太阳能电池原理与应用

南昌航空毕业（论文）设计继续教育学院自考毕业设计 论文 专 业 名 称学 生 姓 名指 导 教 师二 ○ 一 二 年 四 月2 继续教育学院自考毕业设计（论文）任务书一、毕业设计 论文 题目 太阳能电池原理与应用二、毕业设计 论文 内容太阳能电池太阳能电池的工作原理太阳能电池材料与工艺太阳能的应用太阳能与建筑一体化太阳电池发电系统三、主要参考资料 [1] 施玉川．太阳能基础与技术．西安交通大学． 1999 年[2] 李锦堂． 20 世纪太阳能科技发展的回顾与展望．太阳能学报1999 特刊[3] 刘恩科等．半导体物理学．国防工业出版． 2006 年[4] 赵富鑫等．太阳电池及其应用．国防工业出版社． 1985 年3 [5] 杨新年．武汉太阳能开发与应用．武汉出版社． 2007 年光伏材料应用技术 专业 学生姓名指导教师4 太阳能电池原理与应用学生姓名 班级指导老师摘要 太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。太阳辐射能与常规能源及核能相比有广泛性、清洁性、分散性、间歇性、地区性、永久性的特点。因此，太阳能是未来新能源体系中极其重要的战略能源， 也得到了世界各国的强烈重视。 太阳能既是一次能源， 又是可再生能源， 可发直接转化利用。 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； 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。光伏发电系统主要由太阳能电池、 蓄电池、 控制器和逆变器构成。 光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统 独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式， 典型特征为需要蓄电池来存储能量， 在民用范围内主要用于边远的乡村， 如家庭系统、 村级太阳能光伏电站； 在工业范围内主要用于电讯、 卫星广播电视、 太阳能水泵， 在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。 并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。[ 关键词 ] 太阳能 光伏发电 太阳能电池 六三策略指导老师签名5 Solar photovoltaic power generation and application student name SunGuoPeng class 10 levels photovoltaic class two Teacher HuangHanYun 【 Abstract】 Solar radiation is actually the most important sourceof energyon Earth. Thenatureof the fuel energy, wind energy, hydropower h ave come from solar. Solar radiationwith conventional energy sourcesand nuclear energy compared to the broad, cleanliness, scattered, intermittent, regional, permanent feature. Therefore, solar energy is the future of newenergy system,an extremely important strategic energyhas also beena strong emphasisofthe world. Both primary energy and solar energy, renewable energy, can be sent directconversion and utilization. Conversion devicesto convert solar radiation energy utilizationis the use of solar thermal technology, the use of heat for power generation known as thesolar thermal power generation; the solar