)定形硅或由單晶硅和砷化稼太陽(yáng)能電池所組成的多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到35%。（6）充電連接方法的改進(jìn)傳統(tǒng)的充電連接方法把太陽(yáng)能電池與蓄電池全部串聯(lián)起來(lái)如圖2.6所示。而改進(jìn)后的連接方法上把太陽(yáng)能電池及蓄電池分成若干個(gè)小組，先串聯(lián)各個(gè)小組后再并聯(lián)，改進(jìn)后的這種聯(lián)接方法的好處是可降低充電回路的內(nèi)阻，提高充電效率如圖2.7所示。圖2.6 傳統(tǒng)充電連接方法圖2.7 改進(jìn)的充電連接方法提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)很多。除上述五種方法外，還可通過提高原材料的純度和質(zhì)量，或采用聚光等方法。但無(wú)論哪種技術(shù)，若單獨(dú)采用，所提高

35、的轉(zhuǎn)換效率幅度都是很有限的。所以要想較大幅度地提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，必須同時(shí)采用多種技術(shù)。3太陽(yáng)能電池的分類目前，太陽(yáng)能電池的種類十分多，按材料分一般主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、化合物電池、有機(jī)電池和染料敏化電池等。為了提高效率降低成本，通過技術(shù)改進(jìn)按形態(tài)結(jié)構(gòu)分主要有疊層電池、薄膜電池和聚光電池等。然而綜合考慮材料的價(jià)格、環(huán)境保護(hù)以及轉(zhuǎn)換效率等因素，以硅為原材料的電池是太陽(yáng)能電池最重要的成員16-18。3.1按材料分類（1）單晶硅太陽(yáng)能電池硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為1.leV，是間接遷移型半導(dǎo)體，因儲(chǔ)量豐富，且晶體硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)能電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和

36、應(yīng)用中的主體材料。單晶硅太陽(yáng)能電池是開發(fā)得最早也是最快的一種太陽(yáng)能電池，它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝己定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽(yáng)能電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999%。單晶硅太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)為N+/P型，多以P型單晶硅片作為基片，電阻率的范圍為1-3.cm，具有比較高的轉(zhuǎn)換效率，規(guī)模生產(chǎn)的電池組件的效率可達(dá)到12%-16%，而實(shí)驗(yàn)室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率為24.4%。單晶硅太陽(yáng)能電池的顏色多為黑色或灰色，其光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能均勻一致，適合于切成小片制作小型光電產(chǎn)品。從目前來(lái)看，單晶硅電池己十分成熟，效率高，壽命長(zhǎng)，性價(jià)比好，是目前最受重視的太陽(yáng)能電池。如下圖所示為12512

37、5rnrn的單晶硅電池片。（2）多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料。多晶硅太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，與單晶硅相比，多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉，相應(yīng)的電池單元成本低，非常具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是由于多晶硅材料存在較多的晶粒間界而有較多缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率不夠高，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為20.3%。多晶硅太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)為N+/P型，以P型單晶硅片作為基片，電阻率的范圍為0.5-2cm。在制作多晶硅電池時(shí)，原料高純硅不是拉成單晶，而是

38、熔化后澆鑄成正方形的硅旋，可以節(jié)省原料和能源。由于多晶硅太陽(yáng)能電池性能穩(wěn)定，適合于建設(shè)光伏電站，也可用作光伏建筑材料。如下圖所示為125125mm的多晶硅電池片。（4）非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅是一種直接能帶半導(dǎo)體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場(chǎng)作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性都不夠好，對(duì)其研究開始于20世紀(jì)70年代初。非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大，是單晶硅的40倍，1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。但是，非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性

39、較差，從而影響了它的迅速發(fā)展。非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨著光照時(shí)間的加長(zhǎng)而減少，經(jīng)過170200的退火處理，又可以恢復(fù)到光照之前的值。這一現(xiàn)象首先由Staebler和wronski發(fā)現(xiàn)，被稱為sw效應(yīng)。Sw效應(yīng)使非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率由于光照時(shí)間加長(zhǎng)而衰退，長(zhǎng)期以來(lái)成為非晶硅太陽(yáng)能電池應(yīng)用的主要障礙。目前非晶硅太陽(yáng)能電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象，所以尚未大量用于大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。估計(jì)效率衰降問題克服后，非晶硅太陽(yáng)能電池將促進(jìn)太陽(yáng)能利用的大發(fā)展，因?yàn)樗杀镜?，重?/p>

