光電池的制備與應(yīng)用畢業(yè)論文

1、<p><b>　　電信學(xué)院</b></p><p>　　光電池的制備方法與應(yīng)用</p><p>　　系 部：電子信息工程系</p><p>　　專 業(yè)：光電子技術(shù)</p><p>　　班 級(jí)：光電09303</p><p><b>　　設(shè) 計(jì) 者：彭超<

2、;/b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：宋露露</b></p><p>　　日期：2012年3月</p><p>　　光電池的制備方法與應(yīng)用</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　光電池又名太陽能電池。</p><p

3、>　　太陽能（光能）是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。</p><p>　　本論文的書寫旨在掌握當(dāng)前光電池的種類以及主流電池的制備方法、光伏發(fā)電的背景、光伏發(fā)電的原理，在此基礎(chǔ)之上了解相關(guān)的光電池的社會(huì)應(yīng)用。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)確定了如

4、下的基本思路：</p><p><b>　　硅光電池特性研究；</b></p><p>　　光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的背景；</p><p><b>　　光伏發(fā)電的原理；</b></p><p><b>　　光電池的制備方法；</b></p><p><b&g

5、t;　　光電池的社會(huì)應(yīng)用；</b></p><p>　　由于本人水平有限，加之時(shí)間緊迫，不妥之處、疏漏的地方是難免的，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正，謝謝。</p><p>　　關(guān)鍵詞：硅光電池；光伏發(fā)電；太陽能電池</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 光電池的基礎(chǔ)1</p>

6、<p>　　1.1 光電池發(fā)展歷史1</p><p>　　1.2 半導(dǎo)體材料與理論2</p><p>　　1.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能3</p><p>　　2 硅光電池特性研究4</p><p>　　2.1 硅光電池的基本原理4</p><p>　　2.2 硅光電池的主要特性5</

7、p><p>　　2.2.1 硅光電池的主要參數(shù)和照度特性5</p><p>　　2.2.2 硅光電池的負(fù)載特性5</p><p>　　2.2.3 硅光電池的光譜特性6</p><p>　　2.2.4 硅光電池的溫度特性6</p><p>　　2.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)7</p><p>

8、;　　2.3.1 測(cè)量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性7</p><p>　　2.3.2 測(cè)量硅光電池的負(fù)載特性9</p><p>　　3 光電池的制造11</p><p>　　3.1 表面絨面化11</p><p>　　3.1.1 絨面受光面積11</p><p>　　3.1.2 絨面反射率12</p>

9、;<p>　　3.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散12</p><p>　　3.3 SiN鈍化與APCVD淀積TiO212</p><p>　　3.4 PECVD淀積SiN13</p><p>　　3.5 共燒形成金屬接觸13</p><p>　　3.6 電池片測(cè)試14</p><p>　　3.6.1 光電池的測(cè)

10、試原理14</p><p>　　4 光電池的應(yīng)用16</p><p>　　4.1 光電池的運(yùn)用范圍16</p><p>　　4.2 光電池的種類17</p><p>　　4.2.1 硅光電池17</p><p>　　4.2.2 多元化合物薄膜光電池17</p><p>　　4.2.3

11、 聚合物多層修飾電極型光電池18</p><p>　　4.2.4 納米晶光電池18</p><p>　　4.2.5 有機(jī)光電池18</p><p>　　4.3 光電池家庭化的應(yīng)用18</p><p>　　4.4光電池的市場(chǎng)與應(yīng)用19</p><p>　　4.5 我國光電池的發(fā)展?fàn)顩r與新進(jìn)展20</p&

12、gt;<p><b>　　總結(jié)22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　1 光電池的基礎(chǔ)</b></p><p>　　1.1 光電池發(fā)展歷史

13、</p><p>　　從1839 法國科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏現(xiàn)象）算起，光電池已經(jīng)經(jīng)過了160 多年漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史。</p><p>　　從總的發(fā)展來看，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用。對(duì)光電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家關(guān)于單晶硅光電池的研制成功，在光電池發(fā)展史上起到了里程碑的作用。</p><p

