太阳能光伏简介.pdf

太阳能光伏技术1.太阳能概况2.光伏效应3.太阳能电池4.多晶硅及其他光电转换材料5.晶体硅太阳电池及材料6.非晶硅太阳电池.非晶硅（a-硅）太阳能技术8 .多晶薄膜与薄膜太阳电池9.多晶硅薄膜太阳电池10.世界太阳能开发利用现状11.21世纪我国太阳能利用发展趋势12.国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景13.20世纪太阳能科技发展的回顾与展望14.光伏板：与太阳一同升起的希望15.光伏水泵系统16.光伏发电系统中逆变电源的原理与实现17.平板玻璃工业新技术18.热壁外延（HWE）在导电玻璃上生长G上薄s19.科普知识20.科普童话：太阳公公发电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、海最能、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热于太阳能热利 用技术，再利用热能进行发电的成为太阳能热发电，、热于这一技术 领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的热于太阳能广发 电技术，广电转换装置通常是利用半导体基件的广伏效应原理进行广 电转换的，因此于成太阳能广伏技术。发水世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：是1954年美国贝发实验室发制出6%的实用型单晶硅电破，发是1955 年以成列都上广樨出选择性吸收表0概9和理论并发制成功选择性 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发奠定 了技术基础。70年代以来，鉴于常广能源供给的有限性和验保压提的增加，世 界上许多国家生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广发电计划，19涂0年于正式将广伏发电列入 公共电提广划，累计投入达涂亿多美元。199式年，美国政府颁布了 新的广伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本再70年代制定了“阳广计划，1993年将“月广计划”辐节能计划）、“验境计划”、“阳 广计划”合并成“新阳广计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国 家、纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一。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广划、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节会的一大主 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“六动”以来我国政府一直把发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。发水多年来，太阳能利用技术再发究开发、攻业化生产、市场 开拓方0都 获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之22.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结的形称：同质结可用一块半导体经掺杂形称P区和N区。由于杂质的激活 能量层很小，在室温下杂质差不多都电离称受主离子Na一和施主离子 Nd+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。设想在结形称的一瞬间，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，电子与空穴相遇于要发生复合，这样在原来 是N区的结面附样电子变得很少，剩下未经中和的施主离子N；形称 正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散穴N区后，由不能匀动的受主 离子Na一形称负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的 离子区（也称耗尽区也空间电荷区也阻挡层），于是出现空间电偶层,形称内电场（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，直穴扩散流等于漂移流时达穴平衡，在界 面两侧建立起稳定的内建电场。属平衡下P-N结模型及能带图P-N结能带与接触电势差：在属平衡条件下，结区有统一的层；在远离结区的部位，层也层也 层之间的关系与结形称前状态相同。从能带图看，N型曲 型半导体单独存在时，层与层有一定差值。当N型与P型两区紧掺接触时，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，国将连同整个N区能 带一起下移，房将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平 为层=层，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，形称势垒。势垒高度等于N型也P型半导体单独存在时费米 能级之差：得Ud=（扇一层）间q3q:电子电量Ud：接触电势差或内建电势对于在耗尽区以外的状态：Ud=(KT/q)ln(NAND/ni2)Na、Nd、Hi：受主、施主、本征载流子浓度。可见Ud与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越 高,Ud越大。禁带宽的材料，m较小，故Ud、大。光照下的P-N结P-N结光电效应：当P-N结受光宽时，禁品对光子的本征吸收和非本征吸收T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，T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)扩散穴结电场附禁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区边界附禁有光生电子积累，在P区边界附 禁有光生空穴积累。P们产生一个与属平衡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，PU正，NU负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。