光电池的制备与应用本科论文.docx

1、光电池的制备与应用本科论文电信学院光电池的制备方法与应用系 部：电子信息工程系 专 业：光电子技术 班 级：光电09303 设 计 者：彭超指导教师：宋露露 日期：2012年3月光电池的制备方法与应用摘要：光电池又名太阳能电池。太阳能（光能）是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。本论文的书写旨在掌握当前光电池的种类以及主流电池的制备方法、光伏发电的背景、光伏发电的原理，在此基础之上了解相关的光电池的社会应用。本论文设计确定了如下的基本思路：1.硅光电池特性研究；

2、2.光伏发电产业的背景；3.光伏发电的原理；4.光电池的制备方法；5.光电池的社会应用；由于本人水平有限，加之时间紧迫，不妥之处、疏漏的地方是难免的，敬请老师批评指正，谢谢。关键词：硅光电池；光伏发电；太阳能电池目 录1 光电池的基础 11.1 光电池发展历史 11.2 半导体材料与理论 21.2.1 半导体材料的导电性能 32 硅光电池特性研究 42.1 硅光电池的基本原理 42.2 硅光电池的主要特性 52.2.1 硅光电池的主要参数和照度特性 52.2.2 硅光电池的负载特性 52.2.3 硅光电池的光谱特性 62.2.4 硅光电池的温度特性 62.3 硅光电池的特性研究实验 72.3.

3、1 测量硅光电池的光谱的响应特性 72.3.2 测量硅光电池的负载特性 93 光电池的制造 113.1 表面绒面化 113.1.1 绒面受光面积 113.1.2 绒面反射率 123.2 发射区扩散 123.3 SiN钝化与APCVD淀积TiO2 123.4 PECVD淀积SiN 133.5 共烧形成金属接触 133.6 电池片测试 143.6.1 光电池的测试原理 144 光电池的应用 164.1 光电池的运用范围 164.2 光电池的种类 174.2.1 硅光电池 174.2.2 多元化合物薄膜光电池 174.2.3 聚合物多层修饰电极型光电池 184.2.4 纳米晶光电池 184.2.5

4、有机光电池 184.3 光电池家庭化的应用 184.4光电池的市场与应用 194.5 我国光电池的发展状况与新进展 20总结 22参考文献 23致谢 241 光电池的基础 1.1 光电池发展历史从1839 法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，光电池已经经过了160 多年漫长的发展历史。 从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对光电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅光电池的研制成功，在光电池发展史上起到了里程碑的作用。 至今为止，光电池的基本结构和机理没有改变，光电池后来的发展主要是薄膜电池的研发， 如非晶

5、硅光电池、CIS光电池、CdTe光电池和纳米敏化光电池等，此外主要的是生 产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅光电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。具体的发展时段如下：-1839 法国实验物理学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应,简称为光伏效应；-1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效应，并制作第一片硒太阳电池；-1883 美国发明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理；-1904 Hallwachs 发现铜与氧化亚铜 (Cu/Cu2O) 结合在一起具有光敏特性；

6、-1918 波兰科学家 Czochralski 发展生长单晶硅的提拉法工艺；-1921德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖； -1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜 (Cu/Cu2O) 太阳电池，发表“新型光伏电池”论文；-1932 Audobert 和 Stora 发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象；-1953 Wayne 州立大学 Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各 类材料光电转换效率的第一个理论计算；-1954 RCA 实验室的 P.Rappaport 等报道硫化镉(CdS) 的光伏现象；(RCA:

7、Radio Corporation of America, 美国无线电公司)；-1957 Hoffman 电子的单晶硅电池效率达到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 获得“太阳能转换器件”专利权；-1959 Hoffman 电子实现可商业化单晶硅电池效率达到 10%， 并通过用网栅电极来显著 减少光伏电池串联电阻；卫星探险家 6 号发射，共用 9600 片电池列阵，每片 2 平方厘米,共约 20W；-1972 法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电；-1997 世界太阳电池年产量超过 125.8 MW；-2001 世界

8、太阳电池年产量超过 399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等报道碲化镉 （CdTe）电池效率达到 16.4%；单晶硅太阳电池售价约为 3 USD/W；-2003 太阳电池年产量超过 760 MW；-2004 太阳电池年产量超过 1200 MW； 德国 Fraunhofer ISE 多晶硅太阳电池效率达20.3%; 非晶硅电池占市场份额 4.4%,降为 1999 年的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%；-2010 通过技术突破，太阳电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到 12.5%；1.2 半导体材料与