radiation is converted into electrical energy usebelongs tothe solar power generationtechnology conversion devices pv power system mainly by the solar battery, the battery, the controller and inverter to form. Photovoltaic power generation systems can be divided into independent solar photovoltaic power generation systems and grid solar photovoltaic power generation system independent solar photovoltaic power generation is to point to solar photovoltaic energy not and way of generating grid connections, typical characteristics for need to store energy storage battery, in civil range is mainly used in remote villages, such as family system, the village-level solar photovoltaic power station; In the industrial range is mainly used in telecommunications, satellite radio and television, the solar energy water pump, wind power and have the small hydropower area still can mix of power generation systems, etc. Solar photovoltaic power grid is to point to solar photovoltaic power generation connected to the national grid power generation way to become the grid added. [Key words solar photovoltaic, solar cell 6 three strategies6 目录第一章 太阳能电池 11． 1 太阳能的发展史 1 1． 2 太阳能的特点 4 1． 3 太阳能电池 5 第二章 太阳能电池的工作原理 82． 1 半导体原理 8 2.1.1 能级 . 8 2.1.2 能带 8 2.1.3 本征半导体和掺杂半导体 . 10 第三章 太阳能电池材料与工艺 133． 1 太阳电池材料 . 13 3.1.1 材料提纯 . 14 3.1.2 拉单晶 . 15 3.1.3 切片 . 16 3． 2 太阳电池工艺 . 16 3.2.1 硅片的表面准备 . 17 3.2.2 制结 . 17 3.2.3 除去背结 . 18 3.2.4 制作上、下电极 . 18 3.2.5 腐蚀周边 . 18 3.2.6 制减反射膜 .19 3.2.7 检验测试 . 19 3． 3 太阳电池组件 . 19 3． 4 太阳电池发电系统 . 21 3． 4． 1 系统分类 . 21 3． 4． 2 系统构成 . 24 7 第四章 太阳能的应用 264． 1 太阳能热水器 . 26 4． 2 太阳能与建筑一体化 . 28 4． 3 太阳能干燥 . 38 第五章 总结与展望 315.1 三大目标 . 315.2 2010 年第四届世界太阳城大会 31 5.3 太阳能与建筑一体化 . 31 5.4 农村推广 . 31 5.5 公共建筑 . 32 5.6 税收扶持政策 .32 总结 . 33参考文献 34谢辞 . 35南昌航空毕业（论文）设计1 第一章 太阳能电池1． 1 太阳能的发展史人类主动利用太阳的历史大致可分为四个阶段1 雏幼阶段 1920 这一阶段， 太阳能利用表现为在某些特殊场合、 特定条件下作为动力装置的应用。如可追溯到公元前 11 世纪，距今 3000 多年前，我们祖先发明了“阳隧取火”技术。所谓阳燧就是一种金屑的凹面镜，它能汇聚阳光燃艾绒之类而取得火种。