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石家庄职业技术学院

机电工程系

毕业综合实践

课题名称：

非晶硅薄膜太阳能电池PECVD设备的分析

专业：

机电一体化

作者：

杨旭

学号：

0904021118

指导老师：

刘焕平

专业技术职务设备造作

2012年5月

课题摘要

非晶硅材料是国际公认的新一代高效，稳定的硅基薄膜太阳电池材料，pin结构因适于制备非晶硅太阳能电池而成为当前研究的一个热点。

非晶硅硅薄膜的制备技术有很多，包括电子束蒸发，反应溅射，低压化学气相淀积，辉光放电等离子体化学淀积以及光化学气相淀积和电子回旋共振等离子体化学气相淀积技术等。

本课题采用常规七室独立辉光等离子体增强化学气相沉积技术成功制备衬底为pin结构的非晶硅太阳能电池。

并分析了非晶硅太阳能电池的结构及影响电池性能的原因，重点分析了非晶硅太阳能电池的发电技术，为提高pin型非晶硅电池的效率奠定了实验基础。

本课题主要分析内容如下：

分析了太阳能电池的发展和利用技术。

系统分析了非晶硅太阳电池的结构及原理。

介绍了CVD技术的发展和应用，主要分析了PECVD设备技术。

分析了光伏发电系统的发展前景及应用。

关键词：

非晶硅，薄膜，等离子体增强化学气相沉积，pin结构，光伏发电

Abstract

Amorphoussiliconmaterialsarerecognizedinternationallyasanewgenerationofhighlyefficient,stablesilicon-basedthinfilmsandsolarcellsmaterials.PINstructureisboundtobecomeahottopicofcurrentresearchbecauseofbeingsuitableforthepreparationofamorphoussiliconsolarcells.Thereisagreatdealofpreparationtechnologyofamorphoussiliconthinfilms,includingplasmachemicalvapordeposition,likeelectronbeamevaporation,sputtering,chemicalvapordeposition,andglowdischarge,photochemicalvapordepositionandplasmachemicalvapordepositiontechnology,suchaselectroncyclotronresonance.Thispaperadoptsconventionalsevenchamberindependentglowdischargeplasmaenhancedchemicalvapordepositiontechniquewhichhasbeensuccessfullypreparedfortheamorphoussiliconsolarcellwiththesubstrateofpinstructure.Thisthesismakesananalysisofthestructureofamorphoussiliconsolarcellandreasonsforaffectingbatteryperformance.Itfocusesontheanalysisofamorphoussiliconsolarcellpowergenerationtechnology,whichlaysafoundationofexperimentalbasissoastoimprovetheefficiencyofthepintypeamorphoussiliconsolarcells.Themainlyanalysesofthispaperareasfollows:

ananalysisofthedevelopmentandutilizationtechnologyofsolarcells;asystematicanalysisofthestructureandprincipleofamorphoussiliconsolarcells;anintroductionofthedevelopmentandapplicationofCVDtechnology,especiallyaprimaryanalysisofPECVDequipmenttechnology;ananalysisofthedevelopmentandapplicationofphotovoltaicpowergenerationsystem.

Keywords:

AmorphoussiliconfilmsplasmaenhancedchemicalvapordepositionPINstructurePhotovoltaicpowergeneration

目录

第一章绪论…………………………………………………………………………………………4

1-1选题背景及意义……………………………………………………………………5

1-2非晶硅薄膜太阳电池的发展……………………………………………………………5

1-3非晶硅薄膜太阳电池的应用前…………………………………………………………6

1-4非晶硅薄膜太阳电池有待解决的问题………………………………………………7

第二章理论基础………………………………………………………………………………8

2-1太阳能光伏发电简介…………………………………………………………9

2-2太阳电池等效电路图…………………………………………………………9

2-3非晶硅薄膜太阳电池的结构………………………………………………………9

2-4太阳能电池的特征参数………………………………………………………9

第三章介绍CVD技术…………………………………………………………………………10

3-1CVD的发展技术…………………………………………………………………………10

3-2CVD技术的分类………………………………………………………11

3-3CVD的适用范围……………………………………………………………………11

第四章介绍PECVD技术……………………………………………………………………11

4-1PECVD基本概念……………………………………………………………12

4-2PECVD设备俯视图………………………………………………12

4-3PECVD设备的原理…………………………………………………………12

4-4PECVD设备清洗和检漏……………………………………………………13

第五章总结与展望…………………………………………………………………………14

5-1综述非晶硅太阳能电池的原理及发电部分的结构……………………………15

5-2光伏发电的前景展望……………………………………………………………15

致谢………………………………………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………………………………………16

