第一節(jié) 單晶硅太陽能電池及材料工藝與技術

單晶硅太陽電池是開發(fā)得最早、最快的一種太陽電池，其結構和生產工藝已定型，產品已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求為了降低生產成本，現(xiàn)在地面應用的太陽電池等采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬！ 有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過復拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。

一、單晶硅材料

硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中，它的制備主要是在電弧爐中用碳還原石英砂而成。該過程能量消耗很高，約為14kWh/kg典型的半導體級硅的制備過程：粉碎的冶金級硅在硫化床反應器中與HCL氣體混合并反應生成三氯氫硅和氫氣。由于SiHCL3在30度以下是液體，因此很容易與氫氣分離。接著，通過精餾使SiHCL3與其它氯化物分離，經過精餾的SiHCL3，其雜質水平可低于10-12（質量分數）的電子級硅要求。提純后的SiHCL3通過CVD原理制備出多晶硅錠。

二、加工工藝

將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3mm硅片經過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在硅片上形成P-N結。然后采用絲網印刷法，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射膜，以防大量的光能被光滑的硅片表面反射掉。至此，單晶硅太陽電池的單體片就制成了！ 單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構成一定的輸出電壓和電流。用戶通過系統(tǒng)設計，可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣，亦稱太陽電池陣列。

單晶硅太陽電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。其典型代表是斯坦福大學的背面點觸電池（POC），新威爾士大學的鈍化發(fā)射區(qū)電池（PESC，PERC，PERL）及德國Fraumhofer太陽能 研究 所的局域化背表面場電池（LBSF），還有埋柵電池（BCSC）等。

第二節(jié) 多晶硅太陽能電池及材料工藝與技術

單晶硅太陽電池的生產需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽電池生產總成本中已超1/2加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。作為單晶硅電池的替代產品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽電池，其中包括非晶硅薄膜太陽電池、硒銦銅和碲化鎘薄膜電池、多晶硅薄膜太陽電池。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅量遠較單晶硅少，又無效率衰減問題，并有可能在廉價底材上制備，其成本預期要遠低于單晶硅電池，實驗室效率已達18%，遠高于非晶硅薄膜電池的效率。因此，多晶硅薄膜電池被認為是最有可能替代單晶硅電池和非晶硅薄膜電池的下一代太陽電池！

澆鑄多晶硅技術是降低成本的重要途徑之一，該技術省去了昂貴的單晶拉制過程，也能用較低純度的硅作投爐料，材料及電能消耗方面都較省。

1、鑄錠工藝：

鑄錠工藝主要有定向凝固法和澆鑄法2種。定向凝固法是將硅料放在坩堝中加以熔融，然后將坩堝從熱場中逐漸下降或從坩堝底部通上冷源以造成一定的溫度梯度，使固液界面從坩堝底部向上移動而形成晶錠！

澆鑄法的工藝過程是選擇電阻率為100-300Ω·cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當的腐蝕，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加入適量硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)下加熱熔化！

熔化后應保溫約20min，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材制利用率和方便組裝。

鑄錠法中需要解決的主要問題是：

硅容器的材質。因為硅熔體冷凝時會牢固地粘附在坩堝的內壁，若兩者的膨脹系數不同，硅固化時體積增加9%，會使硅錠產生裂紋或破碎。晶體結構。用調整熱場等方法控制晶體結構，以生長出大小適當（數毫米）的具有單向性的晶粒，并盡量減少晶體中的缺陷，這樣才有可能制成效率較高的電池。

2、硅片加工技術：

常規(guī)的硅片切割采用內圓切片機，其刀損為0.3-0.35mm，使晶體硅切割損失較大，且大硅片不易切得很??！ 近幾年用多線切割機，切損只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的損傷小。

制備多晶硅薄膜的工藝方法主要有以下幾種：化學氣相沉積法（CVD法）、等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD法）、液相外延法（LPE）和等離子體濺射沉積法（PSM）。

