太阳能光伏技术完全解说.pdf

太阳能光伏技术完全解说1.太阳能概况太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能 等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再 生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转 换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发 电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太 阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电 转换的，因此乂称太阳能光伏技术。二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国 贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列T a bor提出选 择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太 阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家 掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳 光发电计戈九1980年乂正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多 美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环 境计划”、“阳光计戈合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展 中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国 领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设 立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳 能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展 战略的重要内容。自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技 攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都 获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。2.光伏效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不 同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N 结为例说明。热平衡态下的P-N结P-N结的形成：同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量A E很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子N A-和施主离子N D+o在PN区交界面处因 存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的 电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又 要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主 离子N D+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受 主离子N A-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也 称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建 电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到 扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。热平衡下P-N结模型及能带图P-N结能带与接触电势差：在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Ev之间的 关系与结形成前状态相同。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N 型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流 动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P 区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P 区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP,载流子停止流动为止。在结 区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导 体单独存在时费米能级之差：qU D:EFN-EFP得U D=(EFN-EFP)/qq：电子电量U D：接触电势差或内建电势对于在耗尽区以外的状态：U D=(KT/q)l n(N AN D/ni2)N A、N D、ni：受主、施主、本征载流子浓度。可见U D与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，U D越大。禁带宽的材料，ni较小，故U D也大。光照下的P-N结P-N结光电效应：当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空 穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电 子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建 电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴 对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有 光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴 在寿命t p的时间内扩散距离为Lp,P区中电子在寿命t n的时间内扩散距离为 Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内 所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空 穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。光照下的P-N结电流方程：与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流(光电流)Ip,其 方向与P-N结反向饱和电流10相同，一般Ip2l 0。此时I=I0eqU/KT-(10+Ip)令Ip二S E,则I-IOeqU/KT-(IO+S E)开路电压U oc：光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中0时的U值：0=I0eqU/KT-(IO+S E)U oc=(KT/q)In(S E+IO)/IO(KT/q)In(S E/IO)短路电流Isc：光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的 电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc二S E。U oc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，U oc与光照度E 成对数关系，但最大值不超过接触电势差U D。弱光照下，Isc与E有线性关系。a)无光照时热平衡态,N P型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qU D=EFN-EFPo b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压U oc不再 有统一费米能级，势垒高度为q(U D-U oc)oc)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qU D,光 生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压U f,另一部分光电流被P-N 结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(U D-U f)。