公元前 1 世纪，埃及的亚历山大城利用太阳能将空气加热膨胀而把水由尼罗河抽到较高处，供农地灌溉用。 1700 年，意大利人利用太阳热能熔解钻石。智利的拉斯萨利纳斯地区，水的含盐量高达 14％，若用蒸气锅炉谈化水则成本很高，这样要大量供给动物和人的饮用泼水便成了问题。 1872 年，智利政府在离海岩约110 km 的内陆地区建造了世界上第一个最大的太阳能蒸馏系统；占地面积约4738m2 的太阳能蒸馏厂，把咸水变成谈水供给硝石矿用。该厂生产淡水可达 27t／ d。1882 年 8 月 6 日， A．皮佛雷在法国巴黎的马温尼印刷所用 3． 5m直径的一面镜子反射阳光，使一台小型垂直蒸气机运转。虽然当天天空上有些云，但为节日特地编辑的太阳杂志，按平均 500 本 /h 的速度印，在下午 l 时至 5 时就印完了。1902 1908 年， H． E威尔西和约翰‘博伊尔在美国加利福尼亚的圣路易斯和尼翘尔斯造了 4 台太阳能蒸汽机。其中一台 4． 5kw 和一台 15kw 的蒸汽机是靠水和二氧化疏驱动的。1913 年， 在埃及开罗以南建成由 5 个抛物槽组成的太阳朗水泵、 每个长 62． 5m，宽 4m．总采光面积达 1250m2，输出功率 75kW，第一次世界大战后，因燃料便宜而末再使用。2 发育阶段（ 1920 一 1973 这一阶段，太阳能的利用途径、材料和理论研究都得到了发展并且已渗透到了诸多项域。其产品的工业化、市场化有了一定的进展。如1920 年，美国加州开始大量使用太阳能热水韶1938 年，世界第一座实验用太阳屋完成。1940 年．太阳电池作为日照计使用。南昌航空毕业（论文）设计2 1949 年，在法国建造完成可产生 3500 C 高温的太阳炉。1954 年，由美国贝尔研究所的 Chapin 和 Pearson 试制成功了效率为 6％的实用型硅太阳电池，为太阳能光伏发电大规模应用奠定了基础。同年，世界各国开始重视太阳能利用，成立了应用太阳能协会 AASE，每年开一次会议。 1955 年，俄国人 V． B． Baum完成第一部太阳能吸收式冷冻机，一天可制冰约 285kg。全世界第一次太阳能应用研讨会 1955 年在美国亚利桑那州召开，共 37 个因家的 3 万人参加。1957 年，前苏联第颗人造卫星 Spurmk，利用太阳电池作卫星电源。1958 年，美国发射的“先锋 1 号”人九地球卫星是以太阳电池做通信电源。为了防止因宇宙射线的影响而降低电池的发电能力，人们开始了深入的研究。可以说，宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。宇宙用太阳电池必需具有效率高和重量轻的特点。同年中国开始研究太阳能电池。1960 年，世界上第套太阳能氨－水吸收式空调系统在美国建成，制冷能力为 5 冷吨。1961 年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。1971 年，中国一四八所研制的硅太阳电池成功装备了中国卫星实践 2 号。1972 年， 美国开始生产地面用太阳能光伏发电系统， 电池组件价相 500/Wp。（ 3）成熟阶段 1973 一 1996 这一阶段，太阳能光热、光伏两大主流利用技术都已成熟，太阳能产业初步建成、其产品实现商业化，市场已培育起来。为下阶段的飞跃奠定了基础。1973 年，美国成立了太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。同时低价格化的太阳电池开发成为研究的重点之一。1974 年，日本开始执行“阳光计划” 。1979 年．中国太阳能学会在西安成立。1986 年，美国建成 6． 5MW太阳电池电站。1987 年，单晶硅电池效率达 22，砷化镓电池达 24，非晶硅电池达 14． 8，带硅、多晶硅电池效率达 13－ 14，单晶硅组件效率达 16。1988 年，中国从加拿大引进铜铝复合太阳条带生产线。1988 年，美国用砷化镓 单晶硅复合结太阳电池在 100 多倍聚光条件下获得32高效率复合结电池。世界太阳电池年产量达 30MW。南昌航空毕业（论文）设计3 1990 年，美国高效砷化镓 单晶硅复合结太阳电池在 200－ 300 倍聚光条件下效率达 37，多晶硅太阳电池效率达 18，世界太阳年产量达 46MW。组件价格 4－ 5/Wp。1995 年，世界太阳能电他产量达到 84． 2MW；美国达到 34． 8MW。美国太阳能电池商业化组件的转换效率水平．单晶硅、多晶硅、非晶硅分别达到 14． 0％、13． 0％和 6． 0％。