14、>　　至今為止，光電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒有改變，光電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)， 如非晶硅光電池、CIS光電池、CdTe光電池和納米敏化光電池等，此外主要的是生 產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅光電池生產(chǎn)工藝的成功開發(fā)，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等。</p><p>　　具體的發(fā)展時(shí)段如下：</p><p>　　-1839 法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家

15、 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng),簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)；</p><p>　　-1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽電池；</p><p>　　-1883 美國發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽電池的原理；</p><p>　　-1904 Hallwachs 發(fā)現(xiàn)銅與氧化

16、亞銅 (Cu/Cu2O) 結(jié)合在一起具有光敏特性；</p><p>　　-1918 波蘭科學(xué)家 Czochralski 發(fā)展生長(zhǎng)單晶硅的提拉法工藝；</p><p>　　-1921德國物理學(xué)家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎(jiǎng)； </p><p>　　-1930 B. Lang 研究氧化亞銅/銅 (Cu/Cu2O) 太陽電池

17、，發(fā)表“新型光伏電池”論文；</p><p>　　-1932 Audobert 和 Stora 發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)象；</p><p>　　-1953 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich 博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各 類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算；</p><p>　　-1954 RCA 實(shí)驗(yàn)室的 P.Rappaport

18、等報(bào)道硫化鎘(CdS) 的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國無線電公司)；</p><p>　　-1957 Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)；</p><p>　　-1959 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效

19、率達(dá)到 10%， 并通過用網(wǎng)柵電極來顯著 減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6 號(hào)發(fā)射，共用 9600 片電池列陣，每片 2 平方厘米,共約 20W；</p><p>　　-1972 法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電；</p><p>　　-1997 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 125.8 MW；</p><p>　　-2001 世界太陽

20、電池年產(chǎn)量超過 399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等報(bào)道碲化鎘 （CdTe）電池效率達(dá)到 16.4%；單晶硅太陽電池售價(jià)約為 3 USD/W；</p><p>　　-2003 太陽電池年產(chǎn)量超過 760 MW；</p><p>　　-2004 太陽電池年產(chǎn)量超過 1200 MW； 德國 Fraunhofer ISE 多晶硅太陽電池效率達(dá)20.3%; 非

21、晶硅電池占市場(chǎng)份額 4.4%,降為 1999 年的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%；</p><p>　　-2010 通過技術(shù)突破，太陽電池成本進(jìn)一步降低，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德國可再生能源發(fā)電達(dá)到 12.5%；</p><p>　　1.2 半導(dǎo)體材料與理論 </p><p>　　光電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換

22、功能的半導(dǎo)體器件。至今為止，與集成電路一樣，占絕對(duì)主導(dǎo)市場(chǎng)的光電池也是以硅材料為主的。為了全面、系統(tǒng)了解太陽電池，有必要對(duì)半導(dǎo)體材料，特別是硅材料作必要的了解。按導(dǎo)電性強(qiáng)弱，材料一般可分為三大類，即導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。</p><p>　　1.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能</p><p>　　雜特性：摻入微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱摻雜）能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化

23、，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。</p><p>　　溫度特性：溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。</p><p>　?。?）環(huán)境特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光

24、電導(dǎo)現(xiàn)象）。</p><p>　　（4）此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和氣氛的作用等而變化。</p><p>　　2 硅光電池特性研究</p><p>　　2.1 硅光電池的基本原理</p><p>　　光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，不用外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。它的種類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅、硫

25、化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。它有一系列的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等。同時(shí)它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度最相近，所以，它在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x器、曝光表以及自動(dòng)控制監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)的輸入和輸出上用作探測(cè)元件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要地位。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的基本特性和簡(jiǎn)單應(yīng)用作基本的了解和研究。</p><p>　　硅光電池是一種P—N結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)

26、光照射到P—N結(jié)時(shí)，由于光激發(fā)的光生載流子的遷移，使P—N結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，如果他與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將由光電流產(chǎn)生。</p><p>　　（硅光電池原理結(jié)構(gòu)圖）</p><p>　　硅光電池可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池，其中本實(shí)驗(yàn)中使用的2DR型硅光電池屬于單晶硅光電池。下圖是常用的硅光電池的外形及結(jié)構(gòu)示意圖，為提高效率，在器件的受光面上進(jìn)行氧化，形成SiO2保護(hù)