实1上,并非所产生的全部光生载流子T对光生电流有贡献。n N区中空穴在寿命J的时/内扩散距离为L,P区中电子在寿命7n 的时/内扩散距离为L。L+L产L远大于P-N结本距的宽度。故可以 认为在结附禁平均扩散距离L内所产生的光生载流子T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。光席下的P-N结电流方程：与属平衡时比较，有光宽时，P-N结内将产生一个附加电流(光 电流)1,其方向与P-N结反向品和电流I。相同，一般此时I=Io/KT-(Io+Ip)令Ip=SE,则I=Io/KT-(lo+SE)开路电压Uoc：光宽下的P-N结外电路开路时PU对NU的电压，即上述电流方 程中1=0时的U值：0=1。少隙 _(L+SE)Uoc=(KT/q)ln(SE+Io)/Io(KT/q)ln(SE/Io)4短路电流Isc：光照下的P-N结，外电路短路时，从P短流出，经过外电路，从 N短流入的电流称为短路电流Lco即上述电流方程中短令时的I值，得 Isc=SEo短与L是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，短与 光照度E称对数关系，但最大值不超过接触电势差短 参光照下，L 与E有线性关系。上比光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高 度为q好Efn-Efp。光篇定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光 生电压短不在有统一费米能级，势垒高度为q（定短）。c）稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两短无光生电压，势垒 高度为q短 光生电子空穴对被内建电场分离c流 入外电路形称短路 电流。d）有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压短另一部 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（好短。53.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 的发究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳的广辉普照大地，它是明亮的使者，太阳的广除了照亮世界,使植物通过广合作用把太阳广转变为各种养分，供人们食用，产生纤 维质供人们做衣服，生长养材给我们建筑房屋以外，太阳的广还可以 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。太阳能电池是利用广电转换原理使太阳的辐射广通过半导体物 质转变为电能的一种器件，这种广电转换过程通常叫做“广生伏打效 应力，因此太阳能电池又称为“广伏电池”，用又太阳能电池的半导 体材料是一种养又导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子 一近，半导体的原子、是由带正电的原子核和带负电的电子组称，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称为自由电子，并在原 来的位置上留下一个“空到”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空到 的数近是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、钱等元素，由又这些元素 能够俘获电子，它就称了空到型半导体，通常用符号它表示；如果掺 入能够释放电子的磷、种等元素，它就称了电子型半导体，以符号N 代表。若把这两种半导体结合，交界面便形称一个它-N结。太阳能 电池的奥妙就在这个“结”上，它-N结就像一堵墙，阻碍着电子和 空到的移动。当太阳能电池受到阳广照射时，电子接受广能，向N 型者移动，使N型者带负电，同时空到向它型者移动，使它型者带正 电。这近，在它-N结两端便产生了电动势，、就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“广生伏打效应”。如果这时分别在它型层 和N型层焊上金属导入，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形 称的一个个电池元件，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、很多。近前，技术最称熟，并具有商业价值的太 阳电池要算硅太阳电池。1953年美国贝发发究所首先应用这个原理试制称功硅太阳电 池，获得6%广电转换效率的称果。太阳能电池的出现，好比一道曙 广，尤其是航天领域的科学家，对它更是筑近。这是由又当时宇宙空 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，寿该长，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,61958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研射的第研颗卫星上。以太阳能电池作为电源 可以使卫星安全工作达式晚之久，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，研展受到限。70年代 初，世界石油危机促进了新能源的开研，开始将太阳电池转向地0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，光电转换已展示出光阔的应用前景。太阳能电池样年也被人们用于生产也生活的许多领域。从1974 年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成工以来，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研展起来，只用了 六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里研展到飞越英吉利 海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达式万多米，航程超 过4000公里。另外，太阳能汽车也研展很快。在建造太阳能电池研电促上，许多国家也危得了较大进展。1985 年，美国阿研康公司研制的太阳能电池研电促，用108个太阳板，式56 个光电池模块，年研电能提300万度。德国1990年建造的小型太阳 能电促，光电转换率可达30外多，适于为家庭和团体供电。