1996 年在海拔 4500 米以上的世界屋脊西藏阿里地区，由我国研制的 1000Wp太阳能光伏水泵系统投入运行，解决了人畜用水问题。4 飞跃阶段 1996 2050 这一阶段，太阳能的利用出现飞跃性发展。在这一阶段中，人类遇到了三大压力；能源消耗需求的增长、环保、可持续发展。近几年政府、科技、行业、市场的表现证实了这阶段的性质是属于飞跃性的。①政府。1996 年，联合国在津巴布韦召开“世界高峰太阳能会议” ，会后发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言 ，会上讨论了世界太阳能 10 年行动计划 19962005 ， 国际太阳能公约 ， 世界太阳能战略规划等重要文件。1997 年 6 月，美国总统克林顿宣布到 2010 年实现“百万太阳能屋顶计划” 。1997 年，日本政府宣布实施 7 万屋顶计划。1997 年 12 月，印度政府宣布在 2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶计划。1998 年，意大利政府开始实行“全国太阳能屋顶计划”量 50MWp。1998 年德国提出 10 万屋顶计划。中国政府制定了新能源和可再生能源发展纲要 （ 1996-2010 。②科技。1998 年，美国太阳能飞机飞上高空。 2000 年，美国 Vlonment 航空公司宣称未来的通讯可能将不再依赖昂贵的卫星，转而依靠更廉价的太阳能遥控飞艇。正在开发新飞艇太阳神“赫利俄斯’ ’号预计将于 2003 年问世。该公司在美国国家航空航天局的帮助下，已研制开发出“百夫长’ ’太阳能遥控飞艇，并在美国国家航空航天局德赖登飞行研究中心成功地进行了试飞。 “百夫长”可携带 272 千克有效荷载、与一颗普通卫星的有效荷载相同。它可作为现在广泛应用于商业、军事、环保、科研，尤其是远程通信太空卫星的取代品。现在发射一颗卫星的费用至少需要 1 亿美元，而配置一艘太阳能飞艇只需 500 万一 1000 万美元，而且一位领航员能同时遥控好几架飞艇，其有效荷载易于升级。 2000 年 6 月．在澳洲研南昌航空毕业（论文）设计4 制和建造的世界第一艘太阳能和风力发电的双体船， 星期日 25 日 在悉尼港启航。③市场。太阳能光伏发电见表 1． 1 表 1． 1 近年世界光伏组件销售量 MWP／ a 时间 1995 1996 1997 1998 1999 售量 81． 0 88． 5 122． 0 157． 4 200 增幅 － 9． 3 37． 9 29 27． 1 太阳能热水器据不完全统计， 1992 年中国太阳能热水器销售量超过 50 万 m2。 1997 年达 350万 m2。 1998 年销售量增长 20％多。工业发达国家太阳能利用的普及率达 20％左右，而中国及绝大多效发展中国家的普及率不足 1％，其发展空间可想而知。窥一斑而可知全貌。近来，世界上一些著名分析预测研究机构、跨国公司、太阳能专家和国家政府纷纷预测，认为 2l 世纪中叶即 2050 年前后，太阳能 含风能、生物质能 在世界能源构成中将占 50％的份额，那时太阳能将成为世界可持续发展的基础能源。1． 2 太阳能的特点随着社会的发展和人类文明进步，太阳能将会扮演愈来愈重要的角色；之所以如此，是因为它有许多独到之处。太阳辐射能与常规能源及核能相比有下列几个特点（ 1）太阳能的广泛性太阳辐射到处皆是，就地可用，无需运输或输送。可算是取之不尽、用之不竭的巨大的源，这对于山区、沙漠、海岛等落后的偏僻边远地区更显示出它的优越性，用户只要一次投资建造好太阳能系统之后，平时的维持费用远比其它任何能源都小得多。（ 2）太阳能的清洁性矿物燃料在燃烧时会放出大量的各种气体，核燃料工作时要排出放射性废料，它们都会使环境受到污染。利用太阳能可以大大减少环境污染，因此称太阳能为清洁能源。（ 3）太阳能的间歇性太阳能高度角一日及一年内在不断变化，且与地面的纬度有关，即使没有气南昌航空毕业（论文）设计5 象的变化，太阳辐射的变化也相当大。就一地而论，一天 24 小时内太阳辐照度变化很大，再加上气象变化如阴雨天日照更少，因此太阳能的可用量是很不稳定的．也就是说随机性性很大。当利用太阳能发电时，一般配备相当容量的储能设备，如蓄电池组等，这不仅增加设备及维持费用，而且也限制了功率的规模和降低了整个系统的效率。 ’（ 4）太阳能的永久性太阳辐射已经进行了几十亿年，据估计太阳的寿命大约仍有 5 109 年，因此相对而言可以认为它是个永久性能源。