27、膜，以防止表面反射光，并且表面電極做成梳妝，減少光生載流子的復(fù)合機(jī)會(huì)。單晶硅光電池的轉(zhuǎn)換率一般在10%左右，最高可達(dá)15%~20%。目前，使用較廣發(fā)的太陽能電池屬于多晶硅光電池，轉(zhuǎn)換率約為7%。多晶硅光電池采用價(jià)格低廉的多晶硅作材料，而且可用簡(jiǎn)單的真空涂鍍法制造，其大小不受晶體的大小限制，可制作大面積光電池。</p><p>　　2.2 硅光電池的主要特性</p><p>　　2.2.1

28、硅光電池的主要參數(shù)和照度特性</p><p>　　開路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動(dòng)勢(shì)稱為開路電壓，開路電壓與入射光照度的特性曲線稱為開路電壓曲線。</p><p>　　短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路時(shí)所輸出的光電流值稱為短路光電流。光電流密度與照度的特性曲線稱為短路電流曲線。</p><p>　　圖a為硅光電池的開路電壓曲線和短路電流

29、曲線，其中曲線1是負(fù)載電阻無窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x時(shí)就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。 </p><p>　　圖a硅光電池的光電特性</p><p>　　（ 1－開路電壓特性曲線 2－短路電流特性曲

30、線）</p><p>　　2.2.2 硅光電池的負(fù)載特性</p><p>　　硅光電池的伏安特性與最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流I和硅光電池兩端的電壓U相應(yīng)地變化，稱為硅光電池的伏安特性。當(dāng)負(fù)載電阻取某一值時(shí)，其輸出功率最大，這稱為最佳匹配，此時(shí)所用的電阻稱為最佳匹配電阻。</p><p>　　硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻等于開路電壓除

31、以短路電流?？梢杂^察到光照面積不同時(shí)，硅光電池的內(nèi)阻將發(fā)生變化。</p><p>　　2.2.3 硅光電池的光譜特性</p><p>　　在入射光能量保持一定的情況下，短路電流與不同的入射光頻率（波長(zhǎng)）之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。</p><p>　　圖b為硅光電池光譜特性曲線，從曲線可看出，硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，

32、因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 </p><p>　　圖b 硅光電池光譜特性</p><p>　　2.2.4 硅光電池的溫度特性</p><p>　　硅光電池的開路電壓、短路電流隨溫度變化的曲線表征了它的溫度特性。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。</p>&l

33、t;p>　　圖c為硅光電池的溫度特性曲線，圖中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　圖c 硅光電池溫度特性</p><p>　?。?－開路電壓 2－短路電流）</p><p>　　2.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)</

34、p><p>　　實(shí)驗(yàn)儀器：實(shí)驗(yàn)用具：電位差計(jì)、硅光電池（2DR65型，面積Φ=15nm2，光強(qiáng)100mW/cm2,溫度為20℃時(shí)，開路電壓大于500mV，短路電流為31~55mA，光譜峰值在0.45~1.1um范圍內(nèi)），光源，聚光透鏡，檢流計(jì)，濾色片，偏振片，開關(guān)等。</p><p>　　2.3.1 測(cè)量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性 </p><p>　　1.把入射光擋掉，

35、把檢流計(jì)打到“×1”擋，然后把檢流計(jì)調(diào)到零。</p><p>　　2.點(diǎn)亮白熾燈光源（12V），并把發(fā)光燈絲對(duì)焦成像在單色議的狹縫上面</p><p>　　使硅光電池接受的光電流不要超過檢流計(jì)的刻度。</p><p>　　3.以硅光電池為接受接收元件，轉(zhuǎn)動(dòng)波鼓為：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0c

36、m，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm。在進(jìn)行測(cè)量前，一定要把波鼓轉(zhuǎn)到17.8的位置，檢查光電流是否大小適當(dāng)，不要超過檢流計(jì)的量程。</p><p>　　數(shù)據(jù)測(cè)三次，取平均值，把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表一。</p><p>　　表一 硅光電池的光譜響應(yīng)特性</p>

37、<p>　　根據(jù)表一的數(shù)據(jù)，以光波波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，光電路強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，作硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線，如圖所示</p><p>　　從硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線可以看出，光電流在波長(zhǎng)4000A到6200A的范圍內(nèi)，是隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸的變大。</p><p>　　2.3.2 測(cè)量硅光電池的負(fù)載特性</p><p>　　1、按如圖連接好電路實(shí)驗(yàn)裝置<