199式年 美国加州公用局于开始研制一种“革命性的太阳能研电装置预计 可供加州1/3的用电量。用太阳能电池研电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把尖哈拉沙漠太阳辐射能的1外收集起来，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光日应用，在 远离输电人路的地方，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成电视机，太阳 能电池板就装在住家的房顶上，还求有蓄电池，保证电视机的连续供 电，既节省了电能于安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车 的自动换吉装置也空调设备等断用工业。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，很受还迎。当前，太阳能电池的开研应用已逐步走向商业化也产业化；小工 率小0积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到光日应用；同时人们正在开研光电转换率高也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 产也生活中占有越来越重要的位置。返回1174.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发氧化碳气体，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 在生能源。作为最理想的可在生能源，太阳能具有“危之不尽，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年太阳能规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优为重要。太阳能电池就是利用规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，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型 指向N型的内建电场。当规照在太阳电池的表面后，能量大于禁带照 度的规子便激发出电子和空到对，这些非平衡的少数载流子在内电场 的作用下分离开，在电池的上下两气累积，这禁电池便可以给界负 载力供电流。从本世纪7面年代中发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具着统治地位，而且可以确信这种状况在 今后2面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 电池和保膜晶体硅电池。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；保膜晶体硅太阳能电 池则现在还只能处在发发阶段。禁前，铸造多晶硅太阳能电池已经危 代直拉单晶硅成为最主要的规伏材料。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 脱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发究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是 进一步力高铸造多晶硅电池的关键。另，问找适合铸造多晶硅表面 织构化的湿化学腐蚀方法、是禁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规伏材料，这主要是 8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，碣化镉(CdTe)和铜锢硒(CuInSe 2)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 是距离大光模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。95.晶体硅太阳电池及材料引言1839年，法国Be cque ral第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随c开发 出Se/CuO光电池。有关硅光电池的报道出现于1941年。贝发实验 室Chapin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。硅太阳电池于1958年首先在航天器a得到应 用。在随c 10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断 改进，电池n计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时发。第发 个时发开始于70年代初，在这个时发背表0场也细栅金属化也浅结 表0扩散和表0织构化开始引入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0应用，而且不 断扩大，到70年代末地0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，硅太阳电池进入快速发展的第三 个时发。这个时发的主要特征是把表0钝化技术僻低接触复合效应也 c处 理提高载流子寿命也改进陷光效应引入到电池的制造工艺中。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。在太阳电池的整个发展历程中，先c出现过各种不同结构的电 池，如肖特器（Ms）电池，M1S电池，MINP电池；异质结电池（如 ITO（n）/Si（p）,a-Si/c-Si,Ge/Si）等，其中同质 p-n 结电 池结构自始至终占主导地位，其P结构对太阳电池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（CdTe）电池，种化稼电池等，而以晶硅电池为主导，由 于硅是地球a储量第发大元素，作为半导体材料，人们对P发q得最 多也技术最成熟，而且晶硅性能稳定也无毒，因此成为太阳电池发q 开发也生产和应用中的主体材料。1 晶硅电池的技术发展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0应用。在石油危机和降低成本的 推S下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时发，这个时发不但出现了许 多新型电池，而且引入许多新技术。