太阳能光伏电池综述.docx

1、太阳能光伏电池综述太阳能光伏电池综述.txt根网线尽赚了多少人的青春有时候感动的就是身边微不足道的小事。破碎不是最残酷的 最残酷的是踩着这些碎片却假装不疼痛 固执的寻找将来就算我遇见再怎么完美的人,都有一个缺点,他不是你,_下辈子要做男生，娶一个像我这样的女生。 本文由zfmfns0646贡献 本文由ed4wj9d4l8贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 信息 记录材料 第 年 卷 第 期 综 述 太 阳能 光 伏 电池 综 述 成 志秀 ，王晓丽 （ 中国乐凯胶片集 团公 司，保定 ） 摘 要 ： 几年来 ， 近 由于能源减少 和环境污

2、 染的双 重压 力 ， 得 光伏产 业迅猛 发展。详细叙述 了薄膜 光伏 电池 使 的发 展历程、 类和 光伏 电池的制备工艺 ， 种 以及 薄膜 光伏 电池产业发展的瓶颈 问题 ， 并对光伏 产业进行 了展望。 关键 词 ：太 阳能 ；光伏效应 ；光伏 电池 ；薄膜 中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ： 一 【 前言 释放 包括 二氧 化 碳在 内的任 何 气体 ，是 对 环境 无 污 染 的可再 生 能源 。这 对改 善 生 态环 境 、缓解 温 室 气 人类在 世纪面对的最大困难是什么？答案是 体的有害作用具有重大意义。因此太阳能 电池有望 不可再 生 能 源 的 日渐 减 少

3、和环 境 污 染 的 日益 严 重 。 成为 世纪 的重要新能 源 。 目前一 些发 达 国家采 用 太 阳能 电池 发 出 的 电并 人 电 网 的措施 ，既 能 部分 平 如何解决 这一 对难 题 成 为 困扰 世界 经 济 发展 的首要 任务。各种可再 生能源 的优越性 日渐突出。于是， 衡高峰 用 电 ，又 可 省去 储 电 的费 用 。太 阳能 发 电 系 统一般没有发 电机具有的转动部件 ，所 以也不会产 人们 将 目光纷纷投 向了太 阳。 不容易损坏。太阳能发电装置规模可大可 太 阳时 时刻 刻都 在 向地球 发 送 着能 量 ，并 且 这 生噪音 ， 种能量 是取 之 不尽 ，

4、用 之不 竭 的。如果 仅 仅将 太 阳 小，小的可以是数瓦或数十瓦 ，如便携式太阳能手 发射 到地 球 的总辐 射 功率 换 算成 电功率 ，可 以高达 电筒和太 阳能 手机 充 电器 ，大 的可 以是数 兆 瓦或 数 千瓦 ，比 目前全 世界 平均 消费 电力 还要 大 十兆瓦，例如大型发电站等。 数亿倍 。太 阳能不但数量巨大，而且源于太 阳的各 种 绿色 能 源 ，如 ：风能 、潮 汐 能 、生物 质 能 、水 力 光伏电池简介 能都属于可再生能源，只要有太阳的存在 ，能源就 作 为太阳能 电池工作基本 原理 的光 伏效应 （ 像 阳光 一样 源 源不 断 。太 阳能 的 利用 有很

5、多 种 ，可 缩写 ）是 年被发现 的。 由太 阳 以利用 光 的热 效 应 ，将 太 阳辐 射 转化 成 热 能 ；也 可 光的光量 子与材料 相互作用 而产生 电势 ，从 而把光 的 以利用光的伏特效应 ，将太阳辐射直接转换成 电能 能量转换成电能 ，此种 进行能量转 化 的光 电元件称 为 等。在太 阳能 的有 效 利用 中 ，太 阳能 的光 电利 用 成 太 阳电池 （ ，也 可 称 之为 光 伏 电池 。 ） 为近些年 发 展最 快 、最 具 活 力 的研 究 领域 。 太 阳能 年 实验室研发出第个太阳能电池，不过由于效 率 太低 ，造价太高 ，缺乏商 业价值 。随 着航天技 术

