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晶体硅太阳能电池专业班级：机械设计制造及其自动化13秋姓名：张正红学号：1334001250324报告时间：2015年12月晶体硅太阳能电池摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势前言“开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目相等。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，就构成了P型半导体，如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成势垒电场。当太阳光照射PN结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵销势垒电场，其余使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏特电动势，当接通外电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。二、晶硅太阳能电池特点（一）晶硅电池包括单晶硅和多晶硅，在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，技术也最成熟，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位。虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，但晶体硅的禁带宽度Eg=1.12eV，太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如同样吸收95％以上的太阳光，GaAS太阳电池只需要5～10μm，而硅太阳电池在150～200μm以上，才能有效地吸收太阳能；高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下；硅太阳电池尺寸相对较小，若组成光伏系统，要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统成本较高。这些因素严重影响了其广泛应用。为解决单晶硅太阳能电池的制造过程复杂、能耗大的缺点，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。但多晶硅太阳能电池经过不断的努力，目前其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。特别是多晶硅电池可以制成方形，在制作太阳能电池组件时面积利用率高。今后，在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料，如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。（二）晶硅太阳能的发展趋势高效电池是光伏的突围之匙，近年来晶硅太阳能电池的转换效率取得重大进展，浆料及丝网印刷技术进步最快；但随之而来的是银的消耗日益突出，其成本已占到电池成本的17%左右，如图2－1为量产太阳能电池的转换效率。图2－1量产太阳能电池的转换效率晶体硅电池发展的趋势是低成本、高效率，这是光伏技术的发展方向。低成本的实现途径包括效率提高、成本下降及组件寿命提升三方面。效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进。成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发。组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因而，晶体硅电池发电的平价上网时间表除了与产业规模的扩大有关外，最重要的依赖于产业技术（包括设备和原材料）的改进。仅靠工艺水平的改进对电池效率的提升空间已经越来越有限，电池效率的进一步提升将依赖新结构、新工艺的建立。具有产业化前景的新结构电池包括选择性发射极电池、异质结电池、背面主栅电池及N型电池等。这些电池结构采用不同的技术途径解决了电池的栅线细化、选择性扩散、表面钝化等问题，可以将电池产业化效率提升2～3个百分点。为了进一步降低成本、提高效率，各国光伏研究机构和生产商不断改善现有技术，开发新技术。如新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列PESC、PERC、PERL电池，2001年，PERL电池效率达到24.7％，接近理论值，是迄今为止的最高记录。后来由此衍生了南京中电的SE电池与尚德的PLUTO电池，PLUTO电池的本质即是将实验室PERL电池进行量产，SE电池可以算是尚德PLUTO电池的一个简化版，它们都是从PE系列电池演变而来，因为无论是PESC、PERC，还是PERL电池均含有SE电池最典型的选择性发射极技术，SE技术只选取PE系列收益最明显、同时产业化相对容易的前表面结构部分。相对于尚德PLUTO是对PERL技术的“高仿”电池，中电SE电池可视为“低仿”，如图2－2PERL电池结构是PERL电池结构图。图2－2PERL电池结构PERL电池具有高效率的原因在于：(1)电池正面采用“倒金字塔”，这种结构受光效果优于绒面结构，具有很低的反射率，从而提高了电池的短路电流JSC.(2)淡磷、浓磷的分区扩散。栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小，且短波响应好的要求;(3)背面进行定域、小面积的硼扩散P+区。这会减少背电极的接触电阻，又增加了硼背面场，蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器，从而进一步提高了电池的转化效率;(4)双面钝化。发射极的表面钝化降低表面态，同时减少了前表面的少子复合。而背面钝化使反向饱和电流密度下降，同时光谱响应也得到改善；但是这种电池的制造过程相当繁琐，其中涉及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产工艺。其他如SunPower公司开发出一种采用丝网印刷工艺的低成本背面点接触电池，效率已达22%；三洋公司生产的HIT电池，研发效率可达23.7%；德国KonstanzISEC采用n型ZEBRAIBC技术研发的双面电池得到了21.1%效率，背面的光照可得到20%额外的输出功率。太阳电池硅片技术发展趋势是薄片化，降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30多年来，太阳电池硅片厚度从70年的450～500μm降低到目前的150～180μm，降低了一半以上，硅材料用量大大减少，对太阳电池成本降低起到了重要作用，是技术进步促进成本降低的重要范例之一，如图2－3普通硅太阳能电池的多种损失机制显示了太阳电池硅片厚度的降低。表2－1太阳电池硅片厚度的降低（三）晶硅太阳能电池转换效率的损失机理太阳能电池转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制。现有的影响太阳能电池效率的因素主要有电学损失和光学损失，光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性；电量转换损失包括载流子损失和欧姆损失。太阳光之所以仅有很少的百分比转换为电能，原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流，晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合，在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子—空穴对，余下的能量又被转换为未利用的热量，光的反射引起阳光中的一部分不能进入电池中。如硅的带隙Eg=1.12eV，对应波长大于1.1μm的光透过，不能被吸收；波长小于1.1μm的光子能量如果大于Eg，一个光子只产生一个电子，多余能量不能利用，以热的形式损失；硅表面反射率35%，造成较大的反射损失；其他如二极管非线性损失、复合损失、接触电阻损失都造成硅电池效率的下降。对于单晶硅硅太阳能电池，转换效率的理论最高值是28%。只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面，如图2－3所示：（1）光学损失，包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。（2）电学损失，它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的接触电阻，以及金属和半导体的接触电阻等的损失。这其中最关键的是降低光生载流子的复合，它直接影响太阳能电池的开路电压。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。此外，当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。图2－3普通硅太阳能电池的多种损失机制（四）提高晶硅太阳能电池转换效率的方法围绕提高晶硅太阳能电池的转换效率，目前正在采用的有效技术有：1、优化晶体硅材料：太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系，理论和实践都证明0.5－3Ω·cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。为了降低光致衰减，目前单晶有向高电阻率发展的趋势。2、高方阻技术：采用均匀高方阻技术，高方阻PN结具有高表面活性磷浓度、低非活性磷浓度、深结的特点。3、先进的金属化技术：金属栅线由不透光的银颗粒及玻璃体组成。为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失，可以缩小细栅的宽度、采用超细主栅或无主栅、背面接触、栅线内反射、选择性扩散技术、激光刻槽埋栅电池。4、光陷阱结构：一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术，制得绒面的反射率可达到10％以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术（RIE），该技术的优点是和晶硅的晶向无关，适用于较薄的硅片。5、减反射膜：它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。单晶硅电池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至2％左右。6、钝化层：钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。7、增加背场：如在P型材料的电池中，背面增加一层P+浓掺杂层，形成P+/P的结构，在P+/P的界面就产生了一个由P区指向P+的内建电场。由于内建电场所分离出的光生载流子的积累，形成一个以P+端为正，P端为负的光生电压，这个光生电压与电池结构本身的PN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压Voc。同时由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高。8、改善衬底材料：选用优质硅材料，如N型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。进一步提高硅电池效率的一些技术方法有1.电池背表面的钝化和PERC技术2.三氧化二铝膜对P型表面的