附录A设备图片………………………………………………………………………………17

附录B气路系统图…………………………………………………………………………17

第一章绪论

1-1选题背景及意义

能源是人类社会发展的动力，是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。

目前广泛使用的常规能源（主要是媒石油天然气等化石能源）有限，且多年过度的开发利用已造成严重的环境问题，制约着经济和社会的发展。

资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到21世纪80年代，石油、天然气资源将枯蝎。

到22世纪20年代，煤资源将被耗尽。

能源问题日益严峻地摆在人类的面前。

可再生能源主要包括风能、水能、太阳能、地热能、核能等。

但风能、水能、地热能等都有自身的局限性。

对于核能来说，它的和平利用虽然为人类缓解能源危机做出了贡献，但对环境的潜在威胁不容忽视。

太阳能作为人类活动的新能源，有着得天独厚的优势。

在各种可再生能源中，太阳能覆盖面积广，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是一种清洁能源，使用过程中不会产生任何负面问题，具有广泛的应用前景。

充分开发和利用太阳能，己成为世界各国政府实行可持续发展能源的战略决策。

而在太阳能的利用中，太阳电池发电最受瞩目。

由于太阳能电池发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、无机械转动部件等独特优点，尤其是可在用电现场发电，与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的组成部分，也是近年来发展最快，最具活力的研究领域之一。

太阳能电池的出现使我们看到了解决间题的希望。

太阳电池的发电原理是基于光伏效应（PhotovoltaicEffect，亦缩写为PV），由太阳光的光量子与半导体材料相互作用而产生电动势，也就是光和材料相互作用直接产生电能，是对环境无任何污染的可再生资源。

因此，大阳能电池被认为是解决这两个问题的最好的途径。

1-2非晶硅薄膜太阳电池的发展

自1974年人们得到可参杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。

1976年，RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，采用了金属-半导体和p-i-n两种器件结构，当时的转换效率不到1%。

1977年，Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。

1978年，集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。

1980年，ECD公司做成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池，采用的是金属-绝缘体-半导体结构，同年，日本三洋公司向市场推出了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。

1981年，开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。

1982年，市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器，收音机等商品。

1984年，开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。

20世纪80年代中期，我国非晶硅电池研究形成了高潮，分布在高等学校和研究机构中的三四十个研究组从事非晶硅电池的研究，并且取得了很好的进展，受引进技术影响，2000年，以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池研究被列入国家重点基础研究发展计划。

我国非晶硅电池产业发展迅猛，天津津能公司2006年在原有年产2.5MW非晶硅薄膜太阳能电池生产能力的基础上，再增加了一条5MW电池生产线，并在未来3年持续投入，至2010年具备年产30兆瓦电池生产能力及20兆瓦组件封装能力。