总的来说，利用太阳能有其巨大的优点，但也有严重的缺点，因此在考虑太阳能利用时、不仅废从技长方面考虑，还应从经济、环境保护、生态、居民福利特别是国家建设的整体方针来全面考虑研究。1． 3 太阳能电池太阳能电池是一种利用光电转换效应把光能转变为电能的器件，也称光伏器件。一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。太阳能光伏发电系统包括太阳能电池 / 组件、蓄电池、控制器和逆变器。其中又以太阳能电池 / 组件最为重要，图 1． 1、图 1． 2 是太阳能电池的外形和结构示意图。南昌航空毕业（论文）设计6 图 1． 1 太阳能电南昌航空毕业（论文）设计7 图 1． 2 太阳能电池结构示意图池南昌航空毕业（论文）设计8 第二章 太阳能电池的工作原理太阳电池的原理，是光电转换效应。一般来说，这种效应是指吸收光能，产生电动势的现象。不仅是固体，在液体、气体中也常常可以观察到。但是从产生能量观点来看，光电转换效应，有效的只是固体，特别是半导体。因此这里以半导体为例说明太阳电池的工作原理。2． 1 半导体原理理论上讲，无论是固体、液体还是气体都有一定的将光转换为电的能力，但转换能力的差别极其大，可能差几个、几十个或几百个数量级。在固体中，尤其在半导体内，其光电转换的效率相当高。人们把太阳辐射光直接转换为电能的器件称为太阳电池。太阳电池是一固态半导体器件。它完全依靠内部的固体结构实现光转换为电的，没有任河活动部件。2.1.1 能级从物理学中我们知道原子的结构是以壳层形式按定规律分布的。原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层．电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态．每个壳层里运动的电子具有定的能量状态。所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能极亦表示电子的一种运动状态。所以能态、状态和能级的含义相同。原子中电子的运动状态 能级 由四个量子数来确定；分别是主量子数 n、副 角 量子数 l 、磁量子数m和自旋量子数 ms。2.1.2 能带固体中原子的能级结构和孤立原子的不同，形成所谓“能带” 。能带的形成是固体中原子相互影响的结果。从量子力学的观点来看，原子中电子本无确定的轨道；之所以使用轨道一词，实际上是指电子出现几率较大之处。所谓内层轨道是指在原子核附近电子出现几率较大之处，而外层轨道则指在原子核外围电子出现几率较大之处。电子在原子中的运动状态是由 n、 l 、 m、 ms，决定的，并且可以用能级来描绘电子所可能的运动状态。例如，锗原子中电子的分布情况可以用 1s2， 2s2， 2p6，3s2， 3p6， 3d10， 4s2， 4p2来描述。如图 2． 1 所示，最内的电子壳层 n ＝ 1、 l ＝ 0有 2 个电子；第二个电子壳层有两个分层 n ＝ 2； l ＝ 0， 1 ，分别有 2 个和 6 个电子；依次类推。能级如图 2． 2 所示，对于不同的电子壳层，能级之间的能量差值南昌航空毕业（论文）设计9 较大，而相应于同一电子壳层的不同分层．能级之间的能量差值较小。在锗原子中．第一、第二和第三电子壳层是填满的；与原子核距离较近，结合也较牢固，称为内 层 电子。而第四电子壳层是未填满的，距离原子核较远，结合也最弱。未填满电子的最外壳层中的电子数决定这一元素的化学性质；这些电子称为价电子。价电子所处的基态能级叫做价级。价电子经激发后，可以跃迁到价级以上的空能级中去。这些空能级称做激发能级 相应于激发层轨道 。为简单起见，在图 2． 2 中价级只画一条横线来表示。图中最上方是游离级．表示电子可以自由运动的游离状态。在晶体中，如果认为各个原子是完全孤立的，那么，各个原子的相应能级的能量应完全相等。换句话说．相应的能级重叠在起，成为简并能级。但事实上当原子结合为晶体时、每一原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其它原子的作用。当原子相互接近形成晶体时．不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠；相邻原子最外壳层交叠最多．内壳层交叠较少。原子组成晶体后。由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上。可以由一个原子转移到相邻的原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。