3.太阳能电池电池行业是2 1世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污 染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世 界各国的广泛重视。太阳的光辉普照大地，它是明亮的使者，太阳的光除了照亮世界，使植物通过光 合作用把太阳光转变为各种养分，供人们食用，产生纤维质供人们做衣服，生长 木材给我们 建筑房屋以外，太阳的光还可以通过太阳能电池转变为电。太阳能 电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳 的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半 导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半 导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有 4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就 会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅 晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、钱等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果 掺入能够释放电子的磷、碎等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若 把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到 阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P 型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通 常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P 型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一 个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转 换效率的成 果。太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家,对它更是注目。这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和 宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池完全满足这些要 求，1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成 为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技 术，身价百倍。现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池 的“翅膀”，使它们能够在太空中长久遨游。我国1958年开始进行太阳能电池 的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。以 太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工 作几天。空间应用范围有限，当时太阳电池造价昂贵，发展受到限。70年代初，世界石 油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光 电转换效率提高，成本大幅度下降。时至今日，光电转换已展示出广阔的应用前 旦O太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。从1974年世界上第一架 太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行儿分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达 2万多米，航程超过4000公里。另外，太阳能汽车也发展很快。在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。1985年，美国阿尔 康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电 能力300万度。德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30%多，适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太 阳能发电装置”，预计可供加州1/3的用电量。用太阳能电池发电确实是一种 诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1%收集起来，足 够全世界的所有能源消耗。在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用在远离输电线路的 地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。芬兰制成了 一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配 有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太 阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差 转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎。当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太 阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转 换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石 油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。4.多晶硅及其他光电转换材料光伏效应现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能 源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此各国 力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发电具有环保等优点，而且不必考虑其安全性问题。所以在发达国家得到了高度重视，欧洲联盟国家计 划在2 0 1 0年太阳能光电转换的电力占所有总电力的1.5%,美国启动了“百 万屋顶”计划。在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率地利 用太阳能尤为重要。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。常规太阳 电池简单装置如图1所示。当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，山 于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳电 池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少 数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给 外界负载提供电流。