38、/p><p>　　2、蓋住硅光電池的光入射口，把電流計(jì)調(diào)零。</p><p>　　3、打開He-Ne激光器，正射到硅光電池上，測(cè)量不同負(fù)載電阻值下的電流和電壓值，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表二</p><p>　　表二 電阻與硅光電池的輸出功率關(guān)系表</p><p>　　根據(jù)表二的數(shù)據(jù)，以電阻為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，作電阻和輸出功率的關(guān)系曲線，如圖所示

39、：</p><p><b>　　硅光電池的負(fù)載曲線</b></p><p>　　由表二的數(shù)據(jù)及圖7的負(fù)載曲線可以看出,當(dāng)電阻為550時(shí),硅光電池有最大輸出功率，由于在實(shí)驗(yàn)中，R＝550之后的測(cè)量點(diǎn)太少，使到曲線的峰值不是很明顯。實(shí)驗(yàn)中，光功率為，最大輸出功率，所以硅光電池的轉(zhuǎn)換效率。</p><p><b>　　3 光電池的制造<

40、;/b></p><p>　　制造太陽電池片，首先要對(duì)經(jīng)過清洗的硅片，在高溫石英管擴(kuò)散爐對(duì)硅片表面作擴(kuò)散摻雜，一般摻雜物為微量的 硼、磷、銻等。目的是在硅片上形成P/N結(jié)。然后采用絲網(wǎng) 印刷法，用精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒 結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射膜 ，單 晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過檢測(cè)，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

41、構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框 架和裝材料進(jìn)行封裝，組成各種大小不同太陽電池陣列。 目前大規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為14～ 15％左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20％以上的。常州天和光能和 無錫尚德的轉(zhuǎn)換效率在14.5％，常州盛世太陽能公司有90 ％可做到16.2％以上。</p><p><b>　　3.1 表面絨面化</b></p><p>　　由于硅片用P

42、型（100）硅片，可利用氫氧化鈉溶液對(duì)單 晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕的特 點(diǎn)來制備絨面。當(dāng)各向異性因子>10時(shí)（所謂各向異性因子就是（100）面與（111）面單 晶硅腐蝕速率之比），可以得 到整齊均勻的金字塔形的角錐體組成的絨面。</p><p>　　絨面具有受光面積大，反射率低的特點(diǎn)?？?提高單晶硅太陽電池的短路電 流，從而提高太陽電池的光電 轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　3.1.1

43、 絨面受光面積 </p><p>　　金字塔形角錐體的表面積So等于4個(gè)邊長(zhǎng)為a的正三角形S之和：</p><p>　　由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。</p><p>　　3.1.2 絨面反射率</p><p>　　當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點(diǎn)，產(chǎn)生反射光Φ1和進(jìn) 入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以繼續(xù)投射到另

44、一方錐的B點(diǎn)， 產(chǎn)生二次反射光Φ3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光Φ4；而對(duì)光面電池就 不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計(jì)算可知還有11%的二次反射光可能 進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。</p><p><b>　　3.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散</b></p><p>　　由于原始硅片采用P型硅，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散一般采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個(gè)工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)高，有利于降

45、低成本。目前大型的太陽能廠家一般用8吋硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以擴(kuò)散156×156（mm）的硅片。</p><p>　　由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長(zhǎng)，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性；因?yàn)椴捎昧讛U(kuò)散，可以實(shí)現(xiàn)高濃度的摻 雜，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，從而了提高 太陽電池填充因子FF。擴(kuò)散條件為880º 10'，得到的P-N結(jié)深約0.15μm。</p><

46、p>　　3.3 SiN鈍化與APCVD淀積TiO2</p><p>　　先期的地面用高效單晶硅太陽電池一般采用鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池(PESC)工藝。擴(kuò)散后，在去除磷硅玻璃的硅片上, 熱氧化生長(zhǎng)一層10nm~25nm厚SiO2,使表面層非晶化,改變 了表面層硅原子價(jià)鍵失配情況,使表面趨于穩(wěn)定,這樣減少 了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,提高了太陽電池對(duì)藍(lán)光的響應(yīng),同時(shí)也 增加了短路電流密度Jsc,由于減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,這樣

