第一節(jié) 單晶硅太陽(yáng)能電池及材料工藝與技術(shù)

單晶硅太陽(yáng)電池是開(kāi)發(fā)得最早、最快的一種太陽(yáng)電池，其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽(yáng)電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽(yáng)電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬！ 有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過(guò)復(fù)拉制成太陽(yáng)電池專(zhuān)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(guò)程能量消耗很高，約為14kWh/kg典型的半導(dǎo)體級(jí)硅的制備過(guò)程：粉碎的冶金級(jí)硅在硫化床反應(yīng)器中與HCL氣體混合并反應(yīng)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(guò)精餾使SiHCL3與其它氯化物分離，經(jīng)過(guò)精餾的SiHCL3，其雜質(zhì)水平可低于10-12（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的電子級(jí)硅要求。提純后的SiHCL3通過(guò)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(jīng)過(guò)成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽(yáng)電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就在硅片上形成P-N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過(guò)燒結(jié)，同時(shí)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(yáng)電池的單體片就制成了！ 單體片經(jīng)過(guò)抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽(yáng)電池組件（太陽(yáng)電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。用戶(hù)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽(yáng)電池組件組成各種大小不同的太陽(yáng)電池方陣，亦稱(chēng)太陽(yáng)電池陣列。

單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的。其典型代表是斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)觸電池（POC），新威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池（PESC，PERC，PERL）及德國(guó)Fraumhofer太陽(yáng)能 研究 所的局域化背表面場(chǎng)電池（LBSF），還有埋柵電池（BCSC）等。

第二節(jié) 多晶硅太陽(yáng)能電池及材料工藝與技術(shù)

單晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽(yáng)電池生產(chǎn)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(yáng)電池也是圓片，組成太陽(yáng)能組件平面利用率低。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)電池，其中包括非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、硒銦銅和碲化鎘薄膜電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)電池。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰減問(wèn)題，并有可能在廉價(jià)底材上制備，其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于單晶硅電池，實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)18%，遠(yuǎn)高于非晶硅薄膜電池的效率。因此，多晶硅薄膜電池被認(rèn)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(yáng)電池！

澆鑄多晶硅技術(shù)是降低成本的重要途徑之一，該技術(shù)省去了昂貴的單晶拉制過(guò)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(chǎng)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(dòng)而形成晶錠！

澆鑄法的工藝過(guò)程是選擇電阻率為100-300Ω·cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，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(yīng)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(yáng)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(wèn)題是：

硅容器的材質(zhì)。因?yàn)楣枞垠w冷凝時(shí)會(huì)牢固地粘附在坩堝的內(nèi)壁，若兩者的膨脹系數(shù)不同，硅固化時(shí)體積增加9%，會(huì)使硅錠產(chǎn)生裂紋或破碎。晶體結(jié)構(gòu)。用調(diào)整熱場(chǎng)等方法控制晶體結(jié)構(gòu)，以生長(zhǎng)出大小適當(dāng)（數(shù)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(shù)：

常規(guī)的硅片切割采用內(nèi)圓切片機(jī)，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(jī)，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(xué)氣相沉積法（CVD法）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(xué)氣相沉積法就是將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，然后通以反?yīng)氣體（如Si2Cl2，SiHCl3，等），在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并在襯底表面沉積3-5μm厚的硅薄膜。這些反應(yīng)的溫度通常較高，在800-1200度之間。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法是利用PECVD技術(shù)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(gòu)成，沉積多晶薄膜厚度200-1000μm。該薄膜是一種P-I-N結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)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(jí)），但已屬于多晶硅薄膜，幾乎沒(méi)有效率衰減問(wèn)題。但是，該方法也存在生長(zhǎng)速度太慢以及薄膜極易受損等問(wèn)題，有待今后 研究 改進(jìn)。液相外延法就是通過(guò)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(zhǎng)，可獲得結(jié)構(gòu)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(yáng)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(jié)；光學(xué)限制：上下表面結(jié)構(gòu)化，上下表面減反射；電學(xué)限制：制備背場(chǎng)（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(shí)驗(yàn)室技術(shù)均已用在制備多晶硅薄膜太陽(yáng)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(dá)16.42%的多晶硅電池，北京太陽(yáng)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(yáng)能電池及材料工藝與技術(shù)

為了獲得高效率高穩(wěn)定性的太陽(yáng)電池，近年來(lái)又出現(xiàn)了微晶硅多晶硅薄膜電池。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期光照下沒(méi)有任何衰退現(xiàn)象。因此發(fā)展晶化的硅基薄膜太陽(yáng)電池是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定高效低成本最有前途的方法之一，已成為國(guó)際同行 研究 的熱點(diǎn)。由于本征μC-Si和poly-Si具有更窄的光學(xué)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(guān)注的 研究 課題。1995年哈爾濱克羅拉太陽(yáng)能電力公司制備出疊層非晶硅太陽(yáng)電池，經(jīng)50小時(shí)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(dá)4.69%的大面積集成型疊層非晶硅太陽(yáng)電池。

第四節(jié) 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及材料工藝與技術(shù)

開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，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(jīng)開(kāi)始了對(duì)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(chǎn)該種電池產(chǎn)品。

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

疊層太陽(yáng)能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減??；④疊層太陽(yáng)能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應(yīng)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(jīng)過(guò)不同的電池工藝過(guò)程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽(yáng)能電池。非晶硅太陽(yáng)能電池的 研究 取得兩大進(jìn)展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13%，創(chuàng)下新的記錄；第二、三疊層太陽(yáng)能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國(guó)聯(lián)合太陽(yáng)能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13%.

