太阳能电池调研报告

单晶硅太阳能电池1. 能源现状2. 太阳能电池概述3. 太阳能电池工作原理4. 单晶硅太阳能电池的生产及应用1.能源现状能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础， 也是直接影响经济发展的一个重要的因素。然而地球储藏的化石能源有限， 煤炭、 石油等不可再生能源频频告急，同时化石能源的大量使用使环境污染日趋严重。图 1：中国和世界的能源结构能源枯竭 石油： 42年，天然气： 67年，煤： 200年 。环境污染 每年排放的二氧化碳达 210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境 。可再生能源：风能；水能；地热；潮汐 ； 太阳能 等为此，各个国家积极发展低碳经济，越来越多的开发利用清洁能源。其中太阳能取之不尽，用之不竭， 并且无污染， 是最具开发和应用前景的清洁能源之一， 优越性非常突出。太阳能电池是利用太阳能的良好途径之一，近些年来不断受到人们的重视，许多国家开始实行 “ 阳光计划 ” ， 寻求经济发展的新动力。使得其成为发展最快、最具活力的研究领域。太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池2.太阳能电池概述1）太阳能电池定义太阳能电池， 又称光伏器件， 是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。 它是太阳能光伏发电的基础和核心。2）太阳能电池的发展世界太阳能电池发展的主要节点1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为 6％1955 第一个光伏航标灯问世，美国 RCA发明 Ga As太阳能电池1958 太阳能电池首次装备于美国先锋 1 号卫星，转换效率为 8％。1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。1960 太阳能电池首次实现并网运行。1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到 18％。1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世1978 美国建成 100KW 光伏电站1980 单晶硅太阳能电池效率达到 20％多晶硅为 14.5％， Ga As为 22.5％1986 美国建成 6.5KW 光伏电站1990 德国提出“ 2000 光伏屋顶计划”1995 高效聚光 Ga As太阳能电池问世，效率达 32％。1997 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998 单晶硅太阳能电池效率达到 24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000 世界太阳能电池总产量达 287MW ，欧洲计划 2010 年生产 60 亿瓦光伏电池3）太阳能电池的应用家庭屋顶并网发电系统路灯发电站3 太阳能电池的工作原理1）太阳能电池的结构硅太阳能电池的基本结构如图所示，它的 核心结构是 N型硅 /P型硅构成的活性层 。通过特殊工艺向硅晶体中 掺入少量的三价硼就可以构成 P(positive)型硅 。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围 4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围 4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有 3个价电子，与周围 4个硅原子成键时缺少 1个电子，它需要从硅晶体中获取 1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴 (空穴带一个单位的正电荷 )。如果向硅晶体中掺入少量 五价磷或者砷就构成了 N(negative)型硅 ， 例如掺入磷。 掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的 4个硅原子形成共价键。因为磷原子有 5个价电子，成键后剩下 1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是， P型和 N型硅都是电中性的。2） PN 结形成过程当把 P型硅与 N型硅通过一定方式结合在一起时 ，发生如图所示的 P N结形成过程。在 N区 (N型硅一侧 ) 与 P区 ( P型硅一侧 ) 的 交界面附近 ， N区的自由电子较多空穴较少， P区则是空穴较多自由电子较少，这样在 P区和 N区之间出现空穴和自由电子的浓度差 。 浓度差导致空穴从 P区向 N区扩散，自由电子从 N区向 P区扩散，二者在界面附近复合 。 P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼， 因此形成 1个负电荷区。同理，在 N区界面附近出现 1个正电荷区 。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做 空间电荷区 。空间电荷区中的正、负电荷产生 1个由 N区指向 P区的内建电场。 在内建电场的作用下， 空穴和电子发生漂移， 方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从 P区漂移到 N区，空穴从 N区漂移到 P区 。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强， 但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。 无外界影响时， 空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。3）太阳能电池发电原理当具有一定能量的光子入射到 P N结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子 - 空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减， 因而沿着光照方向， 材料内部电子 - 空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子–空穴对向内部扩散。