从本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的 电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本 的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶 硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换 效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低 廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具 有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只 能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要 的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电 池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及 工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于 铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是 进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外，寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿 化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接 能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其 中，硅化镉(CdT e)和铜锢硒(CuInS e2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而 且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需 要大量的工作去做。5.晶体硅太阳电池及材料引言1839年，法国Becquera l第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固 态硒(S e)的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出S e/CuO光电池。有关硅 光电他的报道出现于1941年。贝尔实验室Cha pin等人1954年开发出效率为6%的单晶硅光电池，现代硅太阳电池时代从此开始。硅太 阳电他于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳电池在空 间应用不断扩大，工艺不断改进，电他设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第 一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引人到电池的制造工艺中，太阳电池转换效率有 了较大提高。与此同时，硅太阳电池开始在地面应用，而且不断扩大，到70年 代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。80年 代初，硅太阳电他进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝 化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电他 的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅度提高，商业化生产成本 进一步降低，应用不断扩大。在太阳电他的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，如肖特基(M s)电池，M 1S电池，M IN P电他；异质结电池(如IT O(n)/S i(p),a S i/c S i,Ge/S i)等，其中同质p-n结电池结构自始至终占主导 地位，其它结构对太阳 电他的发展也有重要影响。以材料区分，有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜钢硒(CIS)电池，磅化镐(CdT e)电池，碑化稼电他等，而以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二 大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而 且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。1晶硅电他的技术发展1.1地面应用推动各种新型电池的出现和发展晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电 池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多 新技术。例如：(1)背表面电场(BS F)电池 在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由 于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流背场的作用可以降低饱 和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。(2)紫光电他一一这种电池最早(1972)是为通信卫星开发的。因其浅结(0.1 一 0.2l Hn)密栅(30/cm)、减 反射(T a 205一短波透过好)而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。(3)表面织构化电池-一也称绒面电池，最早(1974)也是为通讯卫星开发的。其AM 0时电池效率nN 15%,AM I时n 18%。这种技术后来被高效电他和工业 化电池普遍采用。(4)异质结太阳电池一-即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩S nO/S i,In20/S i,(l n203 十 S n02/S i 电池等。由于 S n02、In203(In203+S n02)等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效 率不高等问题研究者已不多，但S n02、In203(l n203+S n02)是许多薄膜电 他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。(5)M 1S电池是肖特基(M S)电他的改型，即在金属和半导体之间加入1.5-3.Onm绝缘层，使M S电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧 穿决定暗电流，与pn结类似。其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的M 1S电池正面有20 一 40陶1的 S i02膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积S iN薄膜。S iN薄膜的作用 是：保护电池，增加耐候性；作为减反射层(AR C)；降低薄膜复合速度：在P-型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在 介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。(6)M IN P电池 可以把这种电池看作是M 1S电池和p n结的结合，其中 氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作 用。(7)聚光电池一一聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在 高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重 视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触 电池结构相同，不同处是采用200 Cem高阻n型材料并使电池厚度降低到100 一 160tLm,使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26.5%。1.2晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅电池在过去20年里有了很大发展，许多新技术的采用和引入使太阳电池效 率有了很大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术 来改进电池性能，如背表面场，浅结，绒面，氧化膜钝化，T i/Pd金属化电极 和减反射膜等。后来的高效电池是在这些早期实验和理论基础上的发展起来的。1.2.1单晶硅高效电池单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池(PCC),新南威尔 士大学(U N S W)的钝化发射区电池(PES C,PER C,PER L以及德国Fra um hofer太 阳能研究所的局域化背表面场(LBS F)电池等。