6、的 太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接 发展， 使太阳能电池的作用不可替代，太阳能电池成 产 生电能 ， 不需要消耗燃料和水等物质 ， 使用 中不 为太空飞行器 中不可取代 的重要部 分。 年 月发 收 稿 日期 ： 电池 的研究 发展也 日益迅速起来 。 射的美 国 锄 号上首次装设 了太 阳能 电池。 年 月苏联发射的第 颗人造卫星上也开始装设 太阳能电池 。到 年美国人 登陆月球 ，这使得太 阳 作者简介 ：成志秀 （ ，女 ，工程师 ，主要 从事膜 一） 林科方面的研究。 硼 能电池 的发展达到 了第 个巅 峰期 。此后 ，几乎所 有 其最 大 的特 点是 在降 低成 本方 面有

7、 很 大 的优 势 ，便 发射的人造 天体 上都 装设 太 阳能 电池 。加 世 纪 年 于 大面 积连 续生 产等 优点 。其 应用 市 场 ，一 是 弱光 电池市 场 ，二是 功率 型应 用市 场 。 下 图是 一般 太 阳能组 件结 构 ： 石油供应 中断 ，出现 了 “ 能源 危机 ” ，人 们 开始认 识 代初期 ，由于 中东 战争 ，石油禁运 ，使 得工业 国家 的 到不能长期依靠传统能源。特别是近年来地面能源面 临 的矿物燃料 资源 的减少 与环境污染 的 问题 ，于是 太 阳能 电池 的 应 用 已被 提 上 了各 国政府 的议 事 日程 。 以后 ，太阳能的发展 开始与 民用

8、 电相结合 ， 年 “ ” （ 与市 电并联 型太 图 一 般 太 阳能 组 件 结构 阳能 电池发 电系统 ）开始推广 ，太 阳能 电池不 断有 新 的结构 与制造技术被研发 出来。 至今 太 阳能 电池 已经发 展到 了第 代 。第 代 据文献资料报导 ， 目前太 阳能电池 的光 电转换 率 ： 晶硅 为 ； 晶 硅 为 ； 晶 硅 为 单 多 非 太 阳能 电池包 括单 晶硅 和 多晶硅 种 ，工 业化 产 品 ； 为 ； 为 ； 多接 面 串 效率 一 般 为 一 ， 目前 可 工 业 化 生 产 、可 叠 型 （ ， 获 得利 润 的太 阳能 电池就 是指 第 代 电池 。但 是 由

9、 。 ） 于生产工艺等 因素使得该类 型的 电池生 产成本较 近年来 ， 伏 电池 产 业 发 展迅 速 。据 数 光 年 高 。第 代 太 阳能 电池是 薄膜 太 阳能 电池 ，其 成本 据分析 ， 各种太 阳能 电池 中硅 基太 阳能 电池 占总产量 的 ， 晶体硅 太阳能 电池 占总产量 的 ， 晶 多 低于第 ，可大幅度增加电池板制造面积 ， 代 但是 年 ， 界 太 阳 能 世 效率 不如第 。在将 来 的第 代 太 阳能 电池 应该 硅 太阳能 电池 占总量 的 。 代 其 占 具 有 以下 特征 ：薄 膜化 、高 效率 、原 材 料 丰 富和无 电池 总产量 ， 中 日本仍 居

10、首位 ， ， 世 界 总 产 量 的 ； 洲 为 ， 总 产 量 的 欧 占 毒性。可望实现的第 代电池效率的途径包括 ：叠 占总产量 的 ； 其他 ， 占 层 电池 、多 带 光 伏 电池 、碰撞 离化 、光 子 下 转换 、 ； 美国 ， 总产 量 的 。 年 ， 界 光 伏 市 场 安 装 量 世 热 载流 子 电池 、热离 化 、热光伏 电池等 。 ， 比 年增长 ， 中德 国安 装最 多 ， 其 为 太 阳能 电池 （ 光伏 ） 材 料 主 要 包 括 ：产 生 光 ， 比 年 增 长 ， 世 界 总 安 装 量 的 占 伏效应 的半导体材料、薄膜用衬底材料 、减反射膜 ； 欧洲 为

11、 ， 占总 世 界 安装 量 的 ， 日本 材料 、电极与导线材料 、组件封装材料等。其 中用 安 装 量 ， 幅 为 ， 世 界 总 安 装 量 的 增 占 来制作太 阳能 电池所用 的半导体材 料有元素半 导 ； 国安装 量为 ， 美 占世 界 总安装 量 的 ， 体 、化合 物半 导体 和各 种 固体溶 体 。从 半 导体 材料 其 他安 装 量 为 ， 占世 界 总安 装 量 的 。全 使用 的形 态来 看 ，有 晶片 、薄 膜 、外 延 片。按 化 学 球 光伏 电池 产量预测如 图 所 示 ， 中纵 坐标 表示 光 其 组成 及 产生 电力 的方式 ，太 阳能 电池 可分 为无 机