47、 也就減少了反向飽和電流密度,從而提高了太陽電池開路電 壓Voc。還有如果沒有這層SiN,直接淀積TiO2薄膜,硅表面 會(huì)出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減,一般 會(huì)衰減8%左右,從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長(zhǎng)SiN鈍 化再生長(zhǎng)TiO2減反射膜。 TiO2減反射膜是用APCVD設(shè)備生長(zhǎng)的,它通過鈦酸異丙脂 與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長(zhǎng)TiO2薄膜。 </p><p>　　3.4 PECVD淀積SiN &l

48、t;/p><p>　　多晶硅太陽電池廣泛使用PECVD淀積SiN ,由于PECVD淀積 SiN時(shí),不光是生長(zhǎng)SiN作為減反射膜,同時(shí)生成了大量的原子氫,這些氫原子能對(duì)多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用,可用于大批量生產(chǎn)高效多晶硅太陽電池,為上世紀(jì)末多晶硅太陽電池的產(chǎn)量超過單晶硅太陽電池立下汗馬功勞。隨著PECVD在多晶硅太陽電池成功,引起人們將PECVD用于單晶 硅太陽電池作表面鈍化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含

49、有大量的氫,可以很好的鈍化硅 中的表面懸掛鍵，從而提高了載流子遷移率，一般要提高 20%左右，同時(shí)由于SiN薄膜對(duì)單晶硅表面有非常明顯的鈍化作用。經(jīng)驗(yàn)顯示，用PECVD SiN作為減反膜的單晶硅太陽電 池效率高于傳統(tǒng)的APCVD TiO2作減反膜單晶硅太陽電池。 SiN減反膜的厚度約75nm，折射率可高到2.1（富硅）。</p><p>　　3.5 共燒形成金屬接觸 </p><p>　　

50、晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)， 同時(shí)形成上下電極的歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池的一項(xiàng)重要 關(guān)鍵工藝。該工藝的基礎(chǔ)理論來自合金法制P-N結(jié)工藝。當(dāng)電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)到共晶溫度時(shí)，單晶硅原子按相圖以一 定的比例量溶入到熔融的合金電極材料。單晶硅原子溶入到電極金屬 中的整個(gè)過程相當(dāng)快，一般只需幾秒鐘。溶入的單晶硅原子數(shù)目決定 于合金溫度和

51、電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體 積愈大，則溶入的硅原子數(shù)目也愈多，這時(shí)狀態(tài)被稱為晶體電極金屬 的合金系統(tǒng)。如果此時(shí)溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻，原先溶入到電極金 屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來，在金屬和晶體接觸界面 上生長(zhǎng)出一層外延層。如果外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo) 電類型相同雜質(zhì)成份，就獲得了用合金法工藝形成的歐姆接觸；如果 再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份， 這就獲得了用合金法

52、工藝形成P-N結(jié)。</p><p>　　銀槳、銀鋁槳、鋁槳印刷過的硅片，通過烘干，使有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上， 這時(shí)，可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。所謂共 燒工藝顯然是采用銀－硅的共晶溫度，同時(shí)在幾秒鐘內(nèi)單 晶硅原子溶入到金屬電極材料里，之后又幾乎同時(shí)冷卻形 成再結(jié)晶層，這個(gè)再結(jié)晶層是較完美單晶硅的晶格點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)。只經(jīng)過一次燒結(jié)鈍化的表面層，氫原子的外釋是有限 的，共燒保障了氫

53、原子大量存在，填充因子較高，沒有必 要引入氮?dú)浜姹汗に嚕‵GS）。 </p><p><b>　　3.6 電池片測(cè)試</b></p><p>　　主要測(cè)試太陽電池的基本特性：</p><p>　　開路電壓VOC、短路電流ISC、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效率η。</p><p>　　FF為電池的填充因子(Fill Facto

