太阳能硅光电池工作原理及其器件应用初稿定稿.docx

1、太阳能硅光电池工作原理及其器件应用初稿定稿太阳能硅光电池工作原理及其器件应用初稿定稿(伴随着经济的发展，很多矿产资源的开发利用即将枯竭，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能是可再生能源，它资源丰富，可免费使用，无需运输，对环境无任何污染，为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。现在人们对太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。从本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶

2、体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。 本文主要研究太阳能的光电利用：首先阐述了光伏技术的发展历史、国内外发展现状、工作原理及其制造工艺、器件种类、器件应用场合、应用前景，重点在于阐述了光伏电池工作原理和制造工艺。 太阳能硅光电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，发电的实质就是光子能量转换成电能。 绪论 本论文讲述了太阳能硅光电池的发展历史，各国使用太阳能电池的进展，主要论述了太阳能硅光电池的工作原理，制作工艺及流程，实

3、例应用。综述了太阳能硅光电池将会给人们带来的各种益处，使用太阳能硅光电池是人类解决能源危机的必然选择。 文摘 英文文摘 1绪论 1.1课题背景 1.2太阳能发展历史 1.3全球太阳能电池产业现状 1.4太阳能硅光电池基本原理简介 1.5论文内容概述 2太阳能硅光电池电池的基本原理 2.1太阳能硅光电池的种类 2.2太阳能硅光电池电池的物理基础 2.2.1原子的能级 2.2.2晶体结构 2.2.3固体的能带理论 2.2.4本征半导体和掺杂半导体 2.2.5电子和空穴的输运 2.3.1p-n结的形成及内场的建立 2.3.2电池的效率 2.4章小结 3太阳能硅光电池的制作过程和制作工艺 3.1半导体

4、材料的选择 3.2半导体薄片的表面准备 3.3制结 3.4除去背结 3.5制作上电极 3.6光刻 3.7制作下电极 3.8制版 3.9铟镓砷/铟磷异质结光电池的研究 3.10本章小结 结论 致谢 参考文献 课题背景:我国太阳电池应用领域在不断扩大，已涉及农业、牧业、林业、交通运输、通讯、气象、石油管道、文化教育及家庭电源等诸多方面，光伏发电在解决偏僻边远无电地区供电及许多殊场合用电上已起到引人注目的作用。但从总体的应用技术水平和规模上看，与工业发达国家相比仅有很大的差距，主要问题是光伏系统造价偏高、系统配套工程装备没有产业化、应用示范不够和公众对太阳电池应用的巨大潜力缺乏了解以及系统应用仅限于

5、独立运行，还没有并网运行和与建筑业结合。因此，有必要加强太阳电池应用技术研究和示范，推进产业化，拓宽应用领域和市场。 20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段 在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物

6、槽镜组成的太阳能水泵，2每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m。 在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。 在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1955年，以色列

7、泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了

8、很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。 自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于

9、是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。 1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电他生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财

10、力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。 1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。 这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有

11、的大发展时期，具有以下特点： （1）各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。 （2）研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。 （3）各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事

12、实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。 （4）太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想 70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削

13、弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。 由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言，2I世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系

14、列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。 世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21世纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要（1996- 2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实

15、施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言，会上讨论了世界太阳能10年行动计划（1996- 2005），国际太阳能公约，世界太阳能战略规划等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加

16、大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。 据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球有将近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。 目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模

17、开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国还推出了太阳能路灯计划,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太阳能7万套工程计划， 日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的尤里卡高

18、科技计划，推出了10万套工程计划。 这些以普及应用光电池为主要内容的太阳能工程计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。 日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始，花4年时间完成。 目前,美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。 美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰

19、居于领先地位。 20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资, 1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。 我国太阳能电池产业现状 我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委

20、光明工程将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 2002年，国家有关部委启动了西部省区无电乡通电计划，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线,年生产能力约为4.5MW,其中8条生产线是从国外引进的,在这8条生产线当中,有6条单晶硅太阳能电池生产线,2条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测,目前我国光伏市场需求量为每年5MW,20012010年,年需求量将达10MW,从201

21、1年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25左右。在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有保定英利新能源、无锡尚德、开封太阳能电池厂、云南半导体器件厂、秦皇岛华美光伏电子、浙江中意太阳能、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在120MW以上。 太阳电池如图一是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。 图

22、 一 它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 如图二所示。 图 二 用文字图描述如下： 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 2 当光线照射到硅光电池上时，电池吸收光能，产生光生电子一空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的二端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是“光生伏特效应”。

23、若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有光生电流流过，从而获得功率输出。这样，近太阳光线的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 2.1太阳能硅光电池的种类 硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。出现了很多太阳能新型电池 （1）背表面电场（BSF）电池在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。 （2）紫光电他一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（01O短波透