12、 太 伏 发 电占总发 电的百分 比。图 是 主要 生产 国近 阳能 电池 、有 机 太 阳能 电池 和 光 化学 电 池 大类 。 年来产 量变化趋势 图。据统计 ， 年世界 按形 态 分 可 以分 成 块 状 （ 光 伏 电池 和 薄 膜 太 阳能 电池 平均年增 长率在 。 ） （ 光伏 电池 大 类 。 ） 块状 （ ）光伏 电池一 般指 晶体 硅太 阳能 电 池 ，主要 包括 单 晶硅 、多 晶硅 。其 电池 发 电层 的厚 度一 般在 之 间。其 光 电转 化率 一 般 为 一 。 目前空 间用 的太 阳能 电池 中单 晶硅 电 池 占重要 地 位 ，在 今 后 几 十 年 内仍

13、具 有 重 要 地 位 。 薄 膜 （ 光伏 电池 ，主要 包 括 硅 薄 膜 型 、 ） 化合物半导体薄膜型以及新材料薄膜 型。其薄膜厚 度 一般 在 。非 晶硅 太 阳能 电池 是 世 纪 年代中期发展起来 的一种新型薄膜太 阳能电池 ， 图 全球光伏 电池产量预测 图 啊一 信息记录材料 年 第 卷 第 ！ 期 综 述 电池 的单 体 片就制 成 了 。单 体 片经 过抽 查 检验 ，即 可按 所需 要 的规格 组装 成太 阳电池组 件 （ 阳 电池 太 板） ，用 串联 和并 联 的方 法 构 成一 定 的 输 出 电 压 和 电流 。最 后 用框 架和 组装 材料 进行 封 装 。用

14、 户根 据 系统设计 ，可将太阳能电池组件组成各种大小不 同 的 太 阳能 电池方 阵 ，亦称 太 阳能 电池 阵 列 。 目前 单 晶 硅太 阳 电 池 的光 电转 换 效 率 为 左 右 ，实 验 室 成果 也有 以上 的。 来 源 ：成都证券 研究所 图 近 年 主要生产 国家产量变化趋 势 单 晶硅 太 阳能 电池 的生 产需 要 消耗 大量 的高纯 硅 材 料 ，而制 造这 些材 料工 艺 复杂 ，电耗很 大 ，在 太 阳能 电池 生 产 总成 本 中 己超 。加 之 拉 制 的单 晶硅 棒呈 圆柱 状 ，切 片 制作 太 阳能 电 池也 是 圆 片 ， 块状光伏 电池 块状 光伏

15、电池 一 般指 晶 体硅 光伏 电 池 ， 目前 是 市场 上 的主导 产 品 。晶体硅 光伏 电池按 材 料 形态 主 要分 为单 晶硅 太 阳电池 和多 晶硅 太 阳 电池 。其 中单 晶硅 太 阳电池 在 太 阳 电池 中研 究 最 早 、 先 进 入 应 最 用 。晶体硅 光伏 电池 以硅 半导 体 材料 制成 大 面 积 的 结进 行 工作 。一 般 采 用 同质结 的 结 构 ， 即 在 见方 的硅 片 上 用扩 散 法 制 作 出一 层 很 薄 的 经过 重掺 杂 的 型 结 ， 后 在 型 结 上 面制 作 金 属 然 栅线 ， 为正 面 电极 。在 整个 背 面 也制 作金

16、属 膜 ， 作 作 为背 面欧 姆接 触 电极 。这样 就形 成 了晶体 硅 太 阳 电 池 。为 了减少 光 的反 射 ， 般 在 整 个 表 面 上 再 覆 盖 一 一 组成太阳能组 件平面利用率低 。因此 ， 年代 以 来 ，欧美 一 些 国 家 投 入 了 多 晶 硅 太 阳 能 电池 的 研 制。 多晶硅 太 阳能 电池 目前 ，太 阳能 电池使 用 的多 晶硅 材 料 ，多半 是 含 有大 量单 晶颗 粒 的集合 体 ，或用 废 次单 晶硅 料 和 冶金级 硅 材料 熔化 浇铸 而成 。其 工艺 过 程 是选 择 电 阻率为 ? 的多晶块料或单 晶硅头尾 料 ，经破 碎 ，用 ：