我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究，并取得了可喜结果。近 年来硅电他的一个重要进展来自于表面钝化技术的提高。从钝化发射区太阳电池(PES O的薄氧化层(Cl Onin)发展到PCC/PER C/PER I。电池的厚氧化层(HOnm)o热氧化钝化表面技术已使表面态密度降到10卜cm 2以下，表面复合速度降到100cm/s以下。此外，表面V型槽和倒金字 塔技术，双层减反射膜技术的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的 反射和对红外光的吸收。低成本高效硅电池也得到了飞速发展。(1)新南威尔士大学高效电池(A)钝化发射区电池(PES O：PES C电池1985年问世，1986年V型槽技术又 被应用到该电池上，效率突破20%。V型槽对电他的贡献是：减少电池表面反射;垂直光线在V型槽表面折射后以41”角进入硅片，使光生载流子更接近发射结,提高了收集效率，对低寿命衬底尤为重要；V型槽可使发射极横向电阻降低3倍。由于PES C电他的最佳发射极方块电阻在150 Q/口以上，降低发射极电阻可提 高电池填充因子。在发射结磷扩散后，10nm厚的A1层沉积在电他背面，再热生长10nm表面钝化 氧化层，并使背面A1和硅形成合金，正面氧化层可大大降低表面复合速度，背 面A1合金可吸除体内杂质和缺陷，因此开路电压得到提高。早期PES C电池采用 浅结，然而后来的研究证明，浅结只是对没有表面钝化的电他有效，对有良好表 面钝化的电池是不必要的，而氧化层钝化的性能和铝吸除的作用能在较高温度下 增强，因此最佳PEsC电他的发射结深增加到1四1左右。值得注意的是，目前所 有效率超过20%的电池都采用深结而不是浅结。浅结电池成为历史。PEsC电池的金属化由剥离方法形成T i-pd接触，然后电镀Ag构成。这种金属 化有相当大的厚/宽比和很小的接触面积，因此这种电池可以做到大子83%的 填充因子和20.8%(AM 1.5)的效率。(B)钝化发射区和背表面电池(PER C)：铝背面吸杂是PEsC电池的一个关键 技术。然而由于背表面的高复合和低反射，它成了限制PES C电池技术进一步提 高的主要因素。PER C和PER L电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代 替PEsC电他的整个背面铝合金接触，并用T CA(氯乙烷)生长的U Onm厚的氧 化层来钝化电他的正表面和背表面。T CA氧化产生极低的界面态密度，同时还能 排除金属杂质和减少表面层错，从而能保持衬底原有的少子寿命。由于衬底的高 少子寿命和背面金属接触点处的高复合，背面接触点设计成2m m的大间距和 2001Lm的接触孔径。接触点间距需大于少子扩散长度以减小复合。这种电池达 到了大约700m V的开路电压和22.3%的效率。然而，由于接触点间距太大，串 联电阻高，因此填充因子较低。(C)钝化发射区和背面局部扩散电池(PER L)：在背面接触点下增加一个浓硼 扩散层，以减小金属接触电阻。由于硼扩散层减小了有效表面复合，接触点问距 可以减小到250M m、接触孔径减小到l OM m而不增加背表面的复合，从而大大减 小了电他的串联电阻。PER L电池达到了 702m V的开路电压和23.5%的效率。PER C 和PER I。电池的另一个特点是其极好的陷光效应。由于硅是间接带隙半导体，对红外的吸收系数很低，一部分红外光可以穿透电池而不被吸收。理想情况下入 射光可以在衬底材料内往返穿过4r12次，n为硅的折射率。PER 1。电池的背面，由铝在S i02上形成一个很好反射面，入射光在背表面上反射回正表面，由于正 表面的倒金字塔结构，这些反射光的一大部分又被反射回衬底，如此往返多次。S a ndia国家实验室的P。Ba sore博士发明了一种红外分析的方法来测量陷光性 能，测得PER L电池背面的反射率大于95%,陷光系数大于往返25次。因此PR EL 电他的红外响应极高，也特别适应于对单色红外光的吸收。在1.02Pm波长的单 色光下，PER 1。电他的转换效率达到45.1%。这种电池AM 0下效率也达到了 20.8%。(D)埋栅电池：U N S W开发的激光刻槽埋栅电池，在发射结扩散后，用激光在 前面刻出20陶1宽、40所1深的沟槽，将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出 金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PES C相同，由于刻槽会引进损伤，其性能略低于PES C电池。电他效率达到19.6%。(2)斯但福大学的背面点接触电池(PCC)点接触电他的结构与PER 1。电池一样，用T CA生长氧化层钝化电池正反面。为 了减少金属条的遮光效应，金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制 成的金字塔(绒面)结构。位于背面的发射区被设计成点状，50即1间距，10陶1 扩散区，5面接触孔径，基区也作成同样的形状，这样可减小背面复合。衬底采 用n型低阻材料(取其表面及体内复合均低的优势)，衬底减薄到约100即1,以 进一步减小体内复合。这种电他的转换效率在AM 1.5下为22.3%。(3)德国Fra unhofer太阳能研究所的深结局部背场电池(LBS F)LBS F的结构与PER L电池类似，也采用T CA氧化层钝化和倒金字塔正面结构。由于背面硼扩散一般造成高表面复合，局部铝扩散被用来制作电池的表面接触，2cm X 2cm 电池电池效率达到 23.3%(V oc=700m V,Isc 41.3m A,FF-0.806)。(4)日本sIIAR P的C-S i/N c S i异质ppi结高效电池S HAR P公司能源转换实验室的高效电池，前面采用绒面织构化，在S i02钝化层 上沉积S iN为A只乙后面用R F-PECV D掺硼的此一 S i薄膜作为背场，用S iN薄膜作为后表面的钝化层，A1层通过S iN上的孔与AcS i薄膜接触。5cm X 5cm电他 在 AM I.5 条件下效率达到 21.4%(V oc=669m V,Isc=40.5m A,FF=0.79)。(5)我国单晶硅高效电池天津电源研究所在国家科委“八五”计划支持下开展高效电池研究，其电池结 构类似U N S w的V型槽PEsC电池，电池效率达到20.4%。北京市太阳能研究所“九五”期间在北京市政府支持下开展了高效电池研究，电池前面有倒金字塔织 构化结构，2cm X 2cm电池效率达到了 19.8%,大面(5cm X 5cm)激光刻槽埋栅电 池效率达到了 18.6%o1.3多晶硅高效电池多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模 化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善；由于材质和晶界影响,电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。近年来吸杂工艺再度受到重视，包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。吸杂工艺也 在微电子器件工艺中得到应用，可见其对纯度达到一定水平的单晶硅硅片也有作 用，但其所用的条件未必适用于太阳电他，因而要研究适合太阳电池专用的吸杂 工艺。研究证明，在多晶硅太阳电池上，不同材料的吸杂作用是不同的，特别是 对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。有学者提出了磷吸杂模型，即吸杂的 速率受控干两个步骤：金属杂质的释放/扩散决定了吸杂温度的下限；分凝 模型控制了吸杂的最佳温度。另有学者提出，在磷扩散时硅的自间隙电流的产生 是吸杂机制的基本因素。常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电他 的背场。近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电 池都会产生一定的作用。钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬 挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果 越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用 pECV D法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产 生氢钝化的效果。在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率，近年来在 光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。使 用PECV D法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果。