CIS太阳能电池中CIS材料的制备与性能研究文档格式.docx

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同时对ＣＩＳ异质结中开路电压与扩散长度的关系进行了分析，

经过计算机模拟得出了它们之间的关系曲线，计算表明保持载流子的扩散长度和空穴的扩散系数不变，改变电子的扩散系数，开路电压基本不变；

而随着空穴扩散系数的增大，开路电压逐渐减少。

并从ＣＩＳ太阳能电池的等效电路出发，分析了电池的串连电阻和并联电阻对电池的填充因子的影响。

结果表明，在较大光生电流情况下，较低的串连电阻和较低的反向饱和电流才能获得较高的填充因子。

关键词：

太阳能电池：

ＣＩＳ；

磁控溅射；

硒化

ＩＶ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｔｈｅｓｏｌａｒｃｅｉｌｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｋｅｙｉｓｔｈｅｃｈｏｉｃｅａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｂｏｕｔｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｈｏｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ

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华南理工大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完

全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

≠郭。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，

允许论文被查阅和借阅。

本人授权华南理工大学可以将本学位论文的

全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密口，在——年解密后适用本授权书。

本学位论文属于不保密臼。

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日期：

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第一章绪论

１．１研究的目的和意义

在科学技术高度发达的今天，信息、能源、材料等高新技术起着支撑社会的作用。

环保问题也为全球人类所关注。

随着工业的不断发展，废气、废液、废物等大量排放，自然资源大量浪费，造成严重的人类环境污染。

全球性温室效应使地面气温升高、空气污染、干旱、荒漠化、风暴和海平面上升。

科学家们为了环保正在开发清洁的再生能源以降低温室效应。

太阳能存在广泛，可自由索取，且

为“绿色”能源．是～种可利用的最重要的可再生能源。

据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽．煤炭资源也只能供应人类约２００年。

能源问题已成为世界关注的一个重大问题。

风能和潮汐能等虽属可再生能源，但受地理环境等条件的限制。

唯有太阳能辐射到地球的每个角落，因而成为２１世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。

我国

幅员辽阔，太阳能资源丰富，总厦积三分之二的地区年日照时间超过２０００小时，

西北一些地区甚至超过３０００小时，粗略统计，我国陆地每年接收的太阳辐射量相当于２４０００亿吨煤，按１９９７年我国一次能源１３．４亿吨标准煤计算，可用１８００年，在西部地区，人口密度低，距离骨干电网远，交通不便，显然太阳能是这些地区的能源的最佳选择。

因此我国大力开发利用太阳能资源势在必行。

太阳因内部发生着核反应，温度高达１．５×

ｌＯ７Ｋ，会辐射出大量的热能。

照射到地球上的

太阳能非常巨大，大约４０ｍｉｎ照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的

能量需求ｆ”。

而且，利用太阳能还可减少环境污染。

目前太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面，对于工业和其他产业部门，后者则是最理想的方案。

利用太阳能发电目前有两种办法：

一是利用太阳能加热液体，使之变成气体用以驱动涡轮机发电：

另一种就是太阳能电池。

根据半导体光生伏特效应（光伏效应）制成的太阳能电池即光伏电池。

是将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件。

用这种器件封装成太阳能电池组件．再按需要将多块组件组合成一定功率的太阳能电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流一交流变换装置等相配套，即构成太

阳能电池发电系统，也称之为光伏发电系统。

它具有不消耗常规能源、无转动部

件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪声、无污染等优

点。

１８８３年，Ｆｒｉｔｔｓ描述了第一个硒制造的光生伏特电池。

１９４１年Ｏｈｉ制出单

晶硅生长结光电池ｉ１９５４年美国贝尔电话实验室研制出了第一个实用的硅太阳能

电池。

自这一块太阳能电池问世以来，太阳能电池得到了飞速发展，仅仅经过４０多年的时间，目前已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域的重要电源，已经被广泛应用于航天、农业灌溉、交通导航、微波中继、电视转播、边远通讯、军事国防及偏僻山村和家庭等多个领域，并将进一步发展成为２１世纪世界能源舞台上的主要成员之一。

