太阳能电池工艺项目实训报告.docx

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太阳能电池工艺项目实训报告

前言2

第一章项目背景3

1.1世界能源的总体情况3

1.2世界新能源的开发3

1.3太阳能开发的现实意义4

1.4太阳能开发的发展前景5

第二章太阳能电池7

2.1太阳能电池的分类7

2.2光伏发电的基本原理7

第三章染料敏化太阳能电池9

3.1染料敏化太阳能电池结构9

3.2染料敏化太阳能电池原理9

3.3实训材料、药品和设备10

3.4实训步骤10

3.5制备过程11

3.5.1制备AZO电极和Pt对电极11

3.5.2电极的制备12

3.5.3染料和电解质的制备13

3.5.4组装13

3.6测试结果14

第四章实训总结15

附录：

16

据预测，光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要地位，不但要替代

部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

目前世界光伏产业以31.2%的

年平均增长率高速发展，位于全球能源发电市场增长率的首位，预计到2040年

光伏发电将占据世界发电总量的20%^上,至V2050年光伏发电将成为全球重要的能源支柱产业。

太阳能是“取之不竭，用之不尽”的清洁、可再生能源，在很长一段时间内，太阳能由于受到科学技术的发展限制，没有得到很好的利用。

光伏技术最先应用于太空，为卫星提供电力。

目前，随着能源危机和矿物质燃料对环境的污染日益严重，太阳能已经逐渐被世界各国所重视，并采取各种科技手段加以利用，主要的利用方式有两种：

通过太阳能电池将太阳能转化为电能用于发电，即光伏发电，如太阳能照明、太阳能电站等；

通过集热器把太阳能转换为热能，如太阳能热水器、太阳灶等；

光伏产业在飞速发展的同时，光伏人才培养相对落后，造成了越来越多的光伏企业人力资源紧张。

太阳能发电，最重要的是太阳能电池，因此光伏电池制备工艺是光伏类专业是重要的核心技术。

本报告主要写明了电池的实际生产工艺，可以快速的掌握晶体硅电池制备的基本知识、原理、操作工艺流程和设备运行的总体情况。

电池生产工艺流程，采用任务驱动的方法，将晶体硅电池生产工艺流程（硅片的分选、制绒、制结、去周边、去PSG镀膜、印刷电极、烧结等）分成不同的项目进行设置。

第一章项目背景

1.1世界能源的总体情况

世界工业化进程迅速发展，地球上的不可再生能源越来越少，煤炭，石油等资源的利用导致严重的环境污染，为此我们需要寻求清洁可再生能源！

当今世界上主要由三大能源构成：

煤炭、石油、天然气。

随着现代化发展越来越快，地球上存储的能源已经越来越少，不能够满足现代社会对能源的需求量，节省能源和开辟发现新能源已经成为全球发展的重要课题。

而以上三种能源都是不可再生能源，储量急剧下降所以发展新能源迫在眉睫。

火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。

一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。

据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。

另一方面燃烧燃料将排出C02和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。

水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。

另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。

图1世界能澹需求墜化皓勢

图1-1世界能源需求变化趋势

图1-2全球能源与中国能源剩余量分布图

1.2世界新能源的开发

目前，全球各国已经开始对新能源开始重视，并且列为国家发展重要计划，全球又有那些系能源呢？

1.核电技术。

核能有核裂变能和核聚变能两种。

核裂变能是指重元素（如铀、钍）的原子核发生分裂反应时所释放的能量，通常叫原子能。

核聚变能是指轻元素（如氘、氚）的原子核发生聚合反应时所释放的能量。

核能产生的大量热能可以发电，也可以供热。

核能的最大优点是无大气污染，集中生产量大，可以替代煤炭、石油和天然气燃料。

①核裂变技术，从1954年世界上第一座原子能电站建成以后，全世界已有20多个国家建成400多个核电站，电量占全世界16％。

②核聚变技术，这是在极高温度下把两个以上轻原子核聚合，故叫热核反应。

由于聚变核燃料氘在海水中储量丰富，几乎人类可用之不尽。

可以说，世界人类永恒发展的能源保证是核聚变能。

核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。

前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。

这些都迫使人们去寻找新能源。

新能源要同时符合两个条件：

一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。

2.风能技术。

风能是一种机械能，风力发电是常用技术，目前世界上最大风力发电机为3200千瓦，风机直径97.5米，安装在美国夏威夷。

我国风力发电装机总共20万千瓦，最大风力发电机为120千瓦。

3.生物质能技术。

这是利用动植物有机废弃物（如木材、柴草、粪便等）的技术。

