太阳能光伏电池的制备.docx
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太阳能光伏电池的制备
摘要
自从19世纪产业革命以来，人类文明的进步与人类社会的工业化、近代化的变迁都与动力来源的一次能源的形态和变迁有这很大的关系。
在有关21世纪文明的宏伟构想，被称为最大课题的“3E”问题占据了重要地位。
因此清洁能源开发中的太阳光发电技术是我们的研方向。
本文详细的介绍了太阳能电池的原理及制备等方面。
关键词：
“3E”问题，清洁能源，太阳能电池
Abstract
Sincethe19thcenturysincetheindustrialrevolution,humancivilizationofhumansocietyandtheprogressofindustrializationandmodernizationandthechangeofpowersourcesforenergyformandchangehasthisgreatrelationship.
Inthe21stcenturycivilization,knownasthegrandideaof"maximumsubject3E"problemsoccupiedanimportantposition.Socleanenergydevelopmentinthesunpowergenerationtechnologyisourresearchdirection.
Thisaskdetailedintroducestheprincipleandpreparationofsolarcell,etc.
Keywords:
"3E"problem,cleanenergy,solarcells
目录
摘要·······························································
Abstract····························································
目录·······························································
第一章．引言·······················································
1.1“3E”问题························································
1.2太阳的质和量·····················································
1.3太阳能发电的特点·················································
1.4太阳电池原理·····················································
第二章．单晶硅太阳电池···············································
2.1单晶硅太阳电池的特点·············································
2.2单晶硅的加工工艺··················································
2.3单晶硅抛光片的物理性能参数·······································
2.4HIT太阳能电池片结构与特点········································
2.5超高效率太阳电池·················································
第三章.多晶硅太阳电池················································
3.1多晶硅太阳电池生产工艺·········································
第四章．非晶硅太阳电池··············································
4.1非晶硅电池板的特性···············································
第五章.第三代光伏电池技术···········································
5.1染料敏化电池····················································
5.2有机光伏电池···················································
5.3量子点电池······················································
致谢·······························································
参考文献···························································
第一章．引言
人们生活所必须的能源可以分为维持个儿女生命的生理能源和日常生活、社会活动及生产活动中使用的生活能源两部分。
关于能源的状况，除了煤炭外，化石能源在21世纪的中叶枯竭。
我们的当务之急是在化石能源枯竭之前找到可代替的清洁能源。
1.1“3E”问题
“3E”三重问题是在经济（economy）发展的过程中，伴随着能源（energy）的消费，以化石能源为主体的资源需求结构会照成对地球环境（environment）的破坏这以三重问题。
1.2太阳能的质和量
太阳常数1367
7w/m2
太阳的直径
太阳体积V太=1.4122*1018km3
太阳的质量m=1.989*1027t
空气质量AM通过大气层的空气量城称为空气质量。
1.3太阳能发电的特点
●没有运转部件，可以安静的生产清洁能源
●维护简单，如意实现自动化和无人化
●与规模大小无关，可按一定的效率发电
●由于是模块结构，易于产生规模化效益
●用扩散光也可以发电
●光发电是对废弃能源的有效利用
太阳光谱
太阳辐射经色散分光后按波长大小排列的图案。
太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围。
1.4太阳电池的原理