17、的 氢 氟 酸 和 硝 酸 混 合 液 进 行 层 减反 膜或 在硅 表 面制 作绒 面 。现分 述如 下 ： 单 晶硅 能太 阳电池是 当前 开发 得 最 快 的一 种 太 适 当的腐蚀 ，然后用 去离 子水 冲洗呈 中性 ，并 烘 干 。用石 英坩 埚装 好 多 晶硅 料 ，加 人适 量 硼 硅 ，放 人浇 铸炉 ，在真 空状 态 中加热熔 化 。熔 化 后 应保 温 约 ，然后 注 入石 墨 铸模 中 ，待 慢 慢 凝 固冷 却 后 ，即得 多晶硅 锭 。这 种硅锭 可 铸成 立 方体 ， 以便 切 片加 工成 方 形太 阳 电池 片 ，可 提 高材 制利 用 率 和 单晶硅 太 阳能

18、电池 阳能 电池 ，它 的结构 和生 产 工艺 已定 型 ，产 品 已广 泛 用 于空 间和地 面。这种 太 阳电池 以 高纯 的单 晶硅 方便 组装 。多 晶硅 太 阳能 电池 的制作 工 艺 与单 晶硅 棒为原 料 ，纯度 要求 。为 了降低生 产成 太 阳电 池 差 不 多 ，其 光 电转 换 效 率 约 左 右 ， 本 ，现在 地 面应用 的太 阳能 电池 等 采用 太 阳能级 的 稍低 于单 晶硅 太 阳能 电池 ，但是 材 料 制造 简 便 ，节 单 晶硅 棒 ，材 料性 能指 标 有所 放宽 。 有 的也 可使 用 约 电耗 ，总 的生 产成 本较 低 ，因此 得 到大量 发展

19、。 半 导 体器 件加 工 的头 尾料 和废 次单 晶 硅 材料 ，经过 复拉 制成 太 阳能 电池 专用 的单 晶硅 棒 。 将单 晶硅 棒 切成 片 ，一般 片厚 约 。硅 片 薄膜光伏 电池 薄 膜 （）光 伏 电池 ，其 薄 膜 厚 度 一 般 经过形 、抛磨、清洗等工序 ，制成待加工的原料硅 。其 中包括硅 薄膜 型 （ 主要包 括 多晶 片 。加 工 太 阳能 电池 片 ，首 先要 在硅 片上 掺杂 和 扩 在 、化 合 物 半 导 体 薄膜 型 （ 主 散 ，一 般 掺杂 物为 微量 的硼 、磷 、锑 等 。扩散 是 在 硅 、非 品硅 和微 晶硅 ） ： ， ： ， 石英 管制

20、 成 的高温 扩散 炉 中进行 。这样 就 硅 片上 形 要包 括 非 结 晶 型 （ 、 ，等 ） 、 成 结 。然 后 采 用 丝 网印 刷 法 ，精 配 好 的 银 浆 ： 等 ） 族 （ 系 、新 材 料 印在 硅 片上 做 成 栅 线 ，经 过 烧 结 ，同 时 制 成 背 电 族 （ ） 和磷 化 锌 （ ） 等 ） 极 ，并在 有 栅线 的 面涂覆 减 反射 源 ，以防 大量 的 光 薄膜 型电池 （ 主要包 括 聚合 物薄膜 太 阳能 电池 和 染 子 被光 滑 的硅 片表 面反射 掉 。 因此 ，单 晶硅 太 阳能 料 敏 化太 阳能 电池 。 ） 硼 多晶硅薄 膜光 伏 电

21、池 典型 硅薄 膜光 伏 电池基 本结 构示 意 图 ： 射法 、化学 气 相沉 积法 、电子束蒸 发 法 和热 分 解硅 烷法 等 。 辉光 放 电法是 将一 石英 容器 抽 成 真空 ，充 人 氢 气 或氩气 稀 释 的硅 烷 ，用射 频 电源 加 热 ，使硅 烷 电 图 典型硅薄膜光伏电池基本结构示 意图 从 年代 中期 人 们 就 已 经 开始 在 廉 价 衬 底 上 沉 积多 晶硅 薄膜 ，但 由于生 长 的硅 膜 晶粒 太小 ，未 能制成 有价 值 的太 阳 能电池 。 目前 制备 多 晶硅薄 膜 电池 多采用 化 学气 相沉 积法 ，包 括 低压 化 学气 相 沉 积 （ ） 和