太阳能电池发展现状：

经过４０多年的努力，人们为太阳能电池的研究、发展与产业化做出了巨大的努力。

从本世纪７０年代中期开始地面用太阳能电池商品化以来，全世界太阳能电池年产量以每年平均１８％的速度增加，两同时其生产成本却以每年平均７．５％的速度下降ｕ１。

由于晶体生长工艺的改进、对缺陷和杂质的深入研究、应用吸杂等技术，使彳寻铸造多晶硅的效率得到了显著的提高。

表卜ｌ给出了地面用太阳能电池组件的成本与价格和商品太阳能电池组件效率的进展情况（其中２０１０年为预计值）。

表１－１地面用太阳能电池组件的成本／价格（美元）和效率（％）

【３ｌ

Ｔａｂｌｅｌ一１Ｔｈｅｃｏｓｔ／ｐｒｉｃｅａｎｄｐｏｗｅｒｏｆＳｏｌａｒｃｅｌｌｇｒｏｕｐｗａｒｅｕｓｅｄｉｎｇｒｏｕｎｄ

种

年

１９９０１９９５

份

‘２０００

类

２０１０（预计）

成本／价格

效率

（％）

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３．２５／５．４０３．００／５．００

２．４０／４．００２．２５／３．７５

１５

１４

１．５０／２．５０１．５０／２．５０

１８１６

１．２０／２．００１．２０／２．００

２２２０

多晶

硅

ａ－Ｓｉ

３．００／５．００

２．００／３．３３２．００／３．３３

９１０

１．２０／２．００

ｌＯ１２

０．７５／１．２５

薄膜

ＣＩＳＣｄＴｅ

２．００／３．３３１．５０１２．５０

９

７—９

１．２０／２．００１＿２０／２．００

１２１２

０．７５／１．２５０．７５／１．２５

１４１５

在民用方面，近有报道：

荷兰～家电力公司投资１３００万美元，要建造５００套装有Ｐｖ嵌板的住房。

２００１年完工时，可从太阳得到１．３ＭＷ的功率，足以供给该住房区能量需求的６０％，其余部分由电网承担。

当地的日照比世界平均日照还短，由上述Ｐｖ装置提供的电比电网供电约贵４倍。

该公司和地方当局承诺对差额给予补贴，旨在促进太阳能应用的发展。

随着技术的进步，ＰＶ发电的价格可望降低．太阳能的利用也将加速。

有人预计在下５～１０年有可能将ＰＶ发电商业化，我

２

国太阳能发电的工作还处于开发初期，特别是在西部大开发中，一些太阳能发电

的开发项目已经启动。

一种有效利用太阳能充电的新一代手机电池板已经在上海

问世?

它既可用一般电源充电，也能在缺乏电源或充电器的情况下通过太阳电池充电。

在太空应用方面，美国的“赫利俄斯”号太阳能飞行器创下目前非火箭驱动飞行器飞行高度的新记录，达到２８．９５Ｋｍ。

它实际上是一个翼长７５ｍ、利用太阳能动力的单翼飞行器。

它装有１４个由１４９１．４Ｗ的发动机推动的小螺旋桨．发动机

的动力来自飞翼上６．５×

１０４个ｃ—Ｓｉ太阳能电池。

研制它的目的主要是为了帮助

设计未来用于火星场合的飞行器，有助于对火星进行勘测。

由于太阳能飞行器可以连续飞行，无须补充燃料，即使是在地球环境中也可用作广播和通信中继或气

象预测。

随着相关科学技术的发展和其他太阳能电池工艺的日趋成熟，太阳能电池的成本将成为制约太阳能电池发展的主要因素。

在太阳能电池的研制历程中曾使用过各种半导体。

硅是其中最重要的～种。

硅是单元素半导体，无毒，废弃硅对环境没有污染。

在各种硅太阳电池中，晶体硅电池一直占据着最重要的地位。

在硅太阳电池中，目前发展较为成熟的有单晶、非晶及多晶硅太阳电池，但由于制作工艺复杂．使得生产成本一直居高不下。

经过几十年的研究后。

大块晶片型太阳能电池的成本仍然太高，产品太贵．造成太阳能发电系统产生的电力无法与传统的电力相竞争１４－７］。

因而．由于成本问题和抗辐射能力，单晶体太阳能电池的应用受到限制。

多晶硅薄膜电池由于具有较高的转换效率和大幅度降低成本的潜力而逐渐成为人们研究的热点［Ｚ－ＩＯＩ。

然而即便如此，硅太阳能电池的成本还是一直居高不下，从工商业产品发展的角度考虑，低成本、高效率、大面积的薄膜太阳能电池的开发工作才有实际意义的。

因此薄膜太阳能电池由于其成本相对较低而成为今后太阳能电池的主要发展方向ｐ”。

在滓膜太阳能电池中，ＣｕｌｎＳｅ，／ｃｄｓ电池以其廉价、高效、近于单晶硅太阳电池的稳定性和较强的空间抗辐射性能而得到各国光伏界的重视，成为最有前途的新一代太阳电池。

在ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池的各种制备方法中．磁控溅射和硒化退火方法更能满足制备Ｃｕ—ｒｉｃｈ和Ｉｎ—ｒｉｃｈ双层结构的要求，同时该方法还适合于大面积的生产，因此，研究磁控溅射和硒

化工艺制备高效率的ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池，并实现商业化生产，是ＣｕＩｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池发展的必然趋势。