太阳电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。
在晶体中电子的数目与总是与核电荷数相一致，所以p型-硅和n型-硅对外部来说是电中性的。
如将p型-硅或n型-硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内（在µs范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
总而言之，在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入p-n结区附近才能产生电子-空穴对。
对于晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1.1µm的光线都可产生光伏效应。
对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的：
如图所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，最后造成在太阳电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。
如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。
只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。
晶体硅太阳电池原理示意图
第二章．单晶硅太阳电池
2.1单晶硅太阳电池的特点
单晶硅太阳电池的特点：
●转化效率高
●基本技术已成熟
●可靠性高
单晶硅太阳能电池制造工程由电池片工程和模版工程组成。
电池片工程由：
●从原材料制造单晶硅棒
●将单晶硅棒切断，加工成半圆片状
●形成PN结、加入电极，制成电池片
2.2单晶硅的加工工艺
单晶硅可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。
在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。
北京2008年奥运会将把“绿色奥运”做为重要展示面向全世界展现，单晶硅的利用在其中将是非常重要的一环。
现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能硅单晶的利用将是普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。
单晶硅产品包括φ3”----φ6”单晶硅圆形棒、片及方形棒、片，适合各种半导体、电子类产品的生产需要，其产品质量经过当前世界上最先进的检测仪器进行检验，达到世界先进水平。
相对多晶硅是在单籽晶为生长核，生长的而得的。
单晶硅原子以三维空间模式周期形成的长程有序的晶体。
多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。
多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片
加工工艺：
加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生长
（１）加料：
将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的Ｎ或Ｐ型而定。
杂质种类有硼，磷，锑，砷。
（２）熔化：
加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（１４２０℃）以上，将多晶硅原料熔化。
（３）缩颈生长：
当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。
由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。
缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（４－６ｍｍ）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。
（４）放肩生长：
长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
（５）等径生长：
长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负２ｍｍ之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。
单晶硅片取自于等径部分。
（６）尾部生长：
在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。
于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。
这一过程称之为尾部生长。
长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
2.3单晶硅抛光片的物理性能参数
厚度（T） 200-1200um
总厚度变化（TTV） ＜10um
弯曲度（BOW） ＜35um
翘曲度（WARP） ＜35um
单晶硅光片的表面质量：
正面要求无划道、无蚀坑、无雾、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。
背面要求无区域沾污、无崩边、无裂缝、无刀痕。
加工工艺知识，多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种,CZ（Czochralski）法 和FZ（Float-ZoneTechnique）法 。
目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。
其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。
CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。
而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。
CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。
另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法。
CZ法主要设备：
CZ生长炉 。
CZ法生长炉的组成元件可分成四部分
（1）炉体：
包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁
（2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：
包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件
（3）气氛压力控制：
包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀
（4）控制系统：
包括侦测感应器及电脑控制系统
2.4HIT太阳能电池片结构与特点
HIT太阳电池又称为异质结薄膜太阳电池，HIT太阳电池是由单晶硅和非晶硅（a-Si）进行叠层得到的新型太阳能电池。
HIT电池片的特点
●结构简单，但可以得到较高的转化效率
●随着温度的上升有特性下降的特点，但与以前的结晶系太阳电池相比，下降较少，因此，实际发电量较多
●形成a-Si过程的温度为200℃以下的低温，与以前的扩散型结晶系太阳能电池的结合温度900℃相比较低，可以节省资源
●为了实现表面和背面对称结构，减少热膨胀引起的缝隙，可以使用薄膜基片代替硅片，节省资源
2.5超高效率太阳电池
高效率太阳能电池的结构
●背接触电池PERL电池片特点与结构
PERL电池片的结构
特点：
●使用高品质的P型FZ单晶硅片
●为了提高电池表面的光封闭效率，形成了倒金字塔行的蚀刻表面
●为了提高减反射膜的效率，采用了2层结构
●表面和背面的硅表面形成了较薄的钝化膜，降低了表面载流子的复合
●在钝化膜表面开设了小孔，由于在此形成电极，所以可以减少电极部分金属和硅的接触面积。
●在背面的孔周围进行高度喷雾（P+），实现了低电阻化并减少了复合。
⏹OECO电池片和其结构特点
特点：
●通过对电池片表面进行机械加工，可以得到深度约为20μm的垂直的沟，机械加工后，为了消除损伤，进行了蚀刻，也有在进行纹理化的
●在电池片表面的N+层上，形成很薄的氧化膜，然后再在于气其上面的垂直的沟的侧面制备铝电极，为了钝化和防止反射，用PECVD法形成SiN膜
●因表面电极而引起的发电面积损失非常小、见反射膜性能好、电极和硅界面状态好，可以得到高的转化效率
PEVCD：
（MicrowaveRemotePlasmaEnhanceChemicalVapourDeposition）微波间接等离子增强化学气相沉积
PECVD的作用：
在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜-SiN膜。
其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用
OECO的结构
第三章多晶硅太阳电池
3.1多晶硅太阳电池生产工艺
冶金级硅（工业硅）是制造多晶硅的原料，它由石英砂（二氧化硅）在电弧炉中用碳还原而成。
尽管二氧化硅矿石在自然界中随处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。
一般来说，要求矿石中二氧化硅的含量应该在97～98%以上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。
冶金硅形成过程的化学反应式为：
SiO2+2C＝Si+2CO。
在用于制造多晶硅的冶金硅中，要求含有99%以上的Si，还含有铁、铝、钙、磷、硼等，它们的含量在百万分之几十到百万分之一千（摩尔分数）不等。
而EG硅中的杂质含量应该降到10-9（摩尔分数）的水平，SOG硅中的杂质含量应该降到10-6（摩尔分数）的水平。
要把冶金硅变成SOG硅或EG硅，显然不可能在保持固态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过分馏与吸附等方法对气体提纯，然后再把高纯的硅源气体通过化学气相沉积（CVD）的方法转化为多晶硅。
目前世界上生产制造多晶硅的工艺技术主要有：
改良西门子法、硅烷（SiH4）法、流化床法以及专门生产SOG硅的新工艺。
改良西门子法
1956年，英国标准电讯实验所成功研发出了硅烷（SiH4）热分解制备多晶硅的方法，即通常所说的硅烷法。
1959年，日本的石冢研究所也同样成功地开发出了该方法。
后来，美国联合碳化合物公司采用歧化法制备SiH4，并综合上述工艺且加以改进，便诞生了生产多晶硅的新硅烷法。
硅烷法以氟硅酸、钠、铝、氢气为主要原辅材料，通过SiCl4氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取SiH4，然后将SiH4气提纯后通过SiH4热分解生产纯度较高的棒状多晶硅。
硅烷法与改良西门子法接近，只是中间产品不同：
改良西门子法的中间产品是SiHCl3；而硅烷法的中间产品是SiH4。
硅烷法的具体生产工艺流程见图
硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、安全性低的缺点；另外整个过程的总转换效率为0.3，转换效率低；整个过程要反复加热和冷却，耗能高；SiH4分解时容易在气相成核，所以在反应室内生成硅的粉尘，损失达10%～20%，使硅烷法沉积速率（3～8μm/min）仅为西门子法的1/10。
日本小松公司曾采用过此技术，但由于发生过严重的爆炸事故，后来就没有继续推广。
目前，美国Asimi和SGS公司（现均属于挪威REC公司）采用该工艺生产纯度较高的多晶硅。
第四章．非晶硅太阳电池
4.1非晶硅电池板的特性
1、更低的成本
目前，主流的光伏组件产品仍以硅为主要原材料，仅以硅原材料的的消耗计算，生产1兆瓦晶体硅太阳电池，需要10-12吨高纯硅，但是如果消耗同样的硅材料用以生产薄膜非晶硅太阳电池可以产出超过200兆瓦。
从能源消耗的角度看，非晶硅太阳电池仅1-1.5年的能源回收期，更体现了其在制造过程中对节约能源的贡献。
组件成本在光伏系统中的占有很高的比例，组件价格直接影响系统造价，进而影响到光伏发电的成本。
按目前的组件售价计算，同样的资金，购买非晶硅产品，您可以多获得接近30%的组件功率。
2、更多的电力