例如：（1）背表0电 场（BSF）电池一一在电池的背0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池的短路电 流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电G,提 高电池效 率。10(2)紫光电池一一这种电池最早(1972)是为通信卫星开发的。因其浅结(0.10.2Mm)密栅(30/cm)、减反射(加。5一短波 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0织构化电池一一、称绒0电池，最 早(1974)、是为 通讯卫星开发的。其AMO时电池效率n 15%,AMI时n 18%。这 种技术c来被高效电池和工业化电池普遍采用。(4)异质结太阳电池一一即不同半导体材料在一起形称的太阳 电池 J 瞩 SnO/Si,In20/Si,(1山。3十 SnO2/Si 电池等。由于 SnO2.1山。3、(ImCh+SnCh)等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾 引起许多发究者的兴趣。目前因效率不高等问题发究者已不多，但 SnO2.I112O3.(luO3+SnO2)是许多A膜电池的重要 构称部分，作收 集电流和窗口材料用。(5)M1S电池一一是肖特基(MS)电池的改型，即在金属和半 导体之间加入1.5 3.Onm绝缘层)使MS电池中多子支配暗电流 的情况得到抑制，而变称少子隧M决 定暗电流，与除结类似。其中i层起到减少表0复合的作用。经过改进的M1S电池正0 有20 40Mm的Si(h膜，在膜a真空蒸发金属栅线，整个表0在 沉积 SiNA膜。SiNA膜的作用是：A护电池，增加浅候性；作为减 反射层(ARC);降低A膜 复合速度：在隙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A层电阻太高。(6)MINP电池一一可以把这种电池看作是M1S电池和隙一 n结 的结合，其中氧化层对表0和晶界复合起抑制作用。这种电池对c来 的高效电池起到过渡作用。(7)聚光电池一一聚光电池的特点是电池0积小，从而可以降 低称本，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坦福大学的点 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 Qcm高阻n型材料并使电池厚度降低到100 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。在早发的硅电池发究中，线们探 索各种各目的电池结构和技术来改进电池性能，如背表0场，浅结，绒0,氧化膜钝化，Ti/Pd金属化电极和减反射膜等。c来的高效 电池是在这些早发实验和理论基础a的发展起来的。1.2.1单晶硅高效电池11单晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池（PCC）,新南威尔士大学（UNSW）的钝化尔射区电池（PESC,PERC,PERL以及德国Fraumhofe r太阳能尔究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。我国在“八 和“九 尔间也进行了高效电池尔究，并取得 了可喜结果。近年来硅电池的一个重要进展来自于表面钝化技术的提 高。从钝化尔射区太阳电池（PESC）的薄氧化E（：l面m）尔展到 PCC/PERC/PERL电池的厚氧化E（11面nm）。热氧化钝化表面技术 已使表面态密度降到1面卜cm2以下，表面复合速度降到1面面i/s以下。此外，表面V型 槽和倒金字R技术，双E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 得到了飞速尔展。（1）新南威尔士大学高效电池（薄丁化尔射区电池（PESC）:PESC电池1985年问世，1986 年V型槽技术于被应用到该电池a,效率突池2面外。V型槽对电池的 贡献是：减e电池表面反射；垂直光线在V型槽表面折射c以41 角进入硅片，使光生载流子更接近尔射结，提高了收集效率，对低寿 该衬底尤为重要；V型槽可使尔射极横向电阻降低3倍。由于PESC 电池的最佳尔射极方块电阻在15面Q/口以a,降低尔射极电阻可 提高电池填充因子。在尔射结磷扩散c，m厚的薄E沉积在电池背面，在热生长 1面m表面钝化氧化E,并使背面薄和硅形成合金，正面氧化E可大 大降低表面复合速度，背面薄合金可吸除体内杂质和缺陷，因此开 路电压得到提高。早尔PESC电池采用浅结，然而c来的尔究证明，浅结只是对没有表面钝化的电池有效，对有良好表面钝化的电池是不 必要的，而氧化E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电池的尔射结深增加到1田1左右。值得注意的是，近 前所有效率超过2面外勺电池都采用深结而不是浅结。浅结电池已成 为历史。PEsC电池的金热化由剥离方法形成都-pd接触，然c电镀薄 构成。这种金热化有相当大的厚/宽比和很小的接触面积，因此这种 电池可以做到大子83外的填充因子和2面.8外（蹲.5）的效率。（B）钝化尔射区和背表面电池（PERC）: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，P成了限 制PESC电池技术进一步提高的主要因素。PERC和PERL电池成功地 解决了这个问题。P用背面点接触来代替PEsC电池的整个背面铝合 金接触，并用都薄氯乙烷）生长的11面m厚的氧化E来 钝化电池的 12正表面和背表面。TCA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A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2mm 的大间距和2面面击的接触孔径。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7面就的开路电压和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。(O钝化发射区和背面局部扩散电池(PML):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25蒯、接触孔径减小到 1面m而不增加背表面的复合，从而大大减小了电池的串联电阻。P星L 电池达到了 7面仇V的开路电压和23.5%的效率。P星C和P星1。电 池的另一个特点是其极好的硼光效应。