山东威海蓝星泰瑞光电公司一期工程已建成一条5MW非晶硅薄膜电池组件生产线和一条BIPV生产线。

二期工程将于2008年建成，届时生产能力将扩大至25MW。

三期工程计划于2010年建成，扩大产能至100MW。

深圳市创益公司规划从2006年到2010年，分三期建成拥有年产100至150兆瓦太阳能薄膜电池生产能力的太阳能产业化基地。

而且还有许多计划投资硅薄膜电池制造的公司。

总之，我国硅薄膜电池产业已经初具规模，“十一五”期间是快速发展期。

在未来几年内，我国在薄膜电池领域将会出现位于国际前列的硅薄膜电池制造企业，使我国成为国际光伏大国之一。

1-3非晶硅薄膜太阳电池的应用前景

光伏发电已逐渐从解决特殊领域供电转向常规能源的一种重要补充,并以分散的形式进入电力市场。

由于可持续发展战略和环境保护的需要，将来光伏发电必将部分取代常规能源。

我国特别适合太阳能电池应用的领域和场合如下：

①太阳能发电站

随着a-Si太阳能电池板光电转化效率的提高以及制作成本的降低,在我国阳光充足的地区,特别适合发展太阳能。

太阳能发电站到用电区域的输电线路短,因此发展太阳能电站尤其适合目前中西部电网尚不发达的地区，以解决西部农民用电、用水问题。

②建筑物太阳能电池幕墙和生态屋顶

太阳能在解决和补充民用供电方面具有特别的适合性。

家庭用电和单位办公用电都有可能通过太阳能发电得到部分或全部解决。

若在建筑物上普遍地采用太阳能电池幕墙和生态屋顶，将会大大地缓解用电紧张状况。

太阳电池幕墙不仅可以发电，而且还可作为建筑的外墙装饰。

③城市太阳能路灯及公交站台照明

城市路灯和公交站台的照明不仅耗费电能,而且照明系统的投资和维护费用也是很大的。

使用a-Si薄膜太阳能电池板不需要庞大的发电设备，也不需要长距离的输电线路，其直接经济效益和间接经济效应是极其可观的。

④西北沙漠地区的绿化灌溉电力

若从根本上改善我国的西北地区的生态环境，必须搞好绿化。

绿化的重要条件是解决水的问题。

架设输电线路为抽水电机供电，投资巨大。

如果采用薄膜太阳能电池板发电，其投资将大幅度减低。

1-4非晶硅薄膜太阳电池有待解决的问题

a-Si太阳能电池开发有待解决的主要问题是：

（1）提高转换效率；

（2）提高稳定性或可靠性；

（3）扩大批量生产规模。

提高转换效率是降低电力成本的主要手段。

a-Si光伏器件最通用的结构是p-i-n型的单结电池，也有采用n-i-p结构的。

目前通过改善p层、p/i界面层和i层的性质，采纳沉积p/i界面层和i层的新方法，已使单结a-Si电池转换效率达到13.2%，几乎达到a-Si:

H材料的极限。

但是,由于光衰现象,商品化的单结a-Si电池一般只有大约5%的稳定转换效率，因此为进一步提高效率,必须采纳多结电池结构，多结电池的理论转换效率比单结电池的高出许多，理想的三结电池的理论极限约为43%,而理想的单结电池的只有29%。

目前尽管a-Si:

H制备工艺已经基本成熟，然而决定它在能源生产中的关键因素是它在效率上的长期稳定性。

a-Si长期在强光辐照下其光电导率和暗电导率下降，经160℃的温度进行热处理，又恢复到原来的数值，这就是所谓的Staebler-Wronski效应。

正是由于这个效应使太阳能电池或其组件产生光衰，出现转换效率的不稳定。

不同研究组对光致衰退已提出多个模型，虽然见解不一,但共同点是都认为光致衰退与硅薄膜中氢的含量有关。

实验中已采取了一些可以避免或缓解光致衰退的措施。

第二章理论基础

2-1太阳能光伏发电简介

1839年法国物理学家贝克勒尔发现光生伏打效应（光电效应的一种）。

1879年美国发明家爱迪生发明电灯，成功地实现电光转换，从而给人类带来了光明。

1905年爱因斯坦用光量子概念解释光电效应，在理论上证实光可转换成电。

太阳能光伏发电是一种把太阳照射的光能直接转化为电能的方法。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源。

据估算，地球上每年接收的太阳能，相当于人类每年燃烧所有燃料获得能量的3000倍，人类只要利用好太阳能就可满足自身的能源需求，而且可避免燃烧废料获得能量带来的环境问题。