40、輕，應(yīng)用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú)立電源。下圖為在ITO玻璃表面采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PEcvD)沉積了三層非晶硅薄膜形成的PN結(jié)，配以相應(yīng)的前后工序處理而成的非晶硅太陽(yáng)能電池。（4）化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池包括三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAS電池、InP電池、Gasb電池等;二六族化合物電池主要CaS/Culnse電池、 CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽(yáng)能電池中，GaAS電池的轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)28%；GaAs是二元化合物，Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品，非常稀少珍貴；As不是稀有元素，有毒。GaAs化合物材料尤其適用于

41、制造高效電池和多結(jié)電池，這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感。由于具有這些特點(diǎn)，所以GaAs化合物材料也適合于制造高效單結(jié)電池。GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。為了解決這個(gè)問題，采用了聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于采用價(jià)格較低的塑料透鏡和金屬外殼，并且改進(jìn)了電池性能，因而深受廣大用戶青睞。下圖為化合物太陽(yáng)能電池。（5）有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池具有柔韌性和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，是近年出現(xiàn)的新型太陽(yáng)能電池。與結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、成本高昂、光電壓受光強(qiáng)影響波動(dòng)大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體固體太陽(yáng)能電池相比

42、，有機(jī)太陽(yáng)能電池制備工藝簡(jiǎn)單，可采用真空蒸鍍或涂敷的方法制備成膜，且可以制備在可彎曲折疊的襯底上形成柔性太陽(yáng)能電池。有機(jī)物太陽(yáng)能電池材料的分子結(jié)構(gòu)還可以自行設(shè)計(jì)合成。材料選擇余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面積大，在太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)教授 AlanHeeger和同事 KwangheeLee，以及一個(gè)韓國(guó)科學(xué)家小組。利用新的技術(shù)，完全在溶液中合成出一種效率更高的級(jí)聯(lián)有機(jī)太陽(yáng)能電池，將有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率提高到了6.5%，已經(jīng)接近7%的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。由于電池以塑料為主要材料，因此成本比采用多晶硅為材料的普通太陽(yáng)能電池低得多。除

43、提高太陽(yáng)能電池效率外，新技術(shù)還能降低制造成本。Heeger表示，在溶液中沉積電池的多層結(jié)構(gòu)是降低成本的關(guān)鍵，這有賴于由半導(dǎo)體聚合物和富勒烯衍生物構(gòu)成的本體異質(zhì)結(jié)材料。下圖為有機(jī)太陽(yáng)能電池。（7）染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池是最近二十幾年發(fā)展起來(lái)的一種基于植物葉綠素光合作用原理研制出的太陽(yáng)能電池。這是一種使用寬禁帶半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，寬帶隙半導(dǎo)體有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，不過本身捕獲太陽(yáng)光的能力非常差，但將適當(dāng)?shù)娜玖衔降桨雽?dǎo)體表面上，借助于染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收，可以將半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)拓寬到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用，而載有染料的半導(dǎo)體稱為染料敏化半導(dǎo)體

44、電極。染料敏化太陽(yáng)能電池(DssC)最近取得較大進(jìn)展。面積(100cm2)DSSc轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到6%。這類電池所用主要材料為導(dǎo)電玻璃和TiO2，來(lái)源比較豐富，電池制備工藝也比較簡(jiǎn)單，具有較大的潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但是這類電池的轉(zhuǎn)換效率還有待進(jìn)一步提高，電池運(yùn)行的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步經(jīng)受考驗(yàn)。下圖分別為以導(dǎo)電玻璃(FTO)和柔性導(dǎo)電襯底(PECF)的染料敏化太陽(yáng)能電池。3.2按形態(tài)結(jié)構(gòu)分類（1）疊層太陽(yáng)能電池疊層太陽(yáng)能電池是由兩種或兩種以上不同帶隙的電池有機(jī)地疊加組合而成。一般而言，頂部電池的材料具有較寬的帶隙，適于吸收能量較大的太陽(yáng)光能;而底部電池的材料帶隙較窄，適于吸收能量較小的太陽(yáng)光能，因此，在單