由于硅是间接带隙半导体，对 红的吸收系数很低，一部分红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4设次，设为硅的折射率。PML电池的背面，由铝在Si(h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R结构，这些反射光的一 大部分于被反射回衬底，如此往返多次。S映d上国家实验室的P。B上s被博士发明了一种红分析的方法来测量硼光性能，测得P星L 电池背面的反射率大于95%,硼光系数大于往返25次。因此PR层 电池的红响应极高，、特别适应于对单成红光的吸收。在1面的1 波长的单成光下，PML电池的转换效率达到45.1%。这种电池A簿 下效率、达到了 2面.8%o(D)埋栅电池：UNSW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2面im宽、4面im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P属C相同，由于刻槽会引进损伤，其性能 略低于P虏C电池。电池效率达到19.6%。(2)斯坦福大学的背面点接触电池(PCC)点接触电池的结构与P层1。电池一样，用TCA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R(绒面)结构。位于背面的发 射区被设计成点状，5画间距，1面im扩散区，5Mm接触孔径，基区、作成同样的形状,这样可减小背面复合。衬底采用设型低阻材料(取 其表面及体内复合均低的优势)，衬底减A到约1面面，以进一步减 小体内复合。这种电池的转换效率在A第.5下为22.3%。(3)德国Fraunhofe r太阳能研究所的深结局部背场电池(L背SF)LBSF的结构与P层L电池类似，、采用TCA氧化层钝化和倒金字 R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13来制作电池的表面接触，2cmX2cm电池电池效率达到23.3%(V=7面就，Isc-41.3mA,FF一 面.8面6)o(4)日本SHARP的C-Si/c-Si异质pp*结高效电池SHARP公司能源转换实验室的高效电池，前面采用绒面织构化，在Si(h钝化层上沉积SiN为A只乙c面用RF-P星VD掺硼的此一 Si A膜作为背场，用SiNA膜作为c表面的钝化层，A1层通过SiN上 的孔与四cSi A膜接 触。5cmX5cm电池在AM1.5条件下效率达到21.4%(Voc=669mV,Isc=4面5mA)FF=面,79)o(5)我国单晶硅高效电池天津电源研究所在国家科委“八计划支持下开展高效电池研 究，其电池结构类似UNSw的V型槽P层电池，电池效率达到2面.4%o背京市太阳能研究所“九y 研间在背京市政府支持下开展了高 效电池研究，电池前面有倒金字R织构化结构，2cmX2cm电池效率达 到了 19.8%,大面(5cmX5cm)激光刻槽埋栅电池效率达到了 18.6%。1.3多晶硅高效电池多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制 备出适于光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、较低。晶界及杂质影响可通过 电池工艺改善；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。近年来吸杂工艺在度受到重视，包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工 艺。吸杂工艺、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、有作用，但其所用的条件未必适用于太阳电 池，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 受控于两个步骤：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器本因素。常光铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜c经 过烧结形成，、可 同时形成电池的背场。近几年在吸杂上的工作证明，P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硼。在晶体生长中受应提等影响造成缺硼越多 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 曝VD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。14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池的 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PECVD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。多晶硅太阳电池的表面由于存在多种晶向，不如(1面面)曲的 单晶硅那近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期究近标，其中采用多刀砂轮进行表 面刻槽,对1面mXl面m面积硅片的工序时间可降到3酬人 具有了 一 定的实用潜提。石孔硅作为多晶硅太阳电池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，所得多晶硅电池的效率也能达到 13。4%。我国北京有色金热期究总院及中科院感光化学期究所共同 期制的在丝片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色本低于单晶硅cZ材料，因此多晶硅组件 比单晶硅组件具有更大的降低色本的潜提，因而提高多晶硅电池效率 的期究工作也受到普遍重视。近1面年来多晶硅高效电池的期展很快，其中比较有代表性的工作是Ge ogi上 书ch.电池)UNSW电池，Kyse r上 电池等。(1)Ge ogi上 书ch.电池Ge ogi上工业大学光伏中心使用电阻率面65 Qcm也厚度28 m的 HEM(热交换法)多晶硅片制作电池，/期射区的形色和磷吸杂结合，采用快速热过程制备铝北场，用lift-off法制备Ti/Pd/Ag前电 极，并加双E减反射膜。le n?电池的效率AM1.5下达到18.6%。(2)UNSw 电池uNsw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PERL电池类似，只是前表面织构化不是倒金字R,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上e提供，le n?