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1、第四章 太阳能电池的种类第四章 太阳能电池的种类太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应，许多 材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类 很多。一般希望太阳能电池具有以下特性：转换效率高；制造能耗少；制造成本低；原材料丰富；电池使用寿命长；无公害；下面就主要的几种太阳能电池进行介绍，包括它 们的制备、结构和特点。一、单晶硅太阳能电池一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的特点：单晶硅太阳能电池的特点：作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上 没有影响。单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作 保证。硅的密度低，材料轻。即使是50m以下厚度的薄板 也有很好的强度。与多晶硅、非晶硅
2、比较，转换效率高。电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可 以保证20年以上的工作寿命。单晶硅太阳能电池因为资源丰富，转 换效率高，所以是现在开发得最快的太阳 能电池。但因其制造工艺复杂，需消耗大 量的能源，所以有成本高，能源回收周期 长的缺点。能源回收期=制造太阳能电池所需的能量 太阳能电池一年产生的电能1、如何制备单晶硅材料、如何制备单晶硅材料To get silicon in single-crystal state, we first melt the high-purity silicon. We then cause it to reform very slowly in c
3、ontact with a single crystal “seed.“ The silicon adapts to the pattern of the single crystal seed as it cools and solidifies gradually. Not suprisingly, because we start from a “seed,“ this process is called “growing“ a new ingot of single-crystal silicon out of the molten silicon. Several specific
4、processes can be used to accomplish this. The most established and dependable means are the Czochralski method and the floating-zone (FZ) technique. Czochralski processThe most widely used technique for making single-crystal silicon is the Czochralski process. In the Czochralski process, seed of sin
5、gle-crystal silicon contacts the top of molten silicon. As the seed is slowly raised, atoms of the molten silicon solidify in the pattern of the seed and extend the single-crystal structure. 在得到硅单晶片后，就可以开始制备太 阳能电池。其中pn结的形成可采用POCl3的气 相扩散法，TiO2或SiO2、P2O5的涂敷扩散法 以及直接掺杂P+的离子注入法等。由于其制造过程复杂、电能耗费大，所以成本较高， 目
6、前正在研究用自动化、连续化使成本下 降。2、单晶硅太阳能电池的制备过程、单晶硅太阳能电池的制备过程3、高效率硅太阳能电池的发展、高效率硅太阳能电池的发展四十多年来进行的大量的基本理论和 实验的研究工作，把单晶硅太阳能电池的效 率从6%提高到24%左右，正如前面的曲线所表明的，在过去的十年中，硅太阳能电池的 转换效率一直在稳步提高。对聚光硅太阳能 电池的光电转换效率，在100个太阳聚光度 下，已达到27.5%，使硅太阳能电池在空间应用与地面应用上仍然占有较重的地位。图中给出了几种高效率 单晶硅太阳能电池的结 构。下面我们来分别介 绍一下提高光电池的重 要技术方法。背电场太阳能电池背电场太阳能电池
7、为防止在衬底的背面附近由于载流子的 复合引起效率的减少，在背面实现与衬底同 类型的高浓度掺杂的太阳能电池。例如在p- Si衬底背面进行铝合金掺杂，在背面形成p- p+高低结势垒，即存在背表面场。这就是上 图(a)中所示的背电场太阳能电池，即(Back Surface Field) BSF型太阳能电池。由于背面的高低结势垒与硅片正面形成