应该指出，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。所以共有化运动是指不同原子中的相似轨道上的电子的转移。例如 2p 支壳层的交叠， 3s 支壳层的交叠，如图 2． 3 所示。也可以说．结合成晶体后，每一个原子能引起“与之相应”的共有化运动。例如 3s 能级引起“ 3s”的共有化运动； 2p 能级引起“ 2p” ，的共有化运动等等。由于内外壳层交叠程度差异较大．所以，只有最外层电子的共有化运动才显由于电子共有化运动，当 N个原子相接近形成晶体时，原来单个原子中每个能级分裂成 N 个与原来能级很接近的新能级。而电子则具有某一新能级的能量，在晶体点阵的周期性场中运动。在实际晶体中，原子数目 N 非常大，同时新能级又与原来能级非常接近，所以两个相邻的新能级间能量差非常小．其数量级是 10-22 eV，几乎可以认为是连续的。这 N 个新能级具有一定的能量范围，故称为能带。可见，能带是能级分裂的结果。如图 2． 4 所示。能级分裂形成的能带有两个特点1 能带内电子的能量是连续变化的，或者说电子的能态是连续分布的 在孤立原子内，核外电子绕核运动，受原子核束缚。电子只能取一系列不连续的能量状南昌航空毕业（论文）设计10 态，形成一系列分立的能级，量子化 。原因是作用于电子的粒子数很多，且又分布在它的四周空间。2 原来的一个能级分裂成一个能带不同的能级分裂成不同的能带。价电子共有化运动形成一个能带．使其处于价级分裂后的这些能级上，价电子这样的能带、叫做价带。价带的宽度约为几个电子伏特 eV 。如果价带中所有的能级都按泡利不相容原理填满了电子，则成为满带。激发能级也同样分裂成为能带。一般地讲，激发能带中没有电子，所以称做空带。但是价电子有可能经激发后跃迁到空带中而参与导电，所以空带亦称导带或自由带。在两个相邻的能带之间 如满带与导带之间 ，可能有一个不被允许的的量间隔 此间不存在能级 ，这个间隔称为禁带。电子不具有禁带范围内的能量。需指出，许多实际晶体的能带与孤立原子能级间的对应关系并不都象上述的那样简单，因为一个能带不一定同孤立原子的某个能级相当，即不一定能区分 s能级和 p 能级所过渡的能带。例如有时两个分立的能级会互相交杂；或变为互相叠合的能带而禁带消失；或分裂为另外两组能带。这种过程称为轨道的杂化。许多实际晶体存在轨道杂化现象。2.1.3 本征半导体和掺杂半导体本征半导体纯净半导体的禁带一般都比较窄。在绝对温度零度时，能带结构如图 2． 5a 所示。满带中填满电子，而导带中没有电子。在外电场作用下，如果满带仍然是填满电子的，外电场不能改变满带中电子的量子状态，也就是不能增加电子的能量和动量，因而不能产生电子的定向运动，不会产生电流。如果加强电场，或者利用热或光的激发，使满带中的电子获得足够的能量，大于其禁带宽度 Eg，而跃迁到导带中去如图 2． 5b。这样，半导体则可导电。需要说明，不但在导带中构成了导电的条件，同时在满带中也构成了导电条件。在导带中，由于自由电子的存在而引起的导电性，称为电子导电性。在满带中，导电虽然是由于电子运动而引起的，但是性质与电子导电的情况有所不同。它是“空穴” 空穴只有在基本上填满了的满带中才有意义 的反方向运动导电的，满带中的这种导电性，称为空穴导电性。对于纯净的半导体，在电子导电的同时，必然也有空穴导电。这两种导电机构所给出的电流都在外电场的方向上。这种半导体具有电子在导带中和空穴在满带中相互并存的导电机构，称为本征导电，具有本征导电的半导体称为本征半导体；简单地说，绝对纯净的且没有缺陷的半导体称为本征半导南昌航空毕业（论文）设计11 体。如硅、锗、研等都是这一类的半导体。非常纯的硅是本征硅。在本征硅中，导电的电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的。这时的电子浓度 n 等于空穴浓度 p，这个浓度称为本征载流子浓度 n1， n1随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，在室温时硅的 n1 约为 1010/cm3。掺杂半导体 根据需要可以在纯净半导体晶体点阵里，用扩散的方法掺入少量的其他元素的原子。所掺入的原子，对半导体基体而言，叫做杂质。掺有杂质的半导体，称为掺杂半导体。掺杂半导体一般可以分为两类第一类是在四价元素如硅或锗半导体中掺入少量的五价元素如磷、锑或砷等杂质。四价元素的原子具有四个价电子，而所掺入的杂质原子将在晶体中替代硅或锗原子的位置，构成与硅或锗相同的四电子结构，结果杂质原子成为具有净正电荷＋ e 的离子， 所多余的一个电子在杂质离子的电场范围内运动。 