太阳能论文.docx

1、太阳能论文摘要 IIABSTRACT Ill1绪论 11.1课题研究背景 11.2太阳能的特点及优势 22太阳能电池原理及结构 42.1太阳能电池基本原理 42.2太阳能电池基本结构 62.3太阳能电池主要特性 72.3.1光谱响应特性 72.3.2温度特性 82.4影响太阳能电池转换效率的因素 82.5提高太阳能电池转换效率的各种技术 93太阳能电池的分类 133.1按材料分类 133.2按形态结构分类 164太阳能级硅材料的制备工艺 194高纯多晶硅制备的传统工艺 194.1.1改良西门子法 194.1.2硅烷法 194.2单晶硅生产工艺 204.2.1 切客劳斯基去(Czochralsk

2、i method) 20422悬浮区熔法 204.3太阳能级硅制备的化学法新工艺 215太阳能电池的生产工艺 226太阳能电池的应用 24谢辞 28参考文献 29摘要随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找洁净的替 代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可持续利用，因此有着 广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注。为了能使光伏产品得到普及， 进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。提高太阳能电池转换效率，降低成本， 关键是提高太阳能的利用率。本文在详细介绍太阳能电池工作原理、基本结构及主要特性 的基础上，研究了太阳能电池的加工工艺。

3、具体内容如下:分析了太阳能电池的转换效率及 影响因素，并研究了提高太阳能电池转换效率的主要技术，如减少反射损失技术、减少载 流子损失技术和减少光透射损失技术等。关键词：太阳能；太阳能电池；转换效率The Principle and Processing of Solar Cell Technology ResearchABSTRACTWith the increasing depletion of fossil energy, environmental protection awareness of the importance and the constant increase, look

4、 for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable clean energy, and sustainable use, it has broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more attention In order to make photovoltaic products have been popular, and further improv

5、e efficiency, reduce costs is 什le development trend of photovoltaic cells Improve solar cell conversion efficiency, reduce costs, the key is to improve the utilization of solar energy. This article describes in detail the working principle of solar cells, the basic structure and main features, based

6、 on studies of the solar cell processing technology Details are as follows: analysis of the solar cell conversion efficiency and the impact factors and research to improve solar cell conversion efficiency of the major technologies, such as technology to reduce reflection losses, reduce the loss of c

7、arrier technologies and reduce the loss of light transmission technology.Key words： solar energy; solar cells; conversion efficiency1绪论1.1课题研究背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展, 能源在社会发展中的至要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题, 更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统11-2005的统计数据, 以口前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则

8、分别可以供应 67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可 开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开釆总储量的结构为:原煤占 58.8%,原油占3.4%,天然气占1.3%,水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的 资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由 人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%,而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。 随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题的 日益严重，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成

9、为人类急切 需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发 电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践 表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公 认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决LI前世界能源紧张的问 题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国 际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世 界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。如图1 所示是世界能源发展趋势图

10、川，从图中我们可以看出，可再生能源的比重将逐渐上升，尤 其太阳能发电的应用将占到很大比重。LI前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济 发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可 再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可 再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表 的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度 均达到30%以上。西班牙2003年风力发电机占到全国发电机总量的4%,德国在过去11 年间，风力发电增长21倍，2003年占全国发电

11、量的3。瑞典和奥地利的生物质能源在 其能源消费结构中高达15%以上。地热为它耳弭叟昭涣 K太阳能热和用(Z)风駆吩代生物屈駆 水力发电天怎气廣q图1.1世界能源发展趋势联合国气候变化框架条约缔约国签订的京都议定书在2005年2月16日生效, 签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主要反映了人类应对地球变暖 这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工业国(发达国家)在2008-2012年期间将 二氧化碳等6种温室气体排放量从1990年的水平进行削减。全球削减温室气体排放的京 都议定书重新引起了世界范围内对可再生能源的重视。我国拥有丰富的新能源与可再生 能源可供开发利用，近十年来

12、的高速经济增长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源 的开发利用，以解决能源短缺问题，保障能源供应安全【2】。1.2太阳能的特点及优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒 钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在忖前的 儿种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。U前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能 光化学利用，太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范圉 得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国

13、家均投入巨 资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用刖。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能电 池单元是光电转化的最小单位，是太阳能发电系统的核心，其开发、生产直接影响到太阳 能发电的普及和发展。将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件， 其功率一般为儿瓦到儿白瓦，这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元， 可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性：（1） 取之不尽，用之不竭太阳内部山于氢核的聚变热核反应，从而

14、释放岀巨大的光和热，这就是太阳能的来源。 根据氢核聚变的反应理论汁算，如果太阳像口前这样，稳定地每秒钟向其周圉空间发射辐 射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就是说太阳能至 少还可像现在这样有60亿年可以稳定地被利用。（2） 就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡 造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开釆后长途运送，才能到达U的 地，给交通运输造成压力。（3） 分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于5.04xl06kJ/m2,就有实际利用价值，若每年辐射量大于 6.3xl06kJ/m2,则为利

15、用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然 太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的 一种能源。（4） 不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如SO2, CO2等，使人类 赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其它新能源中水电、核能、地热能等，在开发 利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来 污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。（5） 周而复始，可以再生在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可 再生能源。煤炭、石油和天然气等矿

16、物能源经过儿十亿年才形成，而且短期内无法恢复。 当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按 照这个消耗速度，在儿十亿年时间里所生成的矿物能源将在儿个世纪内就被消耗掉。2太阳能电池原理及结构2.1太阳能电池基本原理如图2所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N 区。耗尽层（宽度W）直延伸到P区，并在耗尽层形成一内建电场E（）。把连接N区的电极 做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以 提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时，由于N区（宽度匚）比较狭窄，能量大于禁带宽度耳的大部分光 子在耗尽层和P区