54、r)：</p><p>　　它定義為電池具有最大輸出功率(Pop)，時(shí)的電流(Iopt )和電壓(Vopt ) 的乘積與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值，較高的短路電流和開路電壓是產(chǎn)生較高能量轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)。如果兩個(gè)電池 的短路電流和開路電壓完全相同，制約其效率大小的參數(shù)就是填充因子。</p><p>　　能量轉(zhuǎn)換效率是光電池的最重要性能指標(biāo)，它為光電池將入射光能量轉(zhuǎn)換成電能的效率。 &

55、lt;/p><p>　　3.6.1 光電池的測(cè)試原理</p><p><b>　　測(cè)試電路如下：</b></p><p><b>　　PN結(jié)兩端的電流：</b></p><p>　　光電池處于零偏時(shí)，流過PN結(jié)的電流；光電池 處于反偏時(shí)，流過PN結(jié)的電流，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)

56、。</p><p>　　光電流與輸出光功率之間的關(guān)系：，為響應(yīng)率，值隨入射光波長(zhǎng)的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電池值分別在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)。</p><p><b>　　4 光電池的應(yīng)用</b></p><p>　　4.1 光電池的運(yùn)用范圍</p><p>　　4.2 光電池的種類</p>

57、<p>　　4.2.1 硅光電池</p><p>　　硅光電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 </p><p>　　單晶硅光電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜

58、和非晶硅薄膜做為單晶硅光電池的替代產(chǎn)品。 </p><p>　　多晶硅薄膜光電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。</p><p>　　非晶硅薄膜光電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性

59、不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅光電池?zé)o疑是光電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 </p><p>　　4.2.2 多元化合物薄膜光電池</p><p>　　多元化合物薄膜光電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 </p><p>　　硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶

60、硅薄膜光電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅光電池最理想的替代產(chǎn)品。 </p><p>　　砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。 &l

61、t;/p><p>　　銅銦硒薄膜電池（簡(jiǎn)稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展光電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 </p><p>　　4.2.3 聚合物多層修飾電極型光電池</p><p>　　以有機(jī)聚合物代替

62、無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)光電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用光能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備光電池的研究?jī)H僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。</p><p>　　4.2.4 納米晶光電池</p><p>　　納米TiO2晶

63、體化學(xué)能光電池是新發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅光電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。 </p><p>　　此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。</p><p>　　4.2.5 有機(jī)光電池</p><p>　　有機(jī)光電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的光電池。大家對(duì)有機(jī)光

64、電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的光電池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它無機(jī)材料制成的。</p><p>　　4.3 光電池家庭化的應(yīng)用</p><p>　　太陽能（光）發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適合于各家各戶分散進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上。光電池日益成為家用電器的“能源心臟”。</p><p>　　①太陽能

65、電話。以太陽能作能源的無線電話已在英國一家無線電公司問世。它利用頂端上裝的太陽能接收板，可以不斷給電池充電。使用者的聲音通過無線電波輸入附近的電話交換機(jī)，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去。巴黎伏德瓦特公司制作的太陽能收費(fèi)公用電話，耗電量極低，只要在陽光下充電幾小時(shí)，便足夠使用10多天。</p><p>　?、谔柲鼙?。法國的太陽能冰箱以甲醇為制冰劑，每24小時(shí)可制冰10公斤，保鮮30公斤食物。印度研制出一種倉庫用的大型

66、太陽能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在-2℃，可冷藏500公斤食品，每天還可制出25公斤冰來.</p><p>　?、厶柲芸照{(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，全部動(dòng)力都由陽光供給，多云或陰天時(shí)才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，用它可使一間18平方米的居室室溫保持在20℃左右，并較一般空調(diào)器節(jié)約電費(fèi)60％以上。</p>

67、<p>　　④太陽能電視機(jī)。芬蘭研制的太陽能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽光的窗臺(tái)上，晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12伏的電視機(jī)使用3至4小時(shí)。印度研制的太陽能電視機(jī)，其能源吸收系統(tǒng)只要每天工作4小時(shí)，即使連續(xù)3天無太陽，也能正常接收信號(hào)播放節(jié)目。</p><p>　?、萏柲苷障鄼C(jī)。日本制作的世界上第一架太陽能照相機(jī)，重量?jī)H有475克，機(jī)內(nèi)裝有先進(jìn)的太陽能