理论计算证明这种多余的价电子的能级将在禁带中，而靠近导带的边缘。因此，这种能级又称为局部能级。这种掺杂半导体的能带与局部能级如图 2． 6a 所示。靠近导带的短细线表示杂质的多余电子在禁带中所形成的掺杂局部能级。杂质价电子在局部能级中，并不参与导电。但是，在受到热激发时，很容易跃迁到导带中去，所以这些局部能级又叫做施主能级，用 ED表示。半导体施主能级与导带底 Ec之间的能量差值 Δ ED，显然比禁带宽度 Eg 小得多。根据实验的结果， Δ ED的量值一般仅为百分之几的电子伏特。温度不必很高，施主能级中的电子就可被激发而跃迁到导带中去。因此，这种半导体中杂质原子的数目虽然并不多，但是在常温下导带中的自由电子浓度，却比同一温度下纯净半导体导带中的自由电子浓度要大好几倍，这就大大地减小了半导体的电阻。这种半导体的导电机构是由杂质中多余电子经激发后跃迁到导带中去而形成的。这种掺杂半导体通常称做电子型 n 型 半导体。例如在硅中加入 V族元素 如磷 以后，见图 2． 7a，在硅的晶格中的一个磷原子的四个电子与周围四个硅原子的电子形成共价键，还剩一个价电子不能被安排在硅晶格正规价键结构中，因此游离而使磷原子电离。这样磷在硅中的电离能比硅的禁带宽度小很多，只有 0． 044eV。室温下硅原子的热运动动能已足以使它电离，除非在高搀杂情况 浓度＞ 1019／ cm3 。 硅中的 V族元素在室温下全部电离而提供同等数量的导电电子， 这种提供电子的杂质称为施主， 在室温下可以认为电子浓度 n≈ ND， ND为施主浓度。第二类掺杂半导体是在硅或锗的纯净晶体中，掺人少量的三价元素如硼或铟南昌航空毕业（论文）设计12 的杂质原子。在硅中加进Ⅲ族元素 如硼 以后，一个硼原子在晶格中与周围四个硅原子构成共价健时，缺少一个价电子，因而很容易从别处夺来一个价电子自身电离成负离子，如图 2． 7b 所示。那么也就可以认为硼原子带着一个很易电离的空穴，电离能为0.045eV， 这种杂质局部能级接近于价带顶 Ev， 价带与杂质局部能级之间的能量差值 Δ EA，根据实验结果，一般也不到 0． 1eV，热运动动能就可使空穴跳至价带。在室温下硅中的Ⅲ族元素原子将全部电离，而向价带提供了同等数量的空穴。在半导体中， 从半导体接受电子的杂质称为受主。 与之相应的能级称为受主能级． 用EA表示。 这种杂质半导体的导电机构基本上决定于价带中空穴的运动． 所以称为空穴型 p 型 半导体。 p 型半导体中空穴浓度较纯净晶体中空穴浓度增加几倍．所以也大大地减小了半导体的电阻。全部电离时，空穴浓度 p≈ NA， NA为受主浓度。实际半导体中．不同的杂质和缺陷都可能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，比电子从价带直接跃迁到导带去来得容易。因而虽然有少量杂质存在，却会显著地改变导带中的电子数和价带中的空穴数，从而显著地影响半导体的电导率。适当的杂质可使我们得到需要的导电类型，但是，不适当的杂质也可以使半导体成为废物，因而在掺杂之前必须将半导体提纯。南昌航空毕业（论文）设计13 第三章 太阳能电池材料与工艺太阳电池是 1954 年由 D． M．查平， C． S．富勒和 G． L．皮尔逊发明的。在此之前，就有铜氧化铜等光电池，但是，其光电转换效率还不到 1％。太阳电池发明初期主要作为电源用在太空卫星上。由于地球上矿物能源有限，并日趋枯竭，引起了人们对在地面上应用太阳电池的浓厚兴趣。由于光电系统不必将能转变成热能再转变成动能因而不受卡诺循环限制，并且，这种只靠阳光照射直接产生电能的装置还可利用太阳漫射辐射，本身重量经，无活动元件，使用安全，天热无气无放射性，单位质量有相当大的功率输出，适宜大型或小型发电，转换效率与电池大小无关等等，所以，尽管目前价格还比较贵，但随着生产技术和效率的改进，元件的成本将不断下降，已有越来越多的专家们正在努力尝试将太阳电池应用于太阳光发电。不少国家都制定了各种研究计划，近年来也有不少进展，它很可能成为人类未来的主要电力来源。3． 1 太阳电池材料笼统地讲只要能以较高的光伏转换效率且可以保持较低的生产成本的材料都可考虑用作太阳电池材料。而在考虑了材料的储量、工艺性等一系列因素后，目前用于作为太阳电池材料的元素并不多。 因此， 相应的太阳电池主要有 硅 （ Si ） ，GaAs， Cds／ Cu2S， Cds／ CdTe， CdS／ InP， CdTe/Cu2Te，无机、有机等太阳电池。在太阳能光伏发电应用中，硅太阳电池占了绝大部分，甚至可认为是一统天下。