45、結(jié)的基礎(chǔ)上，疊層太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較高，例如GaAs疊層太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到35%。下圖為疊層太陽(yáng)能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀形狀。（2）薄膜太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)薄膜化，是當(dāng)前國(guó)際上研發(fā)的主要方向之一。如采用直接從硅熔體中拉出厚度在100m的晶體硅帶。人們也在研究利用液相或氣相沉積，如化學(xué)氣相沉積的方法制備晶體硅薄膜作為太陽(yáng)能電池材料。這時(shí)可以采用成本較低的冶金硅或者其它廉價(jià)基體材料，如玻璃、石墨和陶瓷等。在廉價(jià)襯底上采用低溫制備技術(shù)沉積半導(dǎo)體薄膜的光伏器件，材料與器件制備可同時(shí)完成，工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，便于大面積連續(xù)化生產(chǎn);制備能耗低，可以縮短回收期。在不用晶體硅作為基底材料的襯底上氣相沉

46、積得到的多晶硅轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到12%以上。除了晶體硅薄膜電池以外，其它薄膜電池材料的研究也在取得進(jìn)展。已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和正在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的有非晶硅薄膜和多晶化合物半導(dǎo)體薄膜電池(磅化福、硒錮銅)。非晶硅薄膜主要采用化學(xué)氣相沉積制備。在提高單純非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率的研究進(jìn)展不大，目前的技術(shù)水平是低于8%。因此人們研究利用疊層技術(shù)以提高非晶硅電池效率，如a-Si/a-GeSi/a-SiGe疊層電池實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到15.6%。非晶硅/多晶硅疊層電池(HIT)也是一種效率很高的疊層電池。Sanyo開發(fā)出效率達(dá)20.7%的a-51/c-Si電池。CIGS電池研究方面人們?cè)噲D利用其它材料如稀土元素替代資源

47、稀少的In。在CdTe化合物半導(dǎo)體薄膜電池研究方面，雖然CdTe穩(wěn)定、無(wú)害，但Cd和Te分別是有毒的，人們正試圖研究部分替代材料。其他化合物半導(dǎo)體材料的研究也取得了令人矚目的成就。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和光譜試驗(yàn)室在鍺襯底上生長(zhǎng)出GalnP/Gs/Ge三節(jié)電池涂層，結(jié)合金屬連接和抗反射涂層，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn) AM1.5太陽(yáng)光譜聚光，獲得47倍太陽(yáng)光強(qiáng)度，從而得到創(chuàng)紀(jì)錄的32.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。薄膜電池的生產(chǎn)成本可以隨其生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大而降低，一旦技術(shù)上有重大突破，其成本可以降到1美元/WP以下(WP是指標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件下，即歐洲委員會(huì)定義的101標(biāo)準(zhǔn)，輻射強(qiáng)度l000W/m2，大氣質(zhì)量AMI.5，

48、電池溫度25條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功率)。下圖為薄膜太陽(yáng)能電池。（3）聚光太陽(yáng)能電池聚光太陽(yáng)能電池是降低太陽(yáng)能電池系統(tǒng)整體造價(jià)的一種措施。它通過聚光器使較大面積的陽(yáng)光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，加大光強(qiáng)，克服太陽(yáng)輻射能流密度低的缺陷，提高光電轉(zhuǎn)換效率，因此可以用較小面積的太陽(yáng)能電池獲得較高的電能輸出。假設(shè)太陽(yáng)輻射為Ikw/平方米，如果用普通太陽(yáng)能硅電池提供IOW的輸出功率，則需要10平方分米，價(jià)值400元的電池:現(xiàn)在我們?cè)?平方分米、價(jià)值40元的太陽(yáng)能電池上放置一個(gè)面積為15平方分米價(jià)值20元的聚光透鏡，也可以實(shí)現(xiàn)IOW功率的輸出。在使用聚光器將太陽(yáng)濃縮15倍后照射到太陽(yáng)能電池上，提供10W功率

49、所需成本由400元降低到60元，經(jīng)濟(jì)性可見一斑。國(guó)際上大力開展聚光太陽(yáng)能電池的研究，一方面能減少昂貴的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池片的用量，另一方面可有效提高單位電池面積的輸出功率，是極具潛力的太陽(yáng)能光伏發(fā)電新技術(shù)。聚光太陽(yáng)能電池突破了普通太陽(yáng)能電池高成本的制約因素，為太陽(yáng)能電池的普及開辟了一條新的道路。下圖為聚光太陽(yáng)能電池。4太陽(yáng)能級(jí)硅材料的制備工藝高純硅材料的生產(chǎn)工藝主要有改良西門子法、硅烷法及各種物理法等等。生產(chǎn)原料主要是冶金級(jí)硅，主要通過碳熱還原工藝得到，即塊狀的硅石與作為還原劑的碳(煤、焦炭或活性炭)在傳統(tǒng)電弧爐中高溫氧化還原反應(yīng)，主要反應(yīng)方程式是：SiO2+2C=Si+2CO4.1高純多晶硅制