9、理论 光电池是以半导体材料为基础的一种具有能量转换功能的半导体器件。至今为止，与集成电路一样，占绝对主导市场的光电池也是以硅材料为主的。为了全面、系统了解太阳电池，有必要对半导体材料，特别是硅材料作必要的了解。按导电性强弱，材料一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。1.2.1 半导体材料的导电性能（1）杂特性：掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著的改变半导体的导电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，半导体材料电阻率随之发生很大变化。在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的半导体材料。（2）温度特性：温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而

10、迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数。而金属的电阻率具有正的温度系数，且其随温度的变化很慢。（3）环境特性：半导体的导电能力还会随光照而发生变化（称为光电导现象）。（4）此外，半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场、压力和气氛的作用等而变化。2 硅光电池特性研究2.1 硅光电池的基本原理光电池是一种光电转换元件，不用外加电源而能直接把光能转换成电能。它的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、硫化铊、硫化镉等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。它有一系列的优点：性能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换效率高，能耐高温辐射等。同时它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度最相近，所以，它在很多

11、分析仪器、测量仪器、曝光表以及自动控制监测、计算机的输入和输出上用作探测元件，在现代科学技术中占有十分重要地位。本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作基本的了解和研究。硅光电池是一种PN结的单结光电池，当光照射到PN结时，由于光激发的光生载流子的迁移，使PN结两端产生了光生电动势，如果他与外电路中的负载接通，则负载电路中将由光电流产生。（硅光电池原理结构图）硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池，其中本实验中使用的2DR型硅光电池属于单晶硅光电池。下圖是常用的硅光电池的外形及结构示意图，为提高效率，在器件的受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜，以防止表面反射光，并且表面电极做成梳妆，减少光

12、生载流子的复合机会。单晶硅光电池的转换率一般在10%左右，最高可达15%20%。目前，使用较广发的太阳能电池属于多晶硅光电池，转换率约为7%。多晶硅光电池采用价格低廉的多晶硅作材料，而且可用简单的真空涂镀法制造，其大小不受晶体的大小限制，可制作大面积光电池。2.2 硅光电池的主要特性2.2.1 硅光电池的主要参数和照度特性 开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照度的特性曲线称为开路电压曲线。 短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路时所输出的光电流值称为短路光电流。光电流密度与照度的特性曲线称为短路电流曲线。图a为硅光电池的开路电压曲线和短路电

13、流曲线，其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。 图a硅光电池的光电特性（ 1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线）2.2.2 硅光电池的负载特性硅光电池的伏安特性与最佳匹配。随着负载电阻的变化，回路中电流I和硅光电池两端的电压U相应地变化，称为硅光电池的伏安特性。当负载电阻取某一值时，其输出功率最大，这称为最佳匹配，此时所用的电阻称为最佳匹配电阻。硅光电池的内阻。

14、从理论上可以推导出硅光电池的内阻等于开路电压除以短路电流。可以观察到光照面积不同时，硅光电池的内阻将发生变化。2.2.3 硅光电池的光谱特性 在入射光能量保持一定的情况下，短路电流与不同的入射光频率（波长）之间的关系称为光电池的光谱特性。 图b为硅光电池光谱特性曲线，从曲线可看出，硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。 图b 硅光电池光谱特性2.2.4 硅光电池的温度特性 硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线表征了它的温度特性。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光

15、电池的重要特性之一。 图c为硅光电池的温度特性曲线，图中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。图c 硅光电池温度特性（1开路电压 2短路电流）2.3 硅光电池的特性研究实验 实验仪器：实验用具：电位差计、硅光电池（2DR65型，面积=15nm2，光强100mW/cm2,温度为20时，开路电压大于500mV，短路电流为3155mA，光谱峰值在0.451.1um范围内），光源，聚光透镜，检流计，滤色片，偏振片，开关等。2.3.1 测量硅光电池的光谱的响应特性 1.把入射光挡掉，把检