多晶硅太阳电他的表面由于存在多种晶向，不如(100)晶向的单晶硅那样能经 由腐蚀得到理想的绒面结、构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也 为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cm X 10cm面积硅片的工 序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。多孔硅作为多晶硅太阳电他的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与 双重减反射膜相比，所得多晶硅电他的效率也能达到13。4%。我国北京有色金 属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池 上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅cZ材料，因此多晶硅组件比单晶硅组件具 有更大的降低成本的潜力，因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重 视。近10年来多晶硅高效电他的发展很快，其中比较有代表性的工作是 Geog ia T ech.电池，U N S W 电池Kysera 电池等。(1)Geog ia T ech.电池Geog ia工业大学光伏中心使用电阻率0.65 Q cm、厚度280M m的HEM(热交换 法)多晶硅片制作电池，n+发射区的形成和磷吸杂结合，采用快速热过程制备铝 背场，用l ift 一。ff法制备T i/Pd/Ag前电极，并加双层减反射膜。l cm 2电 他的效率AM 1.5下达到18.6%。(2)U N S w 电池uN sw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PER 1。电池类似，只是前表面织 构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利 的Eurosol a re提供，l cm 2电他的效率AM I 5下，达到19.8%,这是目前水平最 高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程 的传统观念。(3)Kysera 电池日本kyOcera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术，PECV DS iN 膜既作为减反射膜，又作为体钝化措施，表面织构化采用反应性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。15cm X l 5cm大面 积多晶硅电池效率达17.1%。目前日本正计划实现这种电池的产业化。(4)我国多晶硅电他北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作，目前l Ocm X l Ocm 电池效率达到H.8%。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池 研究，l cm 2电池效率达到145%。我国中试生产的l Ocm X IOcm多晶硅太阳电他 的效率为10 11%,最高效率为12%。1.4多晶硅薄膜电池自70年代以来，为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜 电池，并先后开发出非晶硅薄膜电他，硫化镐(CdT e)电他，铜钢硒(CIS)电 池等。特别是非晶硅电池，80年代初一问世，很快实现了商业化生产。1987年 非晶硅电他的市场份额超过40%。但非晶硅电池由于效率低、不稳定(光衰减)，市场份额逐年降低，1998年市场份额降为13%。cdT e电池性能稳定，但由于资 源有限和Cd毒性大，近10年来市场份额一直维持在：13%左右；cl S电他的实 验室效率不断攀升：最近达到18.%，但由于中试产品的重复性和一致性没有 根本解决，产业化进程一再推后，至今仍停留在实验室和中试阶段；与此同时，晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电他的高效、稳 定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低 成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面，采 用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺 点，达到降低成本的目的。严格说，后者不属于薄膜电他技术，只能算作薄片化 硅电池技术。(1)CV D多晶硅薄膜电池各种 cvD(PECV D,R T CV D,ca t CV D,Hot wire CV D 等)技术被用来生长多 晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要的结果。例如日本ka neka公司采用 PECV D技术在550以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池，电池总厚度约2尸m,效率达到10%；德国Fra unhofer太阳能研究所使用S i02 和siN包覆陶瓷或sic包履石墨为衬底，用快速热化学气相沉积(R T CV D)技术 沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶(Z M R)后制备太阳电池，两种衬底的电 池效率分别达到9.3%和11%。北京市太阳能研究所自1996年开始开展多晶硅薄膜电他的研究工作。该所采用 R T CV D技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池，l cm 2电池效率在 AM 1.5条件下达到13.6%,目前正在向非硅质衬底转移。（2）多层多晶硅薄膜电池U N S W 1994年提出一种多层多晶硅薄膜电他的概念和技术，1994年与Pa cific Power公司合作成立keifiC sOl a r公司开发这种电池。最近报道，该 公司已经生产出30cm X 40cm的中试电池组件。薄膜采用CV D工艺沉积，衬底为 玻璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据称，电池组件的主要成 本是封装玻璃，商业化后的发电成本可与煤电相比。2太阳电池用晶硅材料2.1现用太阳电池硅材料目前全世界光伏工业晶体硅太阳电池所用的晶锭的投炉料，都采用半导体工业 的次品硅及其单晶硅的头尾料，其总量约占半导体工业生产硅料的1/10,约为 10001200吨/年。这种硅料的纯度大部分仍在6N到7N,价格依其品位约在 10 20美元/kg。目前半导体工业用的投炉多晶硅料是采用三氯氢硅精储法（西 门子法）生产的，采用改进的西门子法并扩大规模进行生产是未来降低成本的有 效措施之一。由于经费制约，我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学 提纯是将纯度较高的冶金级硅（99%）加工成细颗粒后，使用盐酸、王水、氢氟 酸等进行酸洗革取，可将含铁量降到200ppm量级，然后再进行二次定向凝固（早 期使用二次直拉），将含铁量降到0.3ppm量级，但其纯度及成本均未能达到要 求。我国具有纯度高的石英砂资源，并生产大量冶金级硅供应出口，采用冶金硅 精炼的方法生产太阳级硅将来具有潜力。2.1.1单晶硅材料单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶 硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以siO2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳 还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kwh/kg,因此硅的生产通常在 水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98%99%,称为冶金级硅（M G S i）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨/年。半导体工业用硅占硅总量的很小 一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10T 0%以下。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI气体混 合并反应生成三氯氢硅和氢气，S i+3HCI-*S iHC13+H2o由于S iHC13在30以 下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精储使S iHC13与其它氯化物分离，经过精微的S iHC13,其杂质水平可低于10T 0%的 电子级硅要求。提纯后的S iHC13通过CV D原理制