化學氣相沉積法就是將襯底加熱到適當的溫度，然后通以反應氣體（如Si2Cl2，SiHCl3，等），在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并在襯底表面沉積3-5μm厚的硅薄膜。這些反應的溫度通常較高，在800-1200度之間。等離子增強化學氣相沉積法是利用PECVD技術在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法。硅粉在高溫等離子體中加以熔化，熔化的粒子沉積在襯底上。等離子體由Ar和少量的H構成，沉積多晶薄膜厚度200-1000μm。該薄膜是一種P-I-N結構，主要特點是在P層和N層之間有一層較厚的多晶硅的本征層（I層）。其制備溫度很低（100-200度），晶粒很?。?-10M量級），但已屬于多晶硅薄膜，幾乎沒有效率衰減問題。但是，該方法也存在生長速度太慢以及薄膜極易受損等問題，有待今后 研究 改進。液相外延法就是通過將硅熔融在母液里，降低溫度使硅析出成膜的一種方法。LPE可在平面和非平面襯底上生長，可獲得結構完美的材料。

除了上述制備薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制備太陽電池器件方面人們也采取了一系列工藝步驟，以提高效率。這些工藝步驟包括：襯底的制備和選擇；隔離層的制備；籽晶層或匹配層的制備；晶粒的增大；沉積多晶硅薄膜；制備P-N結；光學限制：上下表面結構化，上下表面減反射；電學限制：制備背場（BSF）和前后電極的歐姆接觸；制備電極；鈍化：晶粒間界的鈍化和表面鈍化。
幾乎所有制備單晶硅高效電池的實驗室技術均已用在制備多晶硅薄膜太陽電池的工藝上，甚至還包括一些制備集成電路的方法和工藝。日本三菱公司制成效率高達16.42%的多晶硅電池，北京太陽能 研究 所也成功地制成了效率為12.1%的多晶硅電池。

第三節(jié) 多晶硅和微晶硅薄膜太陽能電池及材料工藝與技術

為了獲得高效率高穩(wěn)定性的太陽電池，近年來又出現(xiàn)了微晶硅多晶硅薄膜電池。實驗證明用μC-Si和poly-Si薄膜代替a-Si作電池的有源層制備的電池在長期光照下沒有任何衰退現(xiàn)象。因此發(fā)展晶化的硅基薄膜太陽電池是實現(xiàn)高穩(wěn)定高效低成本最有前途的方法之一，已成為國際同行 研究 的熱點。由于本征μC-Si和poly-Si具有更窄的光學帶隙1.12eV。而且比a-SiGe材料具有更好的穩(wěn)定性因此用iμC-Si和 poly-Si代替a-SiGe做硅基薄膜疊層電池的底電池成為人們關注的 研究 課題。1995年哈爾濱克羅拉太陽能電力公司制備出疊層非晶硅太陽電池，經50小時光照輸出功率趨于穩(wěn)定輸出功率平均下降14.4%得到了穩(wěn)定效率達4.69%的大面積集成型疊層非晶硅太陽電池。

第四節(jié) 非晶硅薄膜太陽能電池及材料工藝與技術

開發(fā)太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，早在70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，世界上己有許多家公司在生產該種電池產品。

非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S-W效應，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。

疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩(wěn)定性的關鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；②頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減?。虎墀B層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經過不同的電池工藝過程可分別制得單結電池和疊層太陽能電池。非晶硅太陽能電池的 研究 取得兩大進展：第一、三疊層結構非晶硅太陽能電池轉換效率達到13%，創(chuàng)下新的記錄；第二、三疊層太陽能電池年生產能力達5MW。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結太陽能電池最高轉換效率為9.3%，三帶隙三疊層電池最高轉換效率為13%.

上述最高轉換效率是在小面積（0.25cm2）電池上取得的。曾有文獻報道單結非晶硅太陽能電池轉換效率超過12.5%，日本中央 研究 院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉換效率為13.2%。國內關于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的 研究 并不多，南開大學的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉換效率為8.28%的a-Si/a-Si疊層太陽能電池。