24、过好）而获得高效率。在一02m）密栅（30cm）、减 反射（Ta25一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。 （3）表面织构化电池也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率?15，AMI时18。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。 （4）异质结太阳电池即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩SnOSi，In20Si，（1n0十SnOSi电池等。由于SnO、InO、（InOSnO）232223232等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO、InO、（1nOSnO）是许多薄膜电他的223

25、232重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。 （5）M1S电池是肖特基（MS）电他的改型，即在金属和半导体之间加入15一30nm绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。 其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有20一40m的SiO膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作2用是：?保护电池，增加耐候性；?作为减反射层（ARC）；降低薄膜复合速度：?在p-型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。 （6）MINP电池可以

26、把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。 （7）聚光电池聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用200 cm高阻n型材料并使电池厚度降低到100一160tLm，使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到265。 2.2 2.2.1原子的能级 原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动

27、轨迹构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级，一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态和能级的含义相同。 硅光电池的研究的、由电子运动轨迹构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态和能级的含义相同.电子在壳层中的分布必须满足下面两个基本原理:(1)泡利不相容原理。原子中不可能有两个或两个以上的电子处同一状态，原子中的电子状态用四量子数(主量子数n、副量子数1、磁

28、量子数m、自旋量子数m:)描述。(2)能量最小原理。原子中每一个电子都有一个趋势，占据能量最低的能级。一般的说，最靠近核的壳层首先被电子占据。 一种元素的原子结构，决定着它的化学、物理性质，而外层电子的数目尤其重要。习惯把外层电子称为价电子，一个原子有几个外层电子就称为几价。如半导体硅有14个电子，原子结构为152、252、ZP、352、3P2，即K层、L层都己充满，而M层中的5层也已充满，但是P层只有2个电子，这是单个理想硅原子的结构。可见硅的最外层有4个价电子，故称为4价元素。原子和原子的结合主要靠外壳层的互相交合及价电子运动的变化。 2.2.2晶体结构 固体可以分为晶体和非晶体两大类。有

29、确定的熔点的固体称为晶体(如锗、硅、锑化稼、冰等):没有固定熔点、加热时在某一温度范围内逐步软化的固体称为非晶体(如玻璃、松香等)。 (1)单晶、多晶、无定形 所有的晶体都是由原子、离子或分子在三维空间有规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的点阵或晶体格子，即晶格。将晶格周期性的重复排列，就可以得到整个晶体.对于非晶体而言，至多只能观察到一些近程有序的排列，这种近程有序而远程无序排列的非晶体称为无定形。一块晶体如果从头到尾都按同一种排列重复称为单晶。有许多微小单晶颗粒杂乱的排在一起的固体为多晶。 (2)晶格结构 (a)为简单立方结构。b)为面心立方结构。(c)为体心立方结构。(d)

30、表示为金刚石结构的复式格子，由两个面心立方晶格在沿对角线方向上位移1/4互相套购而成。一些重要的半导体如硅、锗都是金刚石结构。伺表示闪锌矿结构，与金刚石结构不同之处是它的子晶格是互不相同的原子。 (3)晶体和键 晶体中原子与原子间的结合称为键合，简称键，键和晶体的结构有密切的关系。离子键构成离子晶体，在库仑引力和因两原子的闭合壳层互相重叠而产生的斥力平衡时，形成稳定的离子键，离子键使正负离子交错地排列在晶格上，形成牢固的离子晶体。 2.2.3固体的能带理论 描述电子在固体中运动需要用固体的能带理论。 (1)能带的形成 孤立原子中的电子只能在各个允许的壳层上运动。而在晶体中，各个原子靠的很近，不

31、同原子的内、外壳层都有了一定的重亚，重盛壳层的电子不再属于原来的原子独自所有，以通过量子数相同且又相互重叠的壳层，转移到相邻的原子上去，属于整个晶体所有，这就是晶体中的共有化运动。其结果就是使得孤立原图 三 子的单一能级分裂为能带。每一能带由许多相距极近的能级组成，这些可以为电子占据的能带称为允带，两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带。禁带也称为能隙。未被电子填满的能带或空带称为导带;已被电子填满的能带称为满带或价带。图三为砷化稼的能带结构图。纵坐标为能量值，横坐标为动量，图三的下半部分为价带结构;上半部分是导带结构;导带最低点和价带最高点之间的能量差为禁带宽度。满带中的电子在外电场作用下不能移动，不能形成电流，故满带电子不起导电作。 2)金属、绝缘体、半导体 从能带结构图四来看金属、绝缘体、半导体的区别。在金属中，自由电子可以做无规则的热运动，在电场作用