17、（宽度）被吸收，产生光生电子一空穴对（EHPs）o在耗尽层的光生EHPs 立即被内建电场所分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成 正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开路电压c。如果连接了负载，那么N 区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光 生EHPs,在N区积累大量电子，在P区积累大量空穴起了关键作用川叭因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区 域。则电子的平均扩散长度厶可由（2.1）表示，其中以为电子在P区的扩散系数。L 2。訐0 （2.1）离耗尽层的距离在Lc范围内的那些电子能扩散到

18、内建电场，并在内建电场的作用下漂 移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在Le范围内的的少数 载流子（电子）才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被E。扫到N区，增 加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于厶的光生 EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度厶要尽可能的长，乂由于在 半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子 的硅PN结。同样，在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于 扩散长度厶h的少数载流子（空穴）能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，

19、对光伏效 应起作用的EHPs的产生发生在这样一个区域：厶h+W十厶。如图2.2所示，在N区大量的 电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种山光生载流子的流动产生的电流叫光电流/pho 要注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压匕 具有 普通PN结的二极管特性，正向电流为Ai,因此通过电池的总电流：图2.1太阳能电池工作原理图2.2光电流产生区域山上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势，他们应该满足以下三个条 件：（1） 半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能 量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度压,使该入射光子能被半导体吸

20、收而激发出光生非 平衡的电子空穴对。（2） 图2.3为一些材料的吸收曲线。可以发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多，透入深度（血）只有左右，即儿乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成 薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片（约100-300“m） 才能充分吸收;对于短波长的光，只在入射表面附近区域内就己充分吸收了。（3）具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子，在P区积累了非平衡空穴，而在N区积累了非平衡电 子。产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，于是在P区和N区间建立了光生 电

21、动势（或称光生电压）。图23不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系2.2太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图2.4所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触 层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层 防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗 淡的原因I，H，5,o崔捋至夕咗电路下金佩接触6连接至外在电路图2.4太阳能电池结构图2.3太阳能电池主要特性太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性，如光谱特性、照度特性;半导体器件特性, 特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏

22、安（包 括开路电压、短路电流、填充因子）。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要 参数作简单介绍。231光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说，在阳光照射激发 作用下，太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波长有着直接的关系。光 谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时的短路电流人。；然后依次 改变单色光的波长，再重新测量电流。光谱响应曲线有时候称为量子效率（外量子效率）曲线, 也可以用收集效率（内量子效率）曲线来表示。二者并不一致，一般来说，量子效率（外量子 效率）是指入射多少光子数产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子

23、产生的电子一 空穴对或少数载流子的数U;而收集效率（内量子效率）是指吸收多少光子产生多少电子的比 率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率 是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电 子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都 是可以测量或计算的。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在 被吸收时产生电子一空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子 一空穴对（它们只是使材料变热）。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率（长波限）。 并且当禁带宽度增

24、加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8/m以 上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲 线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度（光电转换能力）。太阳能电池的光谱响应特性在很 大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光 膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而 变化。2.3.2温度特性太阳能电池的开路电压随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1C,电压下 降2-2.3mV;短路电流/sc。则随着温度的上升而微微地上升

25、;电池的输出功率P则随着温度的 上升而下降，每升高C,约损失0.35%0.45%。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散 系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此, 光生电流也随着温度的升高有所提高。但是/随温度的升高指数增大，而c随温度的升高 急剧下降。当温度升高时，八卩曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而 降低。效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池 效率，即使用聚光技术。效率乂随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温 度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结

26、温 过高使电池转换率下降其至损害电池，此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装 置。2.4影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池 在光电转换过程中，山于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN 结硅电池为例，下面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。（1） 光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失就是从空气（或真空）入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太 阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般

27、会涂上减反 射膜SiN。栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的口分 比。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合 适能被吸收的光子可能从电池背面穿岀。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直接带隙的厚。（2） 光生载流子的收集效率山于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流 子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。 我们把受激产生的电子一空穴对数与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数LI之比叫做 收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓

28、度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的 移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平 衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生 的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的悄况下，电荷将不会 被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就山过剩载流子的寿 命和PN结的位置来决定。（3）影响开路电压的实际因素决定开路电压大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散 长度越短，岭疋也就越低。体复合和表面复合都很重要。在PSi衬底中，影响非平衡少子 总复合率的三种复合机理是:复合中心

29、复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决 于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于10讥厂彳时，则 俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低。值。（4） 辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下 降，影响其使用寿命。（5） 电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。2.5提高太阳能电池转换效率的各种技术针对2.3.3节分析的影响太阳能电池转换效率的因素，研究总结了相应的儿种提高其转 换效率的方法，见表2.1。表2.1太阳能损失原因及防止技术损失原因防止技术表面光反射1釆用

30、减反射脱2表面进行凹凸处理3合理设计电极载流子再结合I加一层钝化膜层2控制杂质浓度3加背面场4合理设计电极光透対1任底电极上加一层金属反射层2进行凹凸处理串联电阻合理设计电极(1)减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术：1采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物(SiOx)与钦氧化物(TiOx)等。单 独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如山TiO2和MgF2所组成的 减反射膜或山SiN和SiO?所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或山SiN和SiO2 所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。2釆用凹凸

31、结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有 倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入 射路径示于图2.11。由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳 能电池中去，从而增加入射的太阳光量。釆用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5% 左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达30%左右。(2)减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法：1加一层钝化层；2控制杂质浓度；3在底层上加一个背面电场。加有钝化层、朵质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表 面的缺

32、陷结构钝化，从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一 背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部 即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结 或硼扩散的方法建立。U前高效率电池一般都具有背面电场。图2.5太阳能电池的结构以及减反射原理(3)减少光透射损失在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用 这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射 层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种 铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成 ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转