硅太阳能电池的工作原理与结构及制造工艺流程图

先进电池材料课程论文学院材料科学与工程学院班级材料化学 11-2 学号 201123242345 姓名日期 2014.05.27 硅太阳能电池的工作原理与结构及制造工艺流程图摘要 随着全球煤炭、 石油等不可再生能源的减少， 以及由这些燃料燃烧带来的温室效应。 我们需要发现一种新能源， 太阳能电池将是一个非常宝贵的发明， 它会起到不可估量的作用。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。 也是清洁能源， 不产生任何的环境污染。 当电力、 煤炭、 石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。 在国际光伏市场巨大潜力的推动下， 各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。关键词 太阳能电池原理 硅材料 P 型和 N型半导体 制造工艺硅太阳能电池的工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应， 一般的半导体主要结构如下硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的分子结构是这样的当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点 2300℃，沸点 3658℃，密度 2.34 克 / 厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用；高温下，硼还能与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。）、磷等；当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴，它的形成可以参照下图说明图中， 正电荷表示硅原子， 负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子， 而黄色的表示掺入的硼原子， 因为硼原子周围只有 3 个电子， 所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成 P（ positive ）型半导体。（附， 什么是 P型半导体呢在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的 P 型半导体， 掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的 N型半导体。 ）同样， 掺入磷原子以后， 因为磷原子有五个电子， 所以就会有一个电子变得非常活跃，形成 N（ negative ）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子，如下图所示N型 P型半导体中含有较多的空穴， 而 N型半导体中含有较多的电子， 这样，当 P 型和半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN结。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时， 在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的 P 型一侧带负电， N型一侧带正电。这是由于 P型半导体多空穴， N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。 N 区的电子汇扩散到 P 区， P区的空穴会扩散到 N区， 一旦扩散就形成了一个有 N指向 P的“内电场”， 从而阻止扩散进行。 达到平衡后， 就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差， 从而形成 PN结。当晶片受光后， PN结中， N型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N型区移动，从而形成从 N型区到 P 型区的电流。然后在 PN结中形成电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。子所由于半导体不是电的良导体， 电子在通过 p-n 结后如果在半导体中流动， 电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 p-n 结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜 （如图） ， 实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000 埃左右。将反射损失减小到5甚至更小。 一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限， 于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。 当空穴和电子在 N型硅和 P型硅的交界处混合时， 中性就被破坏了。 所有自由电子会填充所有空穴吗不会。 如果是这样， 那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得 N侧的电子越来越难以抵达 P 侧。 最终会达到平衡状态， 这样我们就有了一个将两侧分开的电场。光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从 P侧流向 N侧，而不是相反。它就像一座山电子可以轻松地滑下山头（到达 N侧），却不能向上攀升（到达 P 侧）。这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。 让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。 当光以光子的形式撞击太阳能电池时， 其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子， 从而产生一个自由的空穴。 如果这发生在离电场足够近的位置， 或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内， 则电场会将电子送到 N侧， 将空穴送到 P侧。 这会导致电中性进一步被破坏， 如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（ P侧），在那里与电场发送的空穴合并， 并在流动的过程中做功。 电子流动提供电流， 电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。光伏电池的工作原理我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量遗憾的是， 此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为 25左右，通常的吸收率是 15或更低。为什么吸收率会这么低可见光只是电磁频谱的一部分。 电磁辐射不是单频的它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。 （有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。）光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广， 因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。 它们只是穿过电池， 就像电池是透明的一样。 