①热化学转换技术，把木材等废料通过气化炉加热转换成煤气，或者通过干馏将生物质变成煤气、焦油和木炭；②生物化学转换技术，主要把粪便等生物质通过沼气池厌气发酵生成沼气，沼气的主要成分是甲烷。

沼气技术在我国农生物质能技术。

这是利用动植物有机废弃物（如木材、柴草、粪便等）的技术。

①热化学转换技术，把木材等废料通过气化炉加热转换成煤气，或者通过干馏将生物质变成煤气、焦油和木炭；②生物化学转换技术，主要把粪便等生物质通过沼气池厌气发酵生成沼气，沼气的主要成分是甲烷。

4.氢能技术。

氢气热值高，燃烧产物是水，完全无污染。

而且制氢原料主要也是水，取之不尽，用之不竭。

所以氢能是前景广阔的清洁燃料。

5.地热能技术。

地热能有蒸汽和热水两种。

地热蒸汽有较高压力和温度，可直接通过蒸汽轮机发电；地热热水最好是梯级利用，先将高温地热水用于高温用途，再将用过的中温地热水用于中温用途，然后再将用过的低热水再利用，最后用于养鱼、游泳池等。

6.潮汐能技术。

潮汐发电技术是低水头水力发电技术，容量小，造价高。

我国海岸线长达14000公里，有丰富潮汐能。

据估算，全国可开发利用潮汐发电装机容量为2800万千瓦，年发电700亿千瓦时。

7.太阳能技术。

①太阳能热利用技术比较成熟，有太阳能热水器、太阳能锅炉烧蒸汽发电、太阳能制冷、太阳能聚焦高温加工、太阳灶等，在工业和民用中应用较多；②太阳能光电转换技术，通过太阳能光电池把光能转换成电能（直流电），主要是光电池制造技术，太阳能电池有单晶硅、多晶硅、非晶硅、硫化镉和砷化锌电池许多种。

这种发电技术利用最方便，但大功率发电成本太高。

③光化学转换技术，利用太阳能光化学电池把水电解分离产生氢气，氢气是很干净的燃料。

1.3太阳能开发的现实意义

虽然世界上已经开发了好多的新能源，但是在整个能源世界里面，太阳能作为最佳的新能源已经受到各个国家的严格重视。

太阳能发电是最理想的新能源：

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便

足以供全球人类一年能量的消费。

可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。

而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。

所以太阳能发电被誉为是理想的能源。

从太阳能获得电力，需通过大阳电池进行光电变换来实现。

它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：

①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；

③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。

不足之处是：

①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。

但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。

有鉴及此，太阳能的发展已经刻不容缓。

图1-3各类能源储量和生产现状

图1-4太阳能占世界能源总量比例

1.4

太阳能开发的发展前景

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。

这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用能源。

太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%每年发电量可达5.6X1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。

太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。

中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。

在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。

大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。

年日照时数大于2000小时。

与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。

这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。

中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。

作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。

太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。

第二章太阳能电池

2.1太阳能电池的分类

目前太阳能电池大致可分成：

硅基太阳能电池、化合物太阳能电池、有机物太阳能电池和染料敏化纳米薄膜太阳能电池。

硅基太阳能电池化合物太阳能电;也有机物太阳能电池

染料敏化太阳育邑距：

也

染料敏化太阳电池主要星模仿光台作用原理的一种薪型太阳电浊，基主罢优舞是:

廊材料丰冨.成本低、工艺技术榕对简単，在大面枳工业化生产中貝有较大的优热.同日寸所有原材料和生产工艺都屋无屋、无亏染的*部分材料可以彳导至u充分的回收1»只駆呆护人类环士覓具背車堇的意义*