68、電池系統(tǒng)，其蓄電池可連續(xù)使用4年。美國一家公司生產(chǎn)了一種新型的135照相機(jī)。它的光圈、速度均由微電腦自動(dòng)控制，電力則由太陽能硒光電池提供，只要有光線就能供電。</p><p>　　4.4光電池的市場(chǎng)與應(yīng)用</p><p>　　近年來太陽能利用在技術(shù)上的不斷突破，使太陽能光電池的商業(yè)化應(yīng)用要比人們?cè)阮A(yù)期的快得多。目前，全世界總共有23萬座光伏發(fā)電設(shè)備，以色列、澳大利亞、新西蘭居于領(lǐng)先地位。

69、技術(shù)上的不斷突破使光電池以高速度進(jìn)入市場(chǎng)。80年代后期，由于多晶薄膜光電池的出現(xiàn)，使光電池的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)16％，而生產(chǎn)成本降低了50％，極利于在缺能少電的發(fā)展中國家推廣。目前，美國和日本在世界光伏市場(chǎng)上占有最大的市場(chǎng)份額。美國擁有世界上最大的光伏發(fā)電廠，其功率為7MW，日本也建成了發(fā)電功率達(dá)1MW的光伏發(fā)電廠。</p><p>　　最初光電池主要是廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和航空航天領(lǐng)域，因?yàn)樵谔罩兄挥邪滋?，沒有黑夜，

70、太陽光強(qiáng)度也不受天氣變化和季節(jié)更替的影響。如人造衛(wèi)星、宇宙空間站上的能源都是有太陽能電池提供。</p><p>　　目前，光電池已在民用電力、交通，以及軍用航海、航天等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈大的作用。大型的可用于電話通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星地面接收站、微波中繼站等；中型的可用于電車、輪船、衛(wèi)星、宇宙飛船等；小(微)型的呵用于太陽能手表、太陽能計(jì)算器、太陽能充電器、太陽能手機(jī)等。</p><p>　　4

71、.5 我國光電池的發(fā)展?fàn)顩r與新進(jìn)展</p><p>　　我國對(duì)光電池的研究開發(fā)工作高度重視，早在七五期間，非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國家重大課題；八五和九五期問，我國把研究開發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽能電池等方面。我國目前已有10條太陽能電池生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力約為4.5MW，其中8條生產(chǎn)線是從國外引進(jìn)的，在這8條生產(chǎn)線當(dāng)中，有6條單晶硅太陽能電池生產(chǎn)線，2條非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線。據(jù)專家預(yù)測(cè)，目前我國光伏市場(chǎng)需求

72、量為每年5MW，2001～2010年，年需求量將達(dá)10MW，從2011年開始，我國光伏市場(chǎng)年需求量將大于20MW。</p><p>　　我國擁有豐富的太陽能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國陸地接收的太陽輻射總量，相當(dāng)于24000億噸標(biāo)煤，全國總面積三分之二地區(qū)年日照時(shí)問都超過2000小時(shí)，特別是西北一些地區(qū)超過3000小時(shí)。另一方面，隨著當(dāng)前世界光電技術(shù)及其應(yīng)用材料的飛速發(fā)展，光電材料成本成倍下降，光電轉(zhuǎn)換率不斷提高，這將

73、帶來太陽能發(fā)電成本的大幅度下降。據(jù)預(yù)計(jì)，不到10年，太陽能發(fā)電的成本就會(huì)接近并低于煤電，這為我國大力開發(fā)太陽能資源提供了可能。</p><p>　　我國光電池的研究始于1958年，1959年研制成功第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的光電池。1971年3月首次成功地應(yīng)用于我國第二顆衛(wèi)星上，1973年光電池開始在地面應(yīng)用。1979年開始生產(chǎn)單晶硅光電池。80年代中后期，引進(jìn)國外光電池生產(chǎn)線和關(guān)鍵設(shè)備，初步形成生產(chǎn)能力達(dá)到4．5兆瓦的

74、太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。其中單晶硅電池2．5兆蜂瓦，非晶硅電池2兆峰瓦。工業(yè)組件的轉(zhuǎn)換效率單晶硅電池為ll一13％，非晶硅電池為5-6％。</p><p>　　我國光伏組件生產(chǎn)逐年增加，成本不斷降低，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，1999年底累計(jì)約15兆峰瓦。應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)村電氣化、交通、通訊、石油、氣象、國防等。特別是光伏電源系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學(xué)校、醫(yī)療所、家庭照明、電視等用電，對(duì)發(fā)展邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)揮