22、 等 离 子 增 强 化 学 气 相 沉 积 （ ） 工 艺 ，另 外 还 有 液 相 外 延 法 （ ） 和溅 射沉 积法 。 化学气 相沉 积主要 是 以 、 、 或 ，为反应气体 ，在一定 的保护气氛下反应生 成硅 原子 并 沉积 在加 热 的衬底 上 ，衬 底材 料 一 般选 用 、 、 等 。但 是 ，在 非 硅 衬 底 上 很 难 ： 形成 较 大 的晶粒 ，并 且容 易在 晶 粒 间形 成 空 隙 。解 决 这一 问题 办 法 是 先 用 在 衬 底 上 沉 一 层 较 薄 的非 晶硅 层 ，再将 这层 非 晶硅 层退 火 ，得 到较 大 的晶粒 ，然 后 再 在 这 层 籽 晶

23、上 沉 积 厚 的 多 晶硅 薄 膜 ，这 就是 再结 晶技 术 ， 目前 采 用 的技 术 主要 有 固 相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采 用 了再 结 晶工 艺外 ，另 外采 用 了几乎 所 有 制备 单 晶 硅光伏 电池 的技术 ，这样制得的光伏电池转换效率 明显 提高 。 液相 外延 （ ） 法 的原 理 是通 过 将 硅 熔融 在 母 体 里 ，降低 温度 析 出硅膜 。 由于 多 晶 硅 薄 膜 电池 所 使 用 的 硅 远 较 单 晶硅 少 ，又无 效率 衰退 问题 ，并 且可 以在廉 价 衬 底 材料 上制 备 ，其 成本 远低 于单 晶硅 电池 ，而 效率 高 于

24、非 晶硅 薄膜 电池 。 因此 ，多 晶硅 薄 膜 电池将 成 为薄 膜 太 阳能 中发 展速 度最 快 的 。 非晶硅 薄膜 太 阳能 电池 非 晶硅 太 阳 电池 是 年 出现 的新 型 薄 膜 太 阳能电池 ，它与单 晶硅和多晶硅太 阳能电池的制作 方 法完 全 不 同 ，硅 材料 消耗 少 、电耗 低 。制 造非 晶 硅太 阳能 电池 最 常见 的方 法有 辉光 放 电法 、反 应溅 离 ，形成等离子体 。非 晶硅膜就沉积在被加热 的衬 底上 。若 硅烷 中掺 人适 量 的氢化 磷 或 氢化 硼 ，即可 得 到 型或 型 的非 晶硅 膜 。衬底 材料 一般 用玻 璃 或 不锈钢 板 。

25、这种 制备 非 晶硅薄 膜 的工艺 ，主要 取 决 于严格 控制 气 压 、流速 和射 频功 率 ，对 衬 底 的温 度 的要 求也 很严 格 。 非 晶硅 太 阳能 电池有 各种 不 同 的结 构 ，其 中有 种经 典 的结构 叫 型 ，它 是在 衬 底上 先 沉积 一 层 掺磷 的 型 非 晶硅 ，再 沉 积 一 层 未 掺 杂 的 ， 层 然 后再 沉积 一层 掺 硼 的 型非 晶硅 ，最 后用 电子束 蒸发一层减反 射膜 ，并蒸镀 银 电极。此种 制作 工 艺 ，可 以采用一 连 串沉 积室 ，在 生产 中构 成连 续 程 序 ，以实 现大 批量 生产 。同时 ，非 晶硅 太 阳能 电

26、池 很薄 ，可 以制 成叠 层式 ，或 采用 集成 电路 的方 法 制 造 ，在一个平面上 ，用适当的掩模工艺 ，一次制作 多个 串联 电池 ，以获 得较高 的 电压 。 非 晶硅 可 以 生 长 在 很 薄 的 不 锈 钢 和 塑 料 衬 底 上 ，制备 出超轻 量级 的太 阳能 电池 。这种 电池具 有 很 高 的电功 重 量 比 ，首 先 被 用 在 太 阳 功率 飞机 上 ，并在 年 完 成 了 首 次跨 越美 国 的飞 行 ，创 造 了太 阳功 率 飞行 的新记 录 。 目前 ，非 晶硅太 阳能 电池 存 在 的 问题 是光 电转 换 效率 偏 低 ，国 际 先 进 水 平 为 左 右 ，且 不 够 稳定 ，常有转换效