图2-1太阳能电池分类

常见的多晶硅与单晶硅电池:

图2-2多晶硅太阳电池

图2-3单晶硅太阳电池

2.2光伏发电的基本原理

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。

不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，

所以,光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便

图2-4光伏并网系统原理示意图

理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源,大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。

目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。

国产

晶体硅电池效率在10济13流右，国外同类产品效率约12济14%由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。

图2-5光伏并网系统结构框图

第三章染料敏化太阳能电池

3.1染料敏化太阳能电池结构

染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成。

透明导电理

PL腔

电解囲誠

纳米二氧化钛雪孔屣

透明辱电膜

图3-1染料敏化太阳能电池结构

当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。

氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。

这样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流。

3.2染料敏化太阳能电池原理

图3-2染料敏化太阳能电池原理

1）染料（D）受光激发由基态跃迁到激发态（D*）:

D+h“-D

2）激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中:

D*-D++e-（CB）

3）I-离子还原氧化态染料可以使染料再生：

31-+2D+-I3-+D

4）导带中的电子与氧化态染料之间的复合：

D++e-（CB）—D

5）导带（CB）中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面（backcontact，用BC表示）后而流入到外电路中：

e-（CB）-e-（BC）

6）纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的13-离子复合：

13-+2e-（CB）

—3I

7）I3-离子扩散到对电极（CE）上得到电子再生：

I3-+2e-（CE）-3I-

1、器皿的清洗：

将滴瓶，滴管，烧杯，量筒，玻璃棒用丙酮和无水乙醇各清洗一遍（最好使用超声波清洗机清洗），然后放在无尘的柜中晾干备用。

用沾有丙酮的无尘布擦拭研钵、研杵。

2、N719染料制备：

将59mgN719染料，量取100ml无水乙醇，将N719染料溶解在乙醇中，在40C下用搅拌器搅拌12小时，得到5X10-4mol/L的染料溶液。

将制备好的溶液倒入棕色滴瓶中，密封避光保存。

3、稀释乙酸溶液的配置：

0.4ml浓缩乙酸（约1-2滴）混合到200ml去离子水中，置于滴瓶中密封避光保存。

4、乙基纤维素的配置：

将3g乙基纤维素溶解在30g无水乙醇中，搅拌30min（一边搅拌一边缓慢加入乙基纤维素粉末），置于滴瓶中密封保存。

5、电解质的配置：

将0.5M的LiI和0.05M的丨2混合，并将混合物溶解在10ml3-甲氧基丙腈，形成含有三价碘离子的碘化锂电解溶液。

&制备P25二氧化钛纳米晶粒表面包裹乙酸分子的胶质体：

使用分析天平秤取6g二氧化钛粉末，将6gP25二氧化钛粉末置于定性滤纸上以微温加热烘干10min以除去去多余湿气，再用研钵和研杵将可能因贮存而产生团聚现象的TiO2

粉末均匀的研磨开来。

然后加入4-5滴经稀释过的乙酸溶剂，研磨5min,再加入数滴乙酸溶液和3g松油醇，再继续研磨，直至混合物形成质感滑顺的胶质态浮物，最后逐滴加入乙基纤维素溶液，不断的研磨，挥发多余的乙醇，直至获得粘稠状的胶质混合物。