硅太阳电池又进一步分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池，所谓单晶硅是指硅电池材料的结构为单晶体 一块晶体从头至尾晶格都按一种排列重复 ；而由许多微小单晶颗粒杂乱地排列在一起的称为多晶硅；非晶硅则其材料内部结构无规则。因此，非晶硅也常称为无定形硅。在当前太阳电池的实际应用中，单晶硅电池是最成熟、工业化程度最高、应用面最广和产量最大的太阳电池。因此，对单晶硅太阳电池的材料制作及生产工艺作一介绍以期达到触类旁通的效果。图 3． l 是硅太阳电池生产全过程。南昌航空毕业（论文）设计14 （ a）硅片工序（ b）电池制造工序图 3． 1 硅太阳电池生产全过程3.1.1 材料提纯硅是地球外壳第二丰富的元素，其含量占地球的 27％。提炼硅的原始材料是SiO2，也是砂子的主要成分。然而，在目前工业提炼工艺中，采用的是 SiO2的结晶态即石英岩 优质石英砂 ，也称硅砂。我国的山东、江苏、湖北、云南、内蒙、海南等地都有分布，其工艺流程如下用电弧妒冶炼出冶金硅，其反应式世界上每年生产上百万吨冶金硅，主要用于炼钢和炼铝工业．所以冶金硅亦南昌航空毕业（论文）设计15 称工业硅。其纯度通常为 95％一 99％。2 半导体级硅 用于太阳电池或其他半导体器件的硅，其纯度级比冶金级更高。提纯硅的方法采用西门子工艺。冶金级硅被转变为挥发性的化合物，接着采用分馏方法将其冷凝并提纯。然后从这种精练产品中提取超纯硅。其过程用 HCl 把细碎的冶金级硅颗粒变成流体，用铜催化剂加速反应进行释放 出的 气体 通过 冷凝 器，所 得 到的液体经过多 级分溜得到半导体级SiHCl3 三氯氢硅 ，这是硅酮工业的原材料。为了提取半导体级硅，可加热混合气体，使半导体级的 SiHCl 3 被 H2 还原。在此过程中，硅以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上，其反应式用上述方法可以获得较高纯度的多晶硅，它是当前制备电路级硅的主要方法。此过程不仅需要消耗大量的能量，而且产生率较低，约为 37％。这就是生产半导体级硅比生产冶金级硅所需耗能量增加很多的主要原因。在这个转化过程中，成本增加则更大。因此，更有效地提纯冶金级硅一直是改进工艺的主要目标。高纯多晶硅需要进行掺杂才能得到所需导电类型和电阻率的硅材料，选择掺杂剂要考虑以下几点1 杂质导电类型；2 固溶度；3 分布性；4 与晶格匹配度；5 电离度。为了防止掺杂剂在掺过程中大量升华损失，往往事先将掺杂剂做成含量稳定的母合金再行熔化。3.1.2 拉单晶对于太阳电池制造或半导体电子工业，硅不仅要很纯，而且应是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶硅形式。几十年来制造高纯单晶硅的方法几乎没有理大突破。工业生产普遍使用的只有两种方法直拉工艺 Cz 法， Czochralski process 切克劳斯基法 和区熔工艺。1 直拉法 将多晶硅在石英坩埚中加热熔化，用一小块称作籽晶的单晶体 结晶源 硅与熔融硅接触．然后一面旋转一面从熔体中拉出，使液体硅沿籽晶这南昌航空毕业（论文）设计16 个结晶中心和结晶方向生长出完整的单晶体。经改进的工艺方法用图 3． 2 示意。它可使结晶大口径化，并能连续拉出数条单晶锭。图 3． 2 利用熔融液输送法连续拉单晶2 区熔法 利用分凝现象，在没有坩埚盛装的情况下，高频感应加热多晶硅棒的局部产生一个熔区，并使这个熔区定向移动，由此提纯、掺杂，并获得单晶硅。区熔法特点是能提高纯度，减少含氧量及晶体缺陷。3.1.3 切片用直拉法或区熔法制成的单晶硅锭要切成薄片。主要切片方法有； a．外圆切割； b．内圆切割； c．多线切割； d．激光切割等。因为硅的硬度为 7，所以除激光切割外，其它切割工具都要有金刚砂刀口或作为切割添加剂。 精度较高的为内圆切割。激光切割一般用于解高纯硅。单晶或多晶硅片一般厚度为 δ ＝ 0.3 － 0.5mm。切片损失约 50％。为了使薄片厚度尽量变薄，并减少切割时的材料损失提高材料利用率；国际先进水平采用多线切割。3． 2 太阳电池工艺太阳电池，按照其用途分为两大类。一类是空间用太阳电池。另一类是地面用太阳电池。图 3． 3 是这两类太阳电池的构造。空间太阳电池的特点是重量轻、单位面积效率高，同时，太阳电池在宇宙空间必须经受比地面上强得多的辐射，因此空间用太阳电池必须具有很好的防辐射性能。另外，对于发向宇宙空间的人造卫星来说，要在使用中进行修理是十