电池的效率AMI-5 下，达到19.8%,这是近前水平最高的多晶硅电池的期究结果。该工 艺C池了多晶硅电池不适合采用高温过程 的M统观9。(3)Kyse r上电池日本ky面e r上公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化 技术，PECVDSiN膜既作为减反射膜，于作为体钝化措施，表面织构 化采用反应性粒子刻边技术。北场则采用丝印铝奖烧结形色。电池前 面栅线也采用丝印技术。15cmXl5cm大面积多晶硅电池效率达17.1%o近前日本正计划实现这种电池的产业化。(4)我国多晶硅电池15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1面mXl面ni电池效率达到11.8%。北京市太阳能研究所在“九 五”研间开展了多晶硅电池研究，le n?电池效率达到145%。我国 中试生产的1面mXl面m多晶硅太阳电池的效率为1面-11%,最高效 率为12%。1.4多晶硅薄膜电池自7面年代以来，为了大幅度降低太阳电池的色本，光伏界一直 在研究开研薄膜电池，并先c开研出非晶硅薄膜电池，硫化镐（CdTe）电池，铜钢硒（C1电池等。特别是非晶硅电池，8面年代初一问世,很快实现了商业化生产。1987年非晶硅电池的市场份额超过4面%。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%。cdTe电池性能稳定，但由于资源有限和 Cd毒性大，目1面年来市场份额一直维持在：13%左右；cl五电池的 实验室效率不断攀升：最目达到18.%，但由于中试产品的重复性 和一致性没有根本解决，产业化进程一在推c,至今仍停留在实验室 和中试阶断；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，人们开始考虑开研多晶硅薄膜 电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰 富的优势，于具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低色本的 优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开研色为目几年的属点。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，达到降低色本的目的。严格说，c者不属于薄膜电 池技术，只能算作薄片化硅电池技术。（1）CVD多晶硅薄膜电池各种 cvD（PECVD,RTCVD,cjt-CVD,Hot-wire CVD 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kjne k上公司采用PECVD技术在55面2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1面；德国Frjfthofe r太阳能研究所使用五02和siN包覆陶瓷 或sic包履石墨为衬底，用快速属化学气相沉积（RTCVD）技术沉积 多晶硅薄膜，硅膜经过者熔在结晶（改四c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池的研究 工作。该所采用RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜 和电池，1cm,电池效率在薄1.5条件下达到13.6%,目前正在向非 硅质衬底转移。（2）多E多晶硅薄膜电池16UNSW1994年提出一种多层多晶硅薄膜电池的概9和技术，1994 年与Pacific Powe r公司合作成立ke ifiC sOlar公司开发这种电 池。最近报道，该公司已经生产出30cmX40cm的中试电池组件。薄膜 采用CVD工艺沉积，衬底为这璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据成，电池组件的主要成本是封装这璃，商业化c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近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。近前半导体 工业用的投炉多晶硅料是采用三氯氢硅精僧法（西门子法）生产的，采用改进的西门子法并扩大光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，我国太阳级硅的发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c,使用V酸、王水、氢氟酸等进行酸洗格取，可将含铁量降到200精精m 量级，然c在进行发次定向凝固（发使用发次直拉），将含铁量降 到0.3精精量级，但其纯度及成本均未能达到要求。我国据有纯度高 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据有潜提。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si（h形2存在于石英和砂子中。P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 近被还原出来的硅的纯度约98%99%,成为冶金级硅（MG-Si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。近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10力以下。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在偏化床反应器 中与HCI气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气，Si+3HCI-SiHC13+山。由于SiHCh在30C以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精僧使SiHCh与其P氯化物分离，经过精僧的SiHCL,其杂质水 平可低于10力%的电子级硅要求。提纯c的SiHCh通过CVD原理制备 出多晶硅锭。17基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应基中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si粉未 颗粒只有十分之几毫米，可用