7、检测AZO玻璃基板划片和表面清洗：

用玻璃刀划取4x5cm的基板，先用去离子水冲洗基板2min，然后分别用无水乙醇、丙酮超声波清洗10min。

再用无尘布擦拭干备用。

8、将玻璃基板置于桌面，使用电表判断导电面，使可导电的面朝上，并将

厚度约为20um的3M胶带粘附于玻璃基板的三侧边约1cm宽度，再另外用较宽的胶带将基板固定于实验桌面上，以利于下一实验步骤的进行。

取胶质材料，将其沾附于导电基板上（有条件的话可先滴1-2滴TiO2溶液，有助于导电玻璃吸附胶质），然后使用直径均匀的玻璃棒将胶质均匀地涂抹于玻璃基板上。

基板三侧边所粘贴的胶带的功能是用以提供约20um厚度的衬垫用，当用玻璃棒碾平TiO2胶质时，可以借以控制TiO2的涂抹厚度。

9、涂抹完成后晾干，用微型镊子小心地除去玻璃基板上的胶带，小心不要刮伤所涂抹的TiO2胶质层，也尽量避免在胶质层完全干燥时才撕去胶带。

10、将涂抹了TiO2胶质层的玻璃基板置于在化学抽风烟柜中的平板式加热

器的加热平板上，加热10-20分钟。

在烘干过程中，胶质内的有机溶剂乙酸和介面活性剂乙基纤维素会逐渐被烘干，TiO2胶质的颜色会逐渐转变为棕色。

持续加热，最后当乙酸和介面活性剂被完全驱离TiO2粒子的表面，而形成具有膨松多空的白色TiO2层膜，玻璃基板上颜色较深时可停止加热，然后让玻璃基板慢慢地冷却到室温。

或者可以直接放置在高温炉中，使用450C的温度烘烤且升温速

率不得太快，玻璃基板和TiO2胶质层的受热会较均匀，进行烧结出来，加热约30分钟，最后所获得的太阳电池的效率有可能会较佳。

11、将烘烤过的TiO2电极放置到染料溶剂中，浸泡2小时。

当具有多孔性的TiO2层逐渐吸收染料，则会使TiO2产生颜色变化，并使染料分子与TiO2分子中的Ti4+离子结合。

12、用去离子水缓缓冲洗浸渍过染料的TiO2电极，接着再用乙醇溶剂冲洗，将附着于胶质层内的纳米级空洞中不易自行挥发的水分子清除干净，并将其烘

干。

13、另取一片镀铂导电玻璃基板（Pt对电极），先用无水乙醇和丙酮超声波清洗10min,然后吸附染料的TiO2胶质膜玻璃基板面与镀铂导电玻璃基板面彼此面对面错开一小段距离地堆叠在一起，用小钢夹夹紧两片玻璃基板，形成如三明治的组装。

组装时，需使两玻璃面未涂抹任何膜的侧边分别作为三明治结构的左右两侧边，使其不属于三明治结构的一部分，作为电极外接的端点。

14、注入电解液：

用滴管将数滴配制所得的电解液从三明治组叠结构边缘两片玻璃基板的空隙中滴入。

电解液会以毛细管的渗透作用方式，将电解液均匀的分布至两基板内。

这样简易的染料敏化太阳电池就制作完成了。

15、测试：

在AM1.5测试标准（光强1000W/m2温度25±1C）下，分别测出染料敏化太阳电池的开路电压和短路电流，并记录好数据。

通过改变光强，测出相应的开路电压和开路电流，计算出电池的转换效率。

3.5制备过程

3.5.1制备AZO电极和Pt对电极

1、磁控溅射原理基片和靶材之间加上电场，真空下充入一定的氩气，在电场作用下，氩气电离成Ar离子，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。

