晶體硅太陽能電池

1、晶體硅太陽能電池專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化13秋姓名：張正紅學號：1334001250324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)境破壞嚴重的雙重壓力，能源己經成為越來越值得關注的社會與環(huán)境問題。人們開始急切地尋找其他的能源物質，而光能、風能、海洋能以及生物質能這些可再生能源無疑越來越受到人們的關注。光伏技術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)電原理及關鍵材料進行介紹，并對晶體硅太陽能電池及其關鍵材料的市場發(fā)展方向進行了展望。關鍵詞：太陽能電池；工作原理；晶體硅；特點；發(fā)展趨

2、勢前言開發(fā)太陽能，造福全人類”人類這一美好的愿景隨著硅材料技術、半導體工業(yè)裝備制造技術以及光伏電池關鍵制造工藝技術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，光伏科學家與光伏電池制造工藝技術人員的研究成果已經使太陽能光伏發(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、開發(fā)更先進的配套裝備、更廉價的光伏電子材料以及新型高效太陽能電池結構，太陽能光伏（PV）發(fā)電成本將會進一步降低，到本世紀中葉將降至 4 美分/KWh,優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費用。大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產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

3、本， 通過提升光電轉換效率與延長其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本，通過合理的機制建立優(yōu)秀的技術團隊、避免人才的不合理流動、充分保證技術上的持續(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太陽能電池是一種把光能轉換成電能的能量轉換器， 太陽能電池工作原理的基礎是半導體 PN 結的光生伏特效應。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、錢或鈿等雜質元素，就構成了 P 型半導體，如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、神或睇等雜質元素，就構成了 N 型半導體。若把這兩種半導體結合在一起，在

4、交界面處便會形成 PN結，并在結的兩邊形成勢壘電場。當太陽光照射 PN 結時，在半導體內的原子由于獲得了光能而釋放電子，產生電子-空穴對，在勢壘電場的作用下，電子被驅向 N 型區(qū)，空穴被驅向 P 型區(qū)，從而在 PN 結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)之間的薄層產生了電動勢，即光生伏特電動勢，當接通外電路時便有電能輸出。這就是 PN結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可觀的電能。二、晶硅太陽能電池特點（一）晶硅

5、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換效率無疑是最高的， 技術也最成熟， 在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍舊占據(jù)主導地位。雖然晶體硅太陽能電池被廣泛應用，但晶體硅的禁帶寬度 Eg=1.12eV,太陽能光電轉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，硅的光吸收系數(shù)遠遠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 510pm,而硅太陽電池在 150200 小 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量單晶硅材料和相關成熟的加工工藝基礎上。提高轉換效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。由于受單

6、晶硅材料價格及相應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。這些因素嚴重影響了其廣泛應用。為解決單晶硅太陽能電池的制造過程復雜、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)取得了進展。但是多晶硅材料質量比單晶硅差，有許多品界存在，電池效率比單晶硅低； 晶向不一致， 表面織構化困難。 但多晶硅太陽能電池經過不斷的努力，目前其能量轉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。今后，在如何開發(fā)新技術以得到低價格的多晶硅材

7、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換效率取得重大進展，漿料及絲網印刷技術進步最快； 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為量產太陽能電池的轉換效率。2520151050單晶硅多晶硅非晶硅儲化錨銅鈿硒圖21量產太陽能電池的轉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、材料的改進及電池結構的改進。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的

8、簡化及新材料的開發(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)電的平價上網時間表除了與產業(yè)規(guī)模的擴大有關外，最重要的依賴于產業(yè)技術（包括設備和原材料）的改進。僅靠工藝水平的改進對電池效率的提升空間已經越來越有限，電池效率的進一步提升將依賴新結構、新工藝的建立。具有產業(yè)化前景的新結構電池包括選擇性發(fā)射極電池、異質結電池、背面主柵電池及 N 型電池等。這些電池結構采用不同的技術途徑解決了電池的柵線細化、選擇性擴散、表面鈍化等問題，可以將電池產業(yè)化效率提升 23 個百分點。為了進一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機構和生產商不斷改善現(xiàn)有技術，開發(fā)新技術。如新南威爾士大學研

9、究了近 20 年的先進電池系列 PESGPERCPERL 電池，2001 年，PERL 電池效率達到 24.7%,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 PLUTOt 池，PLUTCfc 池的本質即是將實驗室 PERL電池進行量產，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 PESCPERC 還是 PERL 電池均含有 SE 電池最典型的選擇性發(fā)射極技術，SE 技術只選取 PE 系列收益最明顯、同時產業(yè)化相對容易的前表面結構部分。相對于尚德 PLUTOOtPERLM術的“高仿”電池，中電 SE 電

10、池可視為“低仿”，如圖2-2PERL電池結構是PERL電池結構圖。FITaxitoa2020酰的怵4M-450167029跳W靴35040013-162008ISO*-24012-132010150780202080-100870（三）晶硅太陽能電池轉換效率的損失機理太陽能電池轉換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制?，F(xiàn)有的影響太陽能電池效率的因素主要有電學損失和光學損失，光學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特性；電量轉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換為電能， 原因歸結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換為電流，晶體