太阳能发电是理想、环保、有前途的发电方法，大力开发利用太阳能是21世纪的高新技术。

光伏发电是利用光生伏特效应，使太阳光辐射能转变成电能的发电方式，是当今太阳光发电的主流。

太阳光发电是无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电

光伏效应就是当物体受到光照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

早在1839年，法国物理学家贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，在受到阳光照射时会产生额外的伏特电势，他把这种现象称为光生伏特效应。

后来有人发现当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，如果使PN结短路，就会产生电流。

人们把能够产生光生伏特效应的器件称为光伏器件。

由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。

太阳电池光生伏特效应的物理基础是：

①半导体吸收光子产生e-h对，②已产生的e-h对在半导体内运动，先是靠扩散，扩散至pn结内建电场边沿处，③内建场把e-h对分开。

在内建场作用下，电子和空穴分别漂移到n边和p边，使p边积累空穴，n边积累电子，产生新的电场---光生伏特（光生电动势、光生电压）。

2-2太阳电池等效电路图

它由1个pn结、1个恒流源与1个并联电阻相并联再与1个串联电阻相串联的电路。

在电池的串联电阻很小及并联电阻很大的理想情况下，可以忽略Rsh和Rs的影响，这时等效电路变为一个pn结与恒流源相并联的简单电路

2-3非晶硅薄膜太阳电池的结构

透光玻璃，透明导电薄膜，发电部分，氧化锌，铝膜，背板玻璃几部分组成

即pin三层是太阳能的发电部分。

p层作为pin结构非晶硅太阳能电池的窗口层，沉底气体为硅烷和磷烷,i层为本证层，沉底气体为硅烷，n层为结尾层，沉底气

体为硅烷和硼烷。

2-4太阳能电池的特征参数

对于太阳能电池的输出特性，只需用四个参数即可完整地表示其基本特征，它们是短路电流密度Jsc，开路电压Voc，填充因子FF，和转换效率η

短路电流密度（Jsc）：

将太阳能电池短路，稳定时所测得的电流称为短路电流。

开路电压（Voc）

开路电压是太阳能电池所能给出的最大电压

填充因子（FF）

将最大输出功率Pm与UocIsc的乘积之比定义为填充因子FF，则：

填充因子表示最大输出功率占以Isc和Voc为边长的矩形面积的比例。

填充因子为太阳电池的重要表征参数，FF越大则输出的功率越高。

FF取决于Voc和温度T。

转换效率（η）

太阳电池的转换效率定义为最大输出功率Pmax与输入功率之比，即：

第三章介绍CVD

3-1CVD的发展技术

古人类在取暖或烧烤时在岩洞壁或岩石上的黑色碳层，20世纪50年代主要用于道具涂层，20世纪60-70年代主要用于集成电路，80年代低压CVD成膜技术成为研究热潮，近年来PECVD,LCVD等高速发展。

3-2CVD技术的分类

CVD技术主要分为低压CVD（LPCVD）;常压CVD（APCVD）;亚常压CVD（SACVD）;超高真空CVD（UHCVD）；等离子体增强CVD（PECVD）;高密度等离子体CVD（HDPCVD）;快热CVD（RTCVD）；金属有机物CVD（MCOVD）.

3-3CVD沉积原理

CVD定义：

指使一种或数中物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术

沉积原理：

用CVD法沉积硅薄膜实际上是从气相中生长晶体的物理-化学过程，是一个比较复杂的过程。

大致可分为以下几步：

反应物分子通过输运和扩散到衬底表面。

反应物分子吸附在衬底表面。

吸附分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，形成晶核。

晶核生长-晶粒聚结-缝道填补-沉积膜生长。

3-4CVD适用范围

3-4-1电子技术方面的应用

在半导体器件和集成电路的基本制造流程中，有关半导体膜的外延，P-N结扩散元的形成，介质隔离和金属膜的沉积等，在现代微电子技术中占主导地位。

在超大规模集成电路中，化学气相沉积用来沉积多晶硅膜，铅膜金属硅化物，氧化硅膜以及氮化硅膜等，这些薄膜材料可以用作多层布线的层间绝缘膜，金属布线，电阻以及散热材料等。