当电子 - 空穴对扩散到 P N结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别拉向 P区和 N区，电子 - 空穴对被分离。空穴在 P区积累，电子在 N区积累，结果产生一个与内建电场方向相反的光生电场，在 P区和 N区之间形成与 P N结电势反向的光生电势，这就是著名的光生伏特效应。电荷运动的势垒： p-n 结区内形成的内建电场。阻碍电子从 n区向 p区运动，空穴从 p区向 n区运动。光子入射： 造成跃迁产生空穴－电子对。光电池： 空穴、电子通过外电路复合，在电路中产生电流。半导体中可以利用各种势垒如 pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子 - 空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极， 正负电荷分别被上下电极收集。 由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。该效应使 P N结内部形成自 N区向 P区的光生电流，当 P N结与外电路接通，只要光照不停止，就会有电流源源不断地通过电路。3 单晶硅的生产应用1）太阳能电池材料2）无机太阳能电池的性能及应用单晶硅太阳能电池 ,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。3）国内太阳能电池用硅材料现状硅单晶产量 2004 年单晶硅产量（吨）单晶总产量 1700 太阳能单晶产量 1200 太阳能单晶生产能力 2000 近年来我国硅单晶产量名称 禁带宽度 (eV) 转换效率 应用实况单晶硅 1.12 24.4 用于空间及地面太阳电池多晶硅 1.12 18 与单晶硅占市场 70~80% 非晶硅 1.5~2.0 13 占市场 10~20%消费电子 ,能源复合型 17.3 已商业化CdTe 1.44 15 与 CdS 结合构成的太阳电池已商业化CuInSe2 1.04 17 探索大面积应用批量生产技术GaAs 1.42 37.4 已开始用于空间太阳电池InP 1.35 19.1 耐辐射性能优异 ,处于研究开发阶段0200400600800100012001400160018002000 2001 2002 2003 2004 20054）单晶硅太阳能电池的生产工艺太阳能电池片制作工艺流程图切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀 (钢丝 )切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。具体的制作工艺说明（ 1） 切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。（ 2） 清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去 30－ 50um。（ 3） 制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（ 4） 磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成 PN结，结深一般为 0.3 － 0.5um。（ 5） 周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。（ 6） 去除背面 PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面 PN＋结。（ 7） 制作上下电极： 用真空蒸镀、 化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。（ 8） 制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有 MgF2 ， SiO2 ， Al2O3 ， SiO ，Si3N4 ， TiO2 ， Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、 PECVD法或喷涂法等。（ 9） 烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。（ 10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。单晶硅棒切片太阳能电池组件封装工艺流程流程 ：1、 电池检测—— 2、正面焊接—检验— 3、背面串接—检验— 4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）—— 5、层压—— 6、去毛边（去边、清洗）—— 7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）—— 8、焊接接线盒—— 9、高压测试—— 10、组件测试—外观检验— 11、包装入库提高单晶硅太阳能电池效率的特殊技术：晶体硅太阳能电池的理论效率为 33％（ AM1.5 光谱条件下） 。太阳能电池的理论效率与入射光能转变成电流之前的各种可能损耗的因素有关。 其中， 有些因素由太阳能电池的基本物理决定的， 有些则与材料和工艺相关。 从提高太阳能电池效率的原理上讲，应从以下几方面着手：1、 减少太阳能电池薄膜光反射的损失2、 降低 PN结的正向电池（俗称太阳能电池暗电流）3、 PN 结的空间电荷区宽度减少，幷减少空间电荷区的复合中心。4、 提高硅晶体中少数载流子寿命， 即减少重金属杂质含量和其他可作为复合中心的杂质，晶体结构缺陷等。5、 当采取太阳能电池硅晶体各区厚度和其他结构参数。目前提高太阳能电池效率的主要措施如下， 而各项措施的采用往往引导出相应的新的工艺技术。（ 1） 选择长载流子寿命的高性能衬底硅晶体。（ 2） 太阳能电池芯片表面制造绒面或倒金字塔多坑表面结构。 电池芯片背面制作背面镜，以降低表面反射和构成良好的隔光机制。（ 3） 合理设计发射结结构，以收集尽可能多的光生载流子。（ 4） 采用高性能表面钝化膜，以降低表面复合速率。（ 5） 采用深结结构，并在金属接触处加强钝化。（ 6） 合理的电极接触设计以达到低串联电阻等。