被溅射出来的靶粒子飞向基片，并在基片表面成膜。

为了增加氩气的电离和薄膜的沉积速率，在垂直于电场方向加上磁场，这就是所谓的磁控溅射。

图3-3磁控溅射原理

2、AZC薄膜制备

基片：

白玻璃

靶材：

氧化锌-铝合金靶材

工艺条件：

通入一定量的氩气和氧,基片加热至300C左右

（蓝色线表示白光玻璃的透射率，其余各色线表示不同批次样品的透射率）

3、Pt对电极制备

的还原反应具有高的催化性能，从而使对电极/电解液界面上的电荷迁移快速高效进行。

3.5.2电极的制备

1、TiO2凝胶溶胶体的制备

采用P25的纳米TiO2粉末，加入经配置好的乙酸和乙基纤维素溶液，进行研磨至凝胶溶胶体。

图3-7凝胶溶胶体的制备

2、胶体的涂覆

采用厚度约为20um的3M胶带粘附于清洗后的AZO透明导电玻璃的四侧边，将浆料均匀的涂抹在导电玻璃上，涂抹后撕去胶带。

3、烘烤和烧结

将涂抹后的导电玻璃在60-80C下烘干，然后将其置于烧结炉中，在450C左右烘烤1h，冷却后取出以备用。

3.5.3染料和电解质的制备

1、染料的制备

将59mg的N719染料溶解在100ml的无水乙醇中，搅拌12h，并装入棕色滴瓶避光密封保存，以备用。

2、电解质的制备

将1M离子液、0.1M碘化锂、0.12M碘、0.5M4-叔丁基吡啶和10ml3-甲基丙腈混合配制得电解质，装入棕色滴瓶避光密封保存，以备用。

图3-8制备电解液

3.5.4组装

1、将烧结后的TiO2光电极放置在染料中浸泡2小时，接着先后用去离子水和无水乙醇冲洗光电极，最后将其烘干。

2、将清洗后Pt对电极导电面和TiO2光电极涂覆胶体面，面对面错开一小段距离堆叠在一起，用小钢夹夹紧两片玻璃基片，形成如三明治的组装。

3、用滴管将数滴配制所得的电解液从三明治组叠结构边缘两片玻璃基板的空隙中滴入。

4、封装

图3-9玻璃基片

3.6测试结果

测试条件：

AM1.5测试标准（光强1000W/m2温度25±仁C）

短路电流

14~16mA/cm2

开路电压

0.65~0.75V

光电转换效率

5%~7%

填充因子

0.65左右

第四章实训总结

本次实训主要研究了染料敏化太阳能电池，对于这次实训，我学到了许多的知识。

首先，让我了解了太阳能电池的制作方法，为我以后从事光伏行业奠定了重要的基础。

微电子行业的专业基础性非常强，必须有扎实的基本功才能更快的适应环境。

另外这一次动手实践做太阳能电池着实不易，实验室的器材也很昂贵，必须小心翼翼，做实验时一定要做到谨慎细心。

这一次的实验，我主要的收获有以下几点：

掌握了溅射镀膜机、烧结炉等设备的使用及其工艺，把以前学过的课程知识运用于实践，做到了学以致用，提高了学习的积极性。

开发出染料敏化氧化钛太阳能电池的制备工艺，并成功制作出高透过率，低电阻率的AZC透明导电玻璃，以及转换效率较高的染料敏化太阳能电池。

培养了自身的收集、分析资料的能力，提高了自己的自学能力和创新能力；培养了团队协作精神，熟悉了项目的一般开发流程，为以后的就业和创业提供了很好的实践机会。

熟悉了染料敏化太阳能电池的工作原理，了解光伏新能源的发展状况，扩展了自己的知识面；

本实训创新性的把光伏太阳能技术与纳米技术相结合，采用无毒、无污染、价格便宜的纳米TiC2材料和工艺技术相对简单溶胶凝胶法制备工艺制备光伏太阳能电池，具有在大面积工业化生产和环境和谐性等方面优势，对保护人类环境具有重要的意义。

这一次的实训也有不少发现的问题，主要是关于提高太阳能使用效率的问题。

由于地球的转动，光不可能完全照射太阳能电池板，所以增加光的入射：

采用绒面的玻璃、在玻璃上镀增透薄膜；提高光电极的转换效率：

减小氧化钛粒子尺寸，增加表面积，或对氧化钛薄膜表面修饰和掺杂；寻找新的原理，新材料和新技术。

由于太阳能的低碳环保，太阳能发电系统建造成本每瓦国家补助20元，同时发电入网每度电补助5元左右。

这本身就满足投资者所有费用的支出并且有盈余，而且国家连续补助25年。

除了维护费用之外，其余都为盈利。

这是我国政府下决心保护环境的重要举措。

显然该计划是充分调动一切民间力量，利用新能源加速我国经济的发展。

这是对保护日益恶化的自然环境作出的有益贡献。

未来我国的太阳能行业必将展现出欣欣向荣的新局面。

附录：

2011.

1.黄建华等.光伏电池制备工艺[M].北京：

化学工业出版社，2012.

2.赵书安.太阳能光伏发电及应用技术[M].南京：

东南大学出版社，

3.顾晓清.半导体器件物理[M].北京：

机械工业出版社，2011.

4.林明祥.集成电路制造工艺[M].机械工业出版社，2012.

5.