75、了十分重要的作用。西藏有7個(gè)無水能資源無電縣采用光伏電站供電，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。在研究開發(fā)方面開展了單晶硅、多晶硅電池研究以及非晶硅、碲化鎘、硒銦銅等薄膜電池研究，同時(shí)還開展了澆筑多晶硅、銀／鋁漿、EVA等材料研究，并取得可喜的成果，其中刻槽埋柵電池效率達(dá)到國際水平。</p><p>　　如今，人們已經(jīng)清楚的認(rèn)識(shí)到，光電池光電效應(yīng)效率和光電池材料的來源與制作成本，是發(fā)展光電池的極為重要的因素?？梢姡怆姵亟窈?/p>

76、的發(fā)展方向是：人類在繼承和發(fā)展已被開發(fā)和利用的光電池的基礎(chǔ)上，一方面全力的去研究和開發(fā)高光電效應(yīng)效率的材料，另一方面，尋取富含太陽能電池材料的原料，已用于發(fā)展未來的光電池事業(yè)。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　太陽能有許多優(yōu)點(diǎn)，但在它成為未來的主要能源之前，還有許多亟待解決的問題。太陽能集熱設(shè)備和太陽能光電池造價(jià)高自不待言，還有一個(gè)人們常

77、想的問題是沒有太陽時(shí)怎么辦?受夜間和陰雨氣候的影響，這是利用太陽能所遇到的最大限制。</p><p>　　但隨著科技的進(jìn)步，這種限制正逐步縮小。</p><p>　　目前，一般家庭太陽能熱水器，都有儲(chǔ)熱槽儲(chǔ)存熱水，高級(jí)一點(diǎn)的儲(chǔ)熱裝置，即使連續(xù)一、二天陰雨，仍能使用前日儲(chǔ)存的熱水。還有固體儲(chǔ)熱和化學(xué)儲(chǔ)熱法。我們完全有理由相信，太陽能作為一種清潔優(yōu)良的新能源，它的開發(fā)和應(yīng)用前景都是廣闊的，在不

78、久的將來它必將會(huì)逐漸應(yīng)用到我們生活的各個(gè)方面中來，使我們的能源使用更加科學(xué)和環(huán)保。</p><p>　　總之，光電池與我們21世紀(jì)人的關(guān)系是密不可分的，隨著時(shí)間和科技的發(fā)展，我們將會(huì)得到更先進(jìn)和更人性化的光電池設(shè)備。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]太陽電池：材料、制備工藝及檢測(cè) Tom Markvar

79、t 機(jī)械工業(yè)出版社 2009-08</p><p>　　[2]有機(jī)太陽電池與塑料太陽電池 張華，李陵嵐 化學(xué)工業(yè)出版社 2006-3</p><p>　　[3]光伏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編 陜西省標(biāo)準(zhǔn)化研究院 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2011-08</p><p>　　[4]太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理 黃漢云 化學(xué)工業(yè)出版社 2009-3</p><p>　　[5

80、]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)：多晶硅生產(chǎn)技術(shù) 鄧豐 化學(xué)工業(yè)出版社 2009-3</p><p>　　[6] 建筑工程太陽能發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用 李宏毅，金磊 機(jī)械工業(yè)出版社 2008-1</p><p>　　[7] 太陽能光伏電池及其應(yīng)用 濱川圭弘 科學(xué)出版社 2008-9</p><p>　　[8]太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù) 長(zhǎng)貴 千斯成 北京科學(xué)出版社 2005</p&

81、gt;<p><b>　　致謝</b></p><p>　　行文至此，我的這篇論文已接近尾聲；歲月如梭，我三年的大學(xué)時(shí)光也即將敲響結(jié)束的鐘聲。離別在即，站在人生的又一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，心中難免思緒萬千，一種感恩之情油然而生。 </p><p>　　在此論文的撰寫過程中，首先我要特別感謝我們親愛的宋露露老師，因?yàn)橛辛怂闹笇?dǎo)，給我提出的見解還有她辛苦的閱讀和