3-4-2切削工具方面的应用

用CVD涂覆刀具能有效地控制在车，铣和钻孔过程中出现的磨损，如我们应用的硬质合金刀具和高速钢刀具，特备是车床用的转位刀片，铣刀，刮刀和整体钻头等。

使用的涂层为高耐磨性的碳化物，卤化物和硼化物等涂层，如刀具上广泛使用的是TIN涂层。

3-4-3机械零件方面的应用

在许多特殊环境中使用的材料往往需要有涂层保护，以使其具有耐磨，耐腐蚀，耐高温氧化和耐辐射等功能。

SiC,Si3N4,等硅系化合物是最重要的高温耐氧化涂层。

这些涂层在表面上生成致密的二氧化硅薄膜，起着阻止氧化的作用。

3-4-4光学领域的应用

在光学领域中，金刚石薄膜被称为未来的光学材料，它具有波段透明和极其优异的抗热冲击，抗辐射能力，可用作大功率激光器的窗口材料，导弹和航空航天装置的球罩材料等。

金刚石薄膜还是优良的紫外敏感材料。

第四章介绍PECVD技术

4-1PECVD基本概念

PECVD的名称

PECVD（plasma,enhanced,chemical,vapor,deposition）等离子增强化学气相沉积。

等离子是物质的第四态，它是由电子离子等带电粒子及中性粒子组成的混合气体，宏观上表现出电中性，即正负离子的数目基本相等。

化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。

4-2PECVD设备结构府视图

设备组成：

它有七个腔室，一个载片室，一个加热室，中央转移室，射频电源，气路控制系统，真空泵组，电器控制系统，加热装置系统，冷却系统，尾气处理系统，匹配器及辅组设备。

视图如下：

4-3PECVD设备的原理

制备非晶硅的方法有辉光放电法、真空蒸发法以及溅射法等等。

用辉光放电法沉积的非晶硅薄膜在隙态密度上可比用其他方法沉积的薄膜低几个数量级，因此辉光放电法是制备非晶硅常用的一种方法。

辉光放电法是利用气相化合物的等离子体反应在低温衬底上淀积固体薄膜的一种材料制备方法，又称等离子体强化化学气相淀积，即PECVD（plasmaenhancedchemicalvapordeposition）．在低真空条件下，利用硅烷等气体，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度，可以在常温至350℃条件下，化学气相沉积非晶硅薄膜。

在辉光放电的低温等离子体内，“电子气”的温度比普通气体的平均温度高10～100倍，即反应气体可以接近环境温度，而这时的电子能量足以使气体分子键断裂并导致化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团）的产生，使本来需要在高温下进行的化学反应由于反应气体的电激活而大大降低了反应温度，也就是反应气体的化学键在低温下就可以分解。

所产生的活化分子、原子基团之间相互反应最终沉积在衬底上生成薄膜。

PECVD设备系统原理图如下：

调节气体排出速率，反应室的总气压达到所要求的值。

两个电极加上电压时，由阴极发射出的电子从电场中得到能量，与反应室中的气体原子或分子碰撞，使其分解，激发或电离。

产生辉光，且在反应室中形成很多电子，离子活性基以及亚稳态的原子和分子等。

经过一个复杂的物理，化学反应过程，就会沉积在衬底表面形成薄膜，并且薄膜性能随具体的沉积条件而变。

4-4PECVD设备说明

PECVD设备概括：

非晶硅薄膜的光电性质强烈依赖于制备的工艺参数，如气压，衬底温度，气体流量，电源功率等条件，只有严格控制好工艺条件，才能得到质量良好的非晶硅薄膜。

利用单反应腔来制备非晶硅太阳能电池时，由于要连续淀积不同掺杂原子的P层和n层，这样，反应腔内壁和电极上残存的杂质很难避免不掺入所制造的太阳能电池中，造成交叉沾污，得到的太阳能电池的重复性和性能都不好。

为了避免这种情况，研究者发展了一种多反应腔装置，非晶硅太阳能电池的p-in各层分别在专用的反应腔内沉积，因此没有残存杂志的污染，能