但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量单位为电子伏特（ eV），由电池材料（对于晶体硅，约为 1.1eV）决定才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。 如果光子的能量比所需的能量多， 则多余的能量会损失掉 （除非光子的能量是所需能量的两倍， 并且可以创建多组电子空穴对， 但这种效应并不重要） 。仅这两种效应就会造成电池中 70左右的辐射能损失。 为何我们不选择一种带隙很低的材料， 以便利用更多的光子遗憾的是， 带隙还决定了电场强度 （电压） ，如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。 请记住， 功率是电压和电流的乘积。 最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池， 这个值约为 1.4 电子伏特。 我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。 我们可以在电池底部镀上一层金属， 以保证良好的导电性。 但如果我们将电池顶部完全镀上金属， 光子将无法穿过不透光导体， 这样就会丧失所有电流 （在某些电池中， 只有上表面而非所有位置使用了透明导体） 。 如果我们只在电池的两侧设置触点， 则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。 为了最大限度地降低这些损耗， 电池上覆有金属接触网， 它可缩短电子移动的距离， 同时只覆盖电池表面的一小部分。 即使是这样， 有些光子也会被网格阻止， 网格不能太小， 否则它自身的电阻就会过高。 在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。 出于这个原因， 在电池顶部采用抗反射涂层， 可将反射损失降低到 5以下。最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。光伏模块由多块电池（通常是 36 块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级， 这些电池放在一个坚固的框架中， 后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。 电池材料中还采用了多晶硅， 尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高， 但可以降低成本。 此外， 还采用了没有晶体结构的非晶硅， 这样做同样是为了降低成本。 使用的其他材料还包括砷化镓、 硒化铟铜和碲化镉。 由于不同材料的带隙不同， 因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。 一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。 带隙较高的材料放在表面， 吸收较高能量的光子； 而带隙较低的材料放在下方， 吸收较低能量的光子。 这项技术可大大提高效率。 这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。硅太阳能电池制造工艺流程图1、硅片切割，材料准备工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片） ，硅片的边长一般为 1015cm，厚度约 200350um，电阻率约 1Ω .cm 的 p 型（掺硼） 。2、去除损伤层硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷， 这就会产生两个问题， 首先表面的质量较差， 另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。 因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约 10um。3、制绒制绒， 就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀， 使其凸凹不平，变得粗糙， 形成漫反射， 减少直射到硅片表面的太阳能的损失。 对于单晶硅来说一般采用 NaOH 加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约 80度，浓度约 12，腐蚀时间约 15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。4、扩散制结扩散的目的在于形成 PN 结。 普遍采用磷做 n 型掺杂。 由于固态扩散需要很高的温度， 因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要， 要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。5、边缘刻蚀、清洗扩散过程中， 在硅片的周边表面也形成了扩散层。 周边扩散层使电池的上下电极形成短路环， 必须将它除去。 周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。6、沉积减反射层沉积减反射层的目的在于减少表面反射， 增加折射率。 广泛使用 PECVD 淀积 SiN ,由于 PECVD 淀积 SiN 时 ,不光是生长 SiN 作为减反射膜 ,同时生成了大量的原子氢 ,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用 ,可用于大批量生产。7、丝网印刷上下电极电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤， 它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积。 ，最早采用真空蒸镀或化学电镀技术， 而现在普遍采用丝网印刷法， 即通过特殊的印刷机和模版将银浆铝浆 （银铝浆） 印刷在太阳电池的正背面， 以形成正负电极引线。8、共烧形成金属接触晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料， 传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触， 共烧工艺只需一次烧结， 同时形成上下电极的欧姆接触。在太阳电池丝网印刷电极制作中，通常采用链式烧结炉进行快速烧结。9、电池片测试完成的电池片经过测试分档进行归类。结论本文对太阳能电池的理论与原理都做了说明， 通过这次设计我们可以知道太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源， 也是清洁能源， 不产生任何的环境污染。 在太阳能的有效利用当中； 大阳能光电利用是近些年来发展最快， 最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础， 材料又尤其以硅材料为主， 其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应。心得体会通过这一周的课程设计与实践，我又一次的复习了相关的理论知识，结合自己暑假打工的实践经历， 对太阳能电池有了更深刻地了解， 更加培养了自己的自学能力和解决问题的能力。参考文献[1]半导体器件基础 .爱德华 S杨著，人民教育出版社， 1981 年[2]半导体器件物理 .孟庆巨等编著，科学出版社， 2010 年[3]狄大卫 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 上海交通大学出版社 2010 [4] 杨德仁 太阳电池材料 化学工业出版社 2007