对于同样功率的太阳电池阵列，非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池发电要多约10%。
这已经被美国的Uni-SolarSystemLLC、EnergyPhotovoltaicCorp.、日本的KanekaCorp.、荷兰能源研究所以及其他的光伏界组织和专家证实了。
在阳光充足的月份，也就是说在较高的环境温度下，非晶硅太阳电池组件能表现出更优异的发电性能。
3、更好的弱光响应
由于非晶硅材料原子排列无序的特点，它的电子跃迁不再遵守传统的“选择定则”限制，因此，它的光吸收特性与单晶硅材料存在着较大的差别。
非晶硅和单晶硅材料的吸收曲线如图所示
非晶硅的吸收曲线具有明显的三段（A、B、C）特征。
A区对应电子在定域态间的跃迁，如费米能及附近的隙态向带尾态的跃迁，该区的吸收系数较小，约1-10cm-1，为非本正吸收；B区的吸收系数随光子能量的增加指数上升，它对应于电子从价带边扩展态到导带定域态的跃迁，以及电子从价带尾定域态向导带边扩展态的跃迁，该区的能量范围通常只有半个电子伏特左右，但吸收系数通常跨越两三个数量级，达到104cm-1；C区对应于电子从价带内部到导带内部的跃迁，该区的吸收系数较大，通常在104cm-1以上。
后两个吸收区是非晶硅材料的本征吸收区。
从图中可以看到，两条曲线的交点约在1.8ev左右。
值得注意的是，在整个可见光范围内（1.7-3.0ev），非晶硅材料的吸收系数几乎都比单晶硅大一个数量级。
也就是说，在阳光不太强的上午前半部、下午后半部、以及多云等低光强、长波比重较大的情况下，非晶硅材料仍
有较大的吸收系数。
再考虑到非晶硅材料的带隙较大，反向饱和电流I0较小。
以及如前所述的非晶硅电池I-V特性曲线方面的特点，使得非晶硅太阳电池无论在理论上和实际使用中都对低光强有较好的适应。
非晶硅电池的I-V特性在超过Vm以后随电压下降缓慢为了比较方便，我们把两种电池的I-V特性画在同一张图上。
晶硅电池和非晶硅电池的I-V特性一般形状如图所示
从图中我们看到，两种电池在超过最大输出功率点后曲线变化差距较大。
晶硅电池的输出电流在超过最大输出功率点后会很快下降到零，曲线陡直；而非晶硅电池的输出电流经过一段较长的距离后才下降到零，曲线较为平缓。
两种电池的Vm分别大约相当于其开路电压的83%和74%。
当光强逐渐变小时，太阳电池的短路电流和开路电压都会随之强降低。
当然，短路电流减小得比较快，开路电压降低得比较慢。
在蓄电池做太阳电池阵列负载的情况下，当太阳电池阵列的有效输出电压小于蓄电池的端电压时，蓄电池就不能够被充电。
当光强逐渐变小时，晶硅电池先不满足充电条件，而非晶硅电池由于较大的电压差，到光线很暗时才不充电，有效的增加了利用太阳光的时间。
所以，非晶硅电池会比晶硅电池多产生一些电力。
4、更优异的高温性能
在户外较高的环境温度下，非晶硅太阳电池性能会发生变化，取决于当时的温度，光谱以及其他相关因素。
但可以肯定的是：
非晶硅较之单晶硅或多晶硅更不易受温度影响。
非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池具有相对小的温度系数非晶硅太阳电池最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.19%,而单晶硅、多晶硅电池最佳输出功率Pm的温度系数约为-0.5%,当电池的工作温度升高时，两种电池都会出现Pm下降的情况，但下降幅度是不同的。
它们都可以用下面公式进行计算。
Pmeffec.=Pm×[1+a（T-25℃）]
其中：
Pmeffec.--为电池组件在T温度工作时（AM1.5，1000瓦/平方米）的最大输出功率Pm--为电池组件在25℃，标准测试条件下（AM1.5，1000瓦/平方米）的最大输出功率a----为电池组件的功率温度系数举例来说，如果两种电池组件都在60℃的温度下工作，将它们的温度系数代入上式，则晶硅电池与非晶硅电池的最大功率衰退情况分别为：
晶硅电池：
Pmefeic./Pm=82.5%
非晶硅电池：
Pmefeic./Pm=93.35%
也就是说，如果两种电池的Pm都是1000瓦，它们都在60℃下工作，这时晶硅电池的Pm降到825瓦，非晶硅电池的Pm降到933.5瓦。
非晶硅电池多发电108.5瓦，相当于多发电13.2%。
第五章第三代光伏电池技术
第三代光伏电池尚处于发展阶段，目标是高转换效率，降低生产成本，多按照“多成膜——叠成半导体材料——量子阱材料——量子点材料”的路线发展。
包括：
热太阳电池、中间带电池、叠成太阳电池、热载流子太阳电池、多载流子太阳电池和多能带太阳电池。
5.1染料敏化学电池（Dye-SensitizedSolarCells,DSSC）
在太阳能电池的最初发展阶段，一般不使用带隙较宽的半导体，而是采用在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料。
对于宽带隙半导体，尽管本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体中，借助染料对可见光的吸收，也可以将太阳能转换为电能，这种电池就是染料敏化太阳电池。
染料敏化纳米晶太阳能电池的结构分为三个部分：
工作电极、电解质和对电极。
在透明导电基底上的制备一层多孔半导体薄膜，然后再将染料分子吸附在多多孔膜中，这样就构成了工作电极（光阳极）。
电解质可以是液态的，也可以是准固态或固态。
对电极（光阴极）一般是镀有一层铂的透明导电玻璃。
染料敏化电池的特点：
⑴寿命长，使用寿命可达15~20年；⑵结构简单，易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；⑶制备电池耗能较少，能源回收期短；⑷生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。
⑸生产过程中无毒无污染。
经过短短十几年的时间，染料敏化电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大的进步。
同时在高效率、稳定性、耐久性等方面还有很大的发展空间。
但真正使之走向产业化，服务与人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。
这一新型电池有着比硅电池更为广泛的用途：
如何用塑料
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