由于现在国内对ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池的研究还处于试验阶段．都在大力探索规模化生产的工艺。

因此，谁能抢先占领这个制高点，谁就能抢先占领这个ＣｕＩｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池巨大的市场。

所以研究适合ＣｕｌｎＳｅ２／ＣｄＳ太阳能电池的

规模化生产的磁控溅射和硒化工艺势在必行，这必将极大地促进我国太阳能产业的发展。

而目前我国在太阳能电池的开发利用上远远落后于国际水平．整体处于产量小、应用面窄、产品单一、技术较落后、太阳能电池平均转换效率不高的初

级阶段。

因此，应该积极开展太阳能电池的研究与开发。

在提高太阳能电池的转

换效率的同时，降低成本．实行大规模生产。

努力将科研成果转换为社会经济效益，这对我国国民经济的发展具有重要的意义。

１．２太阳能电池的简介

迄今为止，已经研制出了很多种类的太阳能电池。

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系膜式和非结晶系膜式两大类，两前者又分为单结晶型和多结晶型。

按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型，化合物半导体薄膜型

又分为非结晶型（ａ—Ｓｉ：

Ｈ，ａ—Ｓｉ：

Ｈ：

Ｆ）、ＩＩＩ～Ｖ族（ＧａＡｓ，］ｎＰ）、ＩＩ一Ⅵ族（ＣｄＳ

系）和磷化锌（Ｚｎ、Ｐ，）等。

除了以上介绍的单面太阳能电池以外，美国科学家最近研制出一种双面太阳能电池，其每平方米的发电量可达２７２Ｗ。

这种双面太阳能电池使用了单晶硅材料，正反两面都采用了用以捕捉光线的ＰＮ结结构，因此两面都能把太阳能转换成电能。

这种双面太阳能电池正面的光电转换效率为２１．３％，背面则为从各个角度反射过来的太阳反射光，其光电转换效率为１９．８％。

假定只有］／３的太阳光能够通过反射照到太阳能电池上，那么双面太阳能电池整体的光电转换效率可达２７％【１”。

硅薄膜型太阳能电池从单晶硅太阳能电池发展到非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池，以及后来发展的化合物半导体薄膜型太阳能电池，其制造工艺不断创新，成本也大幅度降低。

下面主要从材料方面来介绍太阳能电池的种类。

１．２．１单晶硅太阳能电池

作为商业用的太阳能电池，晶体硅太阳能电池从技术、工艺上讲都最成熟?

产量也最大。

澳大利亚新南威尔士大学光伏器件及研究中心是这一研究领域中最突出的代表，他们研制的电池，效率高达２４％邮’。

美国、德国、日本等国高效电池的效率也都超过２０％１１４－１６］。

这些研究成就的意义不仅为降低晶体电池成本提供了更大可能，同时对开发高效薄膜多晶电池，从而大幅度降低电池成本具有重要意义。

但由于单晶硅太阳能电池制做工艺复杂，使得生产成本一直居高不下，远不

能达到大规模推广应用的要求。

因而由于成本问题和抗辐射能力，单晶硅太阳能

电池的应用受到限制。

４

一一一．

苎二兰堕丝

１．２．２非晶硅太阳能电池

为了改善单晶硅太阳能电池成本高这一缺点，人们开始研究非晶硅（ａ—ｓｉ）太阳能电池，非晶硅太阳电池成本低，便于大规模生产，正是由于这种经济上的优势使非晶硅太阳能电池在整个太阳能电池领域中的地位迅速升高，成为～些发

达国家能源计划的重点。

自１９７６年制备出第一个（ａ—Ｓｉ）太阳电池实验样品（ＲＣＡ公司）后，１９８０年在日本便诞生了ａ—ｓｉ太阳电池商品化产品（三洋公司等），到１９８７年，ａ—ｓｉ太阳电池的产量就占到世界光伏产品总量的３０％以上。

然而，自１９８７年以后ａ—Ｓｉ太阳电池的市场出现徘徊，其产量虽然也逐年有所增加，但增加的速度远小于晶体硅太阳电池。

至今ａ—Ｓｉ太阳电池的应用仍主要在消费品类型方面。

而更广大的应用市场，即作为能源的功率型应用市场尚未完全打开。

影响功率型应用的主要问题是ａ—Ｓｉ太阳电池的光致不稳定性。

近年来，世界上许多公司竞相研发半透明太阳电池、弱光太阳电池、柔性太阳电池，并取得了很大的进展［ｔＴＩ。

非晶硅太阳能电池的稳定效率一般为６～９％，由于其中存在有大量的Ｈ（约１０％），随着时间的推移，电池的性能将不可避免地要退化．电池的寿命会因此而大大缩短，通常小于单晶硅和多晶硅太阳能电池的一半，即约１０年左右。

因此．