50、備的傳統(tǒng)工藝多晶硅材料是以冶金級(jí)為原料，經(jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的半導(dǎo)體材料，是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中制造硅拋光片、太陽(yáng)電池及高純硅制品的主要原料，是信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的原材料19-25。人們對(duì)制備高純多晶硅的方法進(jìn)行了長(zhǎng)期研究和應(yīng)用。最早實(shí)現(xiàn)的是以四氯化硅為原料的鋅還原法，由于在還原過程中鋅的污染，產(chǎn)品還要經(jīng)過區(qū)域熔煉等方法才能滿足電子級(jí)的要求，整個(gè)過程成本高，現(xiàn)在己經(jīng)被淘汰。用四碘化硅作為中間化合物也曾經(jīng)被重視過，主要是由于提純四碘化硅的方法很多，如精餾、萃取、區(qū)域熔煉等。但是由于成本控制和純度等原因，也被淘汰?，F(xiàn)在大量使用的方法主要是以四氯化硅為原料的氫還原法、二氯二氫硅為

51、原料的氫還原法、以三氯氫硅為原料的氫還原和硅烷熱分解法。此外還有區(qū)域熔煉法等。其中以三氯氫硅氫還原法(即西門子法或改良西門子法)和硅烷熱分解法在國(guó)際上占主導(dǎo)地位。4.1.1改良西門子法西門子工藝的原理是在1100左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。改良西門子工藝是在傳統(tǒng)西門子工藝的基礎(chǔ)上，加上節(jié)能、降耗、回收利用副產(chǎn)物以及副產(chǎn)熱能的配套工藝。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅。目前，國(guó)外大公司 HemloekSemiconductorCorporation(美)、 WaekerPolysiliCon(德)、Tokuyama(日)等用的高純多晶硅生產(chǎn)

52、線，仍然以改良西門子法為主，并進(jìn)行了多次更新?lián)Q代。改良西門子法的優(yōu)點(diǎn)在于：千噸級(jí)生產(chǎn)線產(chǎn)能的連續(xù)生產(chǎn)，工程化的技術(shù)和設(shè)備體系，產(chǎn)品質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，產(chǎn)出率高。缺點(diǎn)在于西門子技術(shù)的工藝流程環(huán)節(jié)過多，一次轉(zhuǎn)化率偏低，能耗材耗成本高。4.1.2硅烷法硅烷法是以氟硅酸、鈉、鋁、鋰 、氫氣為主要原料制取高純硅烷，然后硅烷熱分解生產(chǎn)多晶硅的工藝。硅烷法分為三個(gè)過程：硅烷的制備，硅烷的提純，硅烷的熱分解。各種硅烷法的主要區(qū)別在于制備硅烷的路線不同。該方法大大降低了硅烷的生產(chǎn)成本，目前己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的生產(chǎn)。生成的硅烷采用精餾技術(shù)或吸附技術(shù)進(jìn)行提純。因?yàn)楣柰槌叵聻闅怏w，精餾過程必須在低溫進(jìn)行，其過程比其他精

53、餾方法要復(fù)雜。很多廠家采用吸附法提純。硅烷的熱分解通常在850的溫度下進(jìn)行，吸收率可以達(dá)到90%以上。在溫度500下操作時(shí)，硅烷比較容易分解為非晶硅，非晶硅易于吸附雜質(zhì)，在處理過程難以保持其純度，因此應(yīng)避免在這個(gè)溫度下操作。與西門子法相比，硅烷法的反應(yīng)溫度較西門子法低，反應(yīng)所耗電量(大約12kWh/kg)比西門子法(120160kWh/kg)少得多，由于電耗成本是多晶硅生產(chǎn)的主要成本，因此在成本上面有明顯優(yōu)勢(shì)，但是硅烷的易爆性使得硅烷法工藝路線的應(yīng)用得到了相當(dāng)?shù)南拗?，目前改良西門法是主流技術(shù)，世界上約有80%的多晶硅是由此工藝方法得到的。4.2單晶硅生產(chǎn)工藝4.2.1切客勞斯基法 (Czoch