16、流计打到“1”挡，然后把检流计调到零。 2.点亮白炽灯光源（12V），并把发光灯丝对焦成像在单色议的狭缝上面使硅光电池接受的光电流不要超过检流计的刻度。 3.以硅光电池为接受接收元件，转动波鼓为：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0cm，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm。在进行测量前，一定要把波鼓转到17.8的位置，检查光电流是否大小适当，不要超过检流计的量程。4.数据测三次，取平均值，把实验测得的数据列于表一。 表一

17、硅光电池的光谱响应特性读数/对应波长/A光电流/格光电流123平均值I/ 17.8006235259.90256.45257.60257.9859.3361718.0006040215.05211.60212.75213.1349.0206718.2005860175.95172.50174.34174.2640.0805718.4005710142.60139.15140.30140.6832.3571718.6005565115.00111.55112.70113.0826.0091718.800544092.0089.7090.1690.6220.842619.000532573.607

18、1.3071.7672.2216.610619.200522058.6557.5057.5057.8813.3131719.400511546.0044.8545.5445.4610.4565719.600501535.6535.5635.5635.598.185719.800492527.6027.6027.6027.606.34820.000484023.0021.8521.8522.235.11366720.400468513.8013.8013.8013.803.17421.00044876.906.906.906.901.58721.40043654.604.604.604.601.

19、05821.80042603.452.762.762.990.687722.60040801.841.841.841.840.423222.80040401.151.151.151.150.2645 根据表一的数据，以光波波长为横坐标，光电路强度为纵坐标，作硅光电池的光谱响应特性曲线，如图所示从硅光电池的光谱响应特性曲线可以看出，光电流在波长4000A到6200A的范围内，是随着波长的增长而逐渐的变大。2.3.2 测量硅光电池的负载特性 1、按如图连接好电路实验装置2、盖住硅光电池的光入射口，把电流计调零。3、打开He-Ne激光器，正射到硅光电池上，测量不同负载电阻值下的电流和电压值，并将实验

20、数据列于表二表二 电阻与硅光电池的输出功率关系表电阻R/电流 I/mA电压 U/V功率P/w1000.5300.0500.0271500.4900.0690.0341980.4600.0870.0402250.4500.0960.0432490.4400.1030.0452710.4300.1100.0473000.4200.1180.0503240.4050.1240.0503500.3950.1310.0523760.3850.1360.0523980.3800.1420.0544260.3700.1490.0554480.3650.1530.0564730.3550.1570.05650

21、00.3500.1630.0575500.3400.1710.0585990.3250.1780.0586530.3100.1860.0586990.3000.1920.058根据表二的数据，以电阻为横坐标，输出功率为纵坐标，作电阻和输出功率的关系曲线，如图所示：硅光电池的负载曲线由表二的数据及图7的负载曲线可以看出,当电阻为550时,硅光电池有最大输出功率，由于在实验中，R550之后的测量点太少，使到曲线的峰值不是很明显。实验中，光功率为，最大输出功率，所以硅光电池的转换效率。3 光电池的制造制造太阳电池片，首先要对经过清洗的硅片，在高温石英管扩散炉对硅片表面作扩散掺杂，一般掺杂物为微量的

22、硼、磷、锑等。目的是在硅片上形成P/N结。然后采用丝网 印刷法，用精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧 结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射膜 ，单 晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过检测，即可 按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），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 架和装材料进行封装，组成各种大小不同太阳电池阵列。 目前大规模生产的单晶硅太阳电池的光电转换效率为14 15左右，实验室成果也有20以上的。常州天和光能和 无锡尚德的转换效率在14.5，常州盛世太阳能公司有90 可做到16.2以上。3.1 表面绒面化由于硅片用P型（100）硅片，可利

23、用氢氧化钠溶液对单 晶硅片进行各向异性腐蚀的特 点来制备绒面。当各向异性因子10时（所谓各向异性因子就是（100）面与（111）面单 晶硅腐蚀速率之比），可以得 到整齐均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面。绒面具有受光面积大，反射率低的特点。可 提高单晶硅太阳电池的短路电 流，从而提高太阳电池的光电 转换效率。3.1.1 绒面受光面积 金字塔形角锥体的表面积So等于4个边长为a的正三角形S之和： 由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即1.732倍。3.1.2 绒面反射率当一束强度为E0的光投射到图中的A点，产生反射光1和进 入硅中的折射光2。反射光1可以继续投射到另一方锥的B点， 产生二次反射光