11、硅太陽電池的光譜敏感最大值沒有與太陽輻射的強度最大值完全重合， 在光能臨界值之上一個光量子只產生一個電子一空穴對，余下的能量又被轉換為未利用的熱量，光的反射引起陽光中的一部分不能進入電池中。如硅的帶隙 Eg=1.12eV,對應波長大于 1.1 小的光透過， 不能被吸收； 波長小于 1.1pm 的光子能量如果大于 Eg,一個光子只產生一個電子，多余能量不能利用，以熱的形式損失；硅表面反射率 35%,造成較大的反射損失；其他如二極管非線性損失、復合損失、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

12、晶體硅太陽能電池轉換效率的原因主要來自兩個方面，如圖 2-3 所示：（1）光學損失，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）電學損失，它包括半導體表面及體內的先生載流子復合、半導體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導體的接觸電阻等的損失。這其中最關鍵的是降低先生載流子的復合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。 光生載流子的復合主要是由于高濃度的擴散層在前表面引入大量的復合中心。止匕外，當少數(shù)載流子的擴散長度與硅片的厚度相當或超過硅片厚度時，背表面的復合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。（四）提高晶硅太陽能電池轉換效率的方法圍繞提高晶硅太陽能電池的轉換效率，目前正

13、在采用的有效技術有：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 0.53Qcm 左右的工業(yè)生產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，目前單晶有向高電阻率發(fā)展的趨勢。2、高方阻技術：采用均勻高方阻技術，高方阻 PN 結具有高表面活性磷濃度、低非活性磷濃度、深結的特點。3、先進的金屬化技術：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，可以縮小細柵的寬度、采用超細主柵或無主柵、背面接觸、柵線內反卜rentSidr0a1h11ghlSimlrervntaihm-TPnk圖 23 普通硅太陽能電

14、池的多種損失機制射、選擇性擴散技術、激光刻槽埋柵電池。4、光陷阱結構：一般高效單晶硅電池采用化學腐蝕制絨技術，制得絨面的反射率可達到 10%以下。目前較為先進的制絨技術是反應等離子蝕刻技術（RIE）,該技術的優(yōu)點是和晶硅的晶向無關，適用于較薄的硅片。5、減反射膜：它的基本原理是位于介質和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產生的各級反射相互間進行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用 TiO2、SiO2、SnO2ZnSMgF2 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先生載流子在某些區(qū)域的復合。一般高效太陽電池

15、可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴散進行鈍化。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 的結構，在 P+/P 的界面就產生了一個由 P 區(qū)指向 P+勺內建電場。由于內建電場所分離出的先生載流子的積累，形成一個以 P+端為正，P 端為負的光生電壓，這個光生電壓與電池結構本身的 PN 結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，這也可以看作是增加了載流子的有效擴散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流 Jsc也就得到提高。8、改善襯底材料：選用優(yōu)質硅材料，如 N 型硅具有載流子壽

16、命長、制結后硼氧反應小、電導率好、飽和電流低等。進一步提高硅電池效率的一些技術方法有1.電池背表面的鈍化和PERCfc術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)射結的性能等。三、晶體硅太陽能電池發(fā)電的特點與風力發(fā)電和生物質能發(fā)電等發(fā)電技術相比， 太陽能發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的發(fā)電技術，故晶體硅太陽能電池發(fā)電具有很多優(yōu)點。如結構簡單，體積小、重量輕，便于運輸和安裝；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；操作、維護簡單，運行穩(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。當然，其也有它的不足和缺點，能量密度過低；占地面積大；轉換效率低；受氣候影

17、響大；地域依賴性強；成本高等。盡管其存在上述的不足和缺點，但在當今的能源和環(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經行改造。麥1各種大廉電池技術怵太陽能電池旅最高懶解%優(yōu)點單晶624.70.5轉換率高、技術唐樂壽命長成本高部曲長聃、技搬阪轉換群較高魅睜晶挑但也極高145（嬲聞J12.8便定網；重量輕、工藝簡氧轉獺率氤成木穩(wěn)定性差、有觸效率棘多晶璃雕16砒4成林愿螂較高,卷定的眇工藝需要雕熱的翩悔（CGIS）19,5垃6腦蜒效糕退就機轉換率技航虢性蛇工前單錮神聊域稀有標索、蝌版貶商化霸冊屯帆mCdTe電池16,5卻5群債也嗨林打大颼生產期毒而在國內單晶硅太陽能電池

18、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%左右。四、晶體硅太陽能電池技術及產業(yè)的發(fā)展趨勢為了進一步的適應市場的要求， 電池板的光電轉換率會不斷地提高， 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，而隨著技術的不斷提高，其成本也會逐漸地降下來。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

19、意義的環(huán)保。不難看出太陽能電池在經過技術進步和降低價格后，將成為新世紀的主導能源之一。2003 以后，全球太陽能電池產量以年均 40%左右的速度增長。其中，中國的年增長率則局達 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國。100%的年增長率，意味著每年產量都翻倍，10 年將達 1000。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量增長率在 2001 年以后的 8 年內超過了主位數(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）。圖 1:迅速崛起至全球首位的中國太陽能電池產量而作為最主要的光伏制造商，中國在世界光伏市場中幾乎完全缺席。但是，隨著總數(shù)達 12GW 的項目開始籌備，中國將有望迅速成為亞洲和世界的主要市場。高日照時長和電力需求激增，使得中國光伏潛力巨大，但如何發(fā)展主要取決于政府決定。根據(jù)中國 2009 年能源計劃，2020 年光伏發(fā)電至少達到 20GW,但實施細節(jié)和路線一直含糊不清，同時 FIT 仍未公布。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示 2012 年