54、ralskimethod)切客勞斯基法是利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從增禍中的熔體中提拉制備單晶硅的方法，又稱直拉法、提拉法(簡(jiǎn)稱Cz法)。Cz法生長(zhǎng)硅單晶已有40多年的歷史，且不斷改進(jìn)，其生產(chǎn)工藝已日趨成熟。晶體的直徑不斷增大，缺陷不斷減少。雜質(zhì)分布的均勻性也不斷得到提高。多晶體硅料經(jīng)加熱熔化，待溫度合適后，經(jīng)過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾等步驟，完成一根單晶錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等過程都直接影響到單晶的生長(zhǎng)，如生長(zhǎng)成的單晶的質(zhì)量，拉晶過程中可直接控制的參數(shù)有溫度場(chǎng)、籽晶的晶向、柑禍和生長(zhǎng)成的單晶的旋轉(zhuǎn)與升降速率，爐內(nèi)保護(hù)氣體的種類、流向、流速、壓力等。4.2.

55、2懸浮區(qū)熔法區(qū)域熔煉技術(shù)可應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的提純和單晶生長(zhǎng)，水平區(qū)熔法早己成功地應(yīng)用于提純鍺和生長(zhǎng)鍺單晶。該方法是利用感應(yīng)圈(電子束或離子束)使合金棒加熱熔化一段并從下端逐步向上段移動(dòng)，凝固過程也隨之順序進(jìn)行，當(dāng)熔化區(qū)走完一遍之后，對(duì)于分凝系數(shù)k0<1的雜質(zhì)將富集到上端。采用這種方法對(duì)多晶硅進(jìn)行提純或生長(zhǎng)單晶硅時(shí)，熔區(qū)懸浮于多晶硅棒與下方生長(zhǎng)出的單晶之間，故稱為懸浮區(qū)熔法。由于在熔化和生長(zhǎng)單晶硅過程中，不使用石英增禍等容器，又稱為無(wú)增禍區(qū)熔法。4.3太陽(yáng)能級(jí)硅制備的化學(xué)法新工藝化學(xué)法新工藝是在西門子法或改良西門子法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一些工藝，由于各制造商結(jié)合本公司的生產(chǎn)工藝研發(fā)新的多晶硅反應(yīng)

56、器裝置技術(shù)，利用現(xiàn)有的資源容易實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)新工藝。（1）熔融析出法 (vaportoLiquidDeposition)，該法是在使用SiHCl3為原料在桶狀反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行氣相反應(yīng)，直接析出液體狀硅。由于析出速度大為提高(比西門子法快10倍)，大大提高了生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)成本得到降低。這項(xiàng)技術(shù)是由Tokuyama公司開發(fā)的。（2）沸騰床法，Wacker公司和SGS公司分別采用SiHCl3和SiH。為原料采用改進(jìn)的沸騰床法進(jìn)行還原和熱分解工藝。（3）強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積:已有學(xué)者提出用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備高純多晶硅，使得CVD沉積溫度底、速度快，缺點(diǎn)是沉積大面積較為困難。另外GT太陽(yáng)能公司利用S

57、iH4氣體在特殊加熱的硅管中沉積多晶硅，除利用硅管面積較大的優(yōu)點(diǎn)，而且把硅管作為晶種材料。（4）鋅還原四氯化硅法，使用鋅代替氫氣還原四氯化硅，從而得到純度較高的多晶硅，這是智索、新日礦控股和東邦欽三公司達(dá)成協(xié)議于2006年開始驗(yàn)證該方法的太陽(yáng)能多晶硅制造技術(shù)。該方法減少了西門子法繁瑣的還原工藝。5太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝流程為：電池檢測(cè)、正面焊接并檢驗(yàn)、背面串接并檢驗(yàn)、敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)）、層壓、去毛邊（去邊、清洗）、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）、焊接接線盒、高壓測(cè)試、組件測(cè)試、外觀檢驗(yàn)、包裝入庫(kù)十一個(gè)步驟。具體簡(jiǎn)介如下：電池測(cè)試：由于電

58、池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來(lái)的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類；電池測(cè)試即通過測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對(duì)其進(jìn)行分類。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機(jī)可以將焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個(gè)紅外燈（利用紅外線的熱效應(yīng)）。焊帶的長(zhǎng)度約為電池邊長(zhǎng)的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個(gè)組件串，我們目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主要靠一個(gè)膜具板，上面有36個(gè)放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負(fù)極）焊接到“后面電池”的背面電