非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產品之一。

第五節(jié) 納米管太陽能電池

基于納米管的太陽能電池加快開發(fā)：單壁碳納米管（SWNT）因其具有獨特的化學和物理性質而引起人們的極大注意。據美國Natre Dame大學輻射實驗室的Guldi D.M.的 研究 ，單壁碳納米管（SWNT）的重要性在于可開發(fā)利用其電子授體集合體的官能度和功能性， 研究 發(fā)現(xiàn)，添加不同的原子基團，可使納米管達到功能化目標，可望用于生產寬范圍的電子組件-太陽能電池。Guldi及其同事-意大利Bologna大學Baolucci F.和意大利Trieste大學Parto M. 將二茂絡鐵附著在單壁碳納米管（SWNT）的壁上，這種加環(huán)反應涉及二茂絡鐵分子中的原子與納米管兩個碳原子之間的環(huán)閉合，約每一百個納米管附著一個單元的二茂絡鐵。二茂絡鐵為二層五元碳環(huán)之間插入鐵原子的集合體，這些原子可作為電子授體。如果將這種碳納米管用見光照射，它們可用作由二茂絡鐵釋放的電子的授體。 研究 人員已首次推出開發(fā)基于改進的碳納米管燃料電池的判據。

碳納米管二茂絡鐵組合物用作太陽能電池：美國Notre Dame大學的 研究 課題組開發(fā)了碳納米管-二茂絡鐵組合物，可用作太陽能電池。該組合物材料用光照射，二茂絡鐵可作為碳納米管的電子授體，產出電流。

第六節(jié) 制備高效空間方面

InN及InGaN（富In）半導體是當今半導體領域 研究 熱點，由于該材料體系很難生長，一直來對于其基本的物理性質如缺少認識。最近的 研究 表明該InGaN材料體系能帶從0.7到3.4eV連續(xù)可調，為全太陽光譜光伏材料體系，理論 研究 表明由該材料制備的太陽能電池效率高于50%（高于目前所有的太陽能電池材料），并且有很高的抗輻射能力，適合在空間應用。該課題將利用MBE技術制備高質量的InN及InGaN薄膜，揭示其基本物性，為制備高效率的太陽能電池提供基礎。

第七節(jié) 新材料提高太陽能利用率

新材料太陽能電池有色素增感電池和銅、銦、鉀、硒等化合物（CIGS）的新型薄膜非硅類電池等。色素增感型太陽能電池的半導體原材料使用了氧化鈦。氧化鈦的特點是光吸收能力差，所以就用色素來彌補這一缺點。制造方法也比較簡單，在附帶電極的底板上依次上氧化鈦和色素，再在上面粘貼帶電極的底板，最后在2枚底板間注入電解液即可。代表廠商是東芝和日立萬勝，該工藝的制造成本只有結晶硅的1/4左右，甚至更少，如果在底板中使用塑料，電池面板還可以彎曲。目前需要解決的是面板的耐久性以及轉換效率繼續(xù)提高等問題，色素增感型電池的實驗室內轉換效率能達到9.3%，使用壽命在8年左右，這兩項指標比結晶硅太陽能電池都遠遠不如，如果把這些因素和成本綜合在一起 分析 的化，那么色素增感型電池的成本/效益（投入/產出）比并不比硅類太陽能電池強多少，而且產品性能和穩(wěn)定性還要差。但該電池的研發(fā)進度還是很快的，如果解決好上述問題的話，完全有可能占領部分硅系太陽能電池市場，另外，此電池因為采取塑料襯底可以彎曲，因而可以擁有該部分獨特市場，這是一個值得考慮的發(fā)展方向。

CIGS新型薄膜非硅類電池的代表廠商主要有本田。CIGS類材料具有如下特點，即理論發(fā)電效率比硅類太陽能電池高出25%～30%、材料成本低、而且不存在非晶硅太陽能電池那樣的性能惡化問題。但由于采用4種材料，很難在大面積內形成結構均勻的薄膜，而且膜材料以Cd類為主，存在毒性問題，因此一直未能用于實際。本田在這方面取得的突破是：開發(fā)出了能夠在大面積中形成均勻的CIGS膜的成膜技術以及發(fā)現(xiàn)了即使不使用Cd也能實現(xiàn)高效率的緩沖層材料。據說發(fā)電成本已經降到了商業(yè)用電的成本以下，但由于轉換率較低，要想獲得相同的電力，必須有較大的面積，這在很大程度上抵消了低能耗和低成本帶來的優(yōu)勢。

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