24、3和进入半导体的折射光4；而对光面电池就 不产生这第二次的入射。经计算可知还有11%的二次反射光可能 进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为9.04%。 3.2 发射区扩散 由于原始硅片采用P型硅，发射区扩散一般采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本。目前大型的太阳能厂家一般用8吋硅片扩散炉、石英管口径达270mm，可以扩散156156（mm）的硅片。由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性；因为采用磷扩散，可以实现高浓度的掺 杂，有利于降低太阳电池的串联电阻Rs，从而了提高 太阳电池填充因子FF。扩散条件为880 10，得到的P-N结深约0.1

25、5m。3.3 SiN钝化与APCVD淀积TiO2先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池(PESC)工艺。扩散后，在去除磷硅玻璃的硅片上, 热氧化生长一层10nm25nm厚SiO2,使表面层非晶化,改变 了表面层硅原子价键失配情况,使表面趋于稳定,这样减少 了发射区表面复合,提高了太阳电池对蓝光的响应,同时也 增加了短路电流密度Jsc,由于减少了发射区表面复合,这样 也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电 压Voc。还有如果没有这层SiN,直接淀积TiO2薄膜,硅表面 会出现陷阱型的滞后现象导致太阳电池短路电流衰减,一般 会衰减8%左右,从而降低光电转换效率。故要

26、先生长SiN钝 化再生长TiO2减反射膜。 TiO2减反射膜是用APCVD设备生长的,它通过钛酸异丙脂 与纯水产生水解反应来生长TiO2薄膜。 3.4 PECVD淀积SiN 多晶硅太阳电池广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积 SiN时,不光是生长SiN作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池,为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳。随着PECVD在多晶硅太阳电池成功,引起人们将PECVD用于单晶 硅太阳电池作表面钝化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅

27、 中的表面悬挂键，从而提高了载流子迁移率，一般要提高 20%左右，同时由于SiN薄膜对单晶硅表面有非常明显的钝化作用。经验显示，用PECVD SiN作为减反膜的单晶硅太阳电 池效率高于传统的APCVD TiO2作减反膜单晶硅太阳电池。 SiN减反膜的厚度约75nm，折射率可高到2.1（富硅）。3.5 共烧形成金属接触 晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结， 同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要 关键工艺。该工艺的基础理论来自合金法制P-N结工艺。当电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到共晶温度时

28、，单晶硅原子按相图以一 定的比例量溶入到熔融的合金电极材料。单晶硅原子溶入到电极金属 中的整个过程相当快，一般只需几秒钟。溶入的单晶硅原子数目决定 于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体 积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多，这时状态被称为晶体电极金属 的合金系统。如果此时温度降低，系统开始冷却，原先溶入到电极金 属材料中的硅原子重新以固态形式结晶出来，在金属和晶体接触界面 上生长出一层外延层。如果外延层内含有足够量的与原先晶体材料导 电类型相同杂质成份，就获得了用合金法工艺形成的欧姆接触；如果 再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份， 这就获得了用合金法

29、工艺形成P-N结。银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干，使有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上， 这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。所谓共 烧工艺显然是采用银硅的共晶温度，同时在几秒钟内单 晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形 成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结 构。只经过一次烧结钝化的表面层，氢原子的外释是有限 的，共烧保障了氢原子大量存在，填充因子较高，没有必 要引入氮氢烘焙工艺（FGS）。 3.6 电池片测试主要测试太阳电池的基本特性： 开路电压VOC、短路电流ISC、填充因子FF、能量转换效率。FF为电池的填充因子(Fill

30、Factor)：它定义为电池具有最大输出功率(Pop)，时的电流(Iopt )和电压(Vopt ) 的乘积与电池的短路电流和开路电压乘积的比值，较高的短路电流和开路电压是产生较高能量转换效率的基础。如果两个电池 的短路电流和开路电压完全相同，制约其效率大小的参数就是填充因子。能量转换效率是光电池的最重要性能指标，它为光电池将入射光能量转换成电能的效率。 3.6.1 光电池的测试原理测试电路如下：PN结两端的电流： 光电池处于零偏时，流过PN结的电流；光电池 处于反偏时，流过PN结的电流，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。光电流与输出光功率之间的关系：，为响应率，值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。4 光电池的应用4.1 光电池的运用范围分类用途电力