上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積（0.25cm2）電池上取得的。曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)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(zhuǎn)換效率為13.2%。國(guó)內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽(yáng)能電池的 研究 并不多，南開(kāi)大學(xué)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(zhuǎn)換效率為8.28%的a-Si/a-Si疊層太陽(yáng)能電池。

非晶硅太陽(yáng)能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高，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(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。

第五節(jié) 納米管太陽(yáng)能電池

基于納米管的太陽(yáng)能電池加快開(kāi)發(fā)：?jiǎn)伪谔技{米管（SWNT）因其具有獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)而引起人們的極大注意。據(jù)美國(guó)Natre Dame大學(xué)輻射實(shí)驗(yàn)室的Guldi D.M.的 研究 ，單壁碳納米管（SWNT）的重要性在于可開(kāi)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(tuán)，可使納米管達(dá)到功能化目標(biāo)，可望用于生產(chǎn)寬范圍的電子組件-太陽(yáng)能電池。Guldi及其同事-意大利Bologna大學(xué)Baolucci F.和意大利Trieste大學(xué)Parto M. 將二茂絡(luò)鐵附著在單壁碳納米管（SWNT）的壁上，這種加環(huán)反應(yīng)涉及二茂絡(luò)鐵分子中的原子與納米管兩個(gè)碳原子之間的環(huán)閉合，約每一百個(gè)納米管附著一個(gè)單元的二茂絡(luò)鐵。二茂絡(luò)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(jiàn)光照射，它們可用作由二茂絡(luò)鐵釋放的電子的授體。 研究 人員已首次推出開(kāi)發(fā)基于改進(jìn)的碳納米管燃料電池的判據(jù)。

碳納米管二茂絡(luò)鐵組合物用作太陽(yáng)能電池：美國(guó)Notre Dame大學(xué)的 研究 課題組開(kāi)發(fā)了碳納米管-二茂絡(luò)鐵組合物，可用作太陽(yáng)能電池。該組合物材料用光照射，二茂絡(luò)鐵可作為碳納米管的電子授體，產(chǎn)出電流。

第六節(jié) 制備高效空間方面

InN及InGaN（富In）半導(dǎo)體是當(dāng)今半導(dǎo)體領(lǐng)域 研究 熱點(diǎn)，由于該材料體系很難生長(zhǎng)，一直來(lái)對(duì)于其基本的物理性質(zhì)如缺少認(rèn)識(shí)。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(diào)，為全太陽(yáng)光譜光伏材料體系，理論 研究 表明由該材料制備的太陽(yáng)能電池效率高于50%（高于目前所有的太陽(yáng)能電池材料），并且有很高的抗輻射能力，適合在空間應(yīng)用。該課題將利用MBE技術(shù)制備高質(zhì)量的InN及InGaN薄膜，揭示其基本物性，為制備高效率的太陽(yáng)能電池提供基礎(chǔ)。

第七節(jié) 新材料提高太陽(yáng)能利用率

新材料太陽(yáng)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(lèi)電池等。色素增感型太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體原材料使用了氧化鈦。氧化鈦的特點(diǎn)是光吸收能力差，所以就用色素來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。制造方法也比較簡(jiǎn)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(wàn)勝，該工藝的制造成本只有結(jié)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(zhuǎn)換效率繼續(xù)提高等問(wèn)題，色素增感型電池的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到9.3%，使用壽命在8年左右，這兩項(xiàng)指標(biāo)比結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)出）比并不比硅類(lèi)太陽(yáng)能電池強(qiáng)多少，而且產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性還要差。但該電池的研發(fā)進(jìn)度還是很快的，如果解決好上述問(wèn)題的話，完全有可能占領(lǐng)部分硅系太陽(yáng)能電池市場(chǎng)，另外，此電池因?yàn)椴扇∷芰弦r底可以彎曲，因而可以擁有該部分獨(dú)特市場(chǎng)，這是一個(gè)值得考慮的發(fā)展方向。

CIGS新型薄膜非硅類(lèi)電池的代表廠商主要有本田。CIGS類(lèi)材料具有如下特點(diǎn)，即理論發(fā)電效率比硅類(lèi)太陽(yáng)能電池高出25%～30%、材料成本低、而且不存在非晶硅太陽(yáng)能電池那樣的性能惡化問(wèn)題。但由于采用4種材料，很難在大面積內(nèi)形成結(jié)構(gòu)均勻的薄膜，而且膜材料以Cd類(lèi)為主，存在毒性問(wèn)題，因此一直未能用于實(shí)際。本田在這方面取得的突破是：開(kāi)發(fā)出了能夠在大面積中形成均勻的CIGS膜的成膜技術(shù)以及發(fā)現(xiàn)了即使不使用Cd也能實(shí)現(xiàn)高效率的緩沖層材料。據(jù)說(shuō)發(fā)電成本已經(jīng)降到了商業(yè)用電的成本以下，但由于轉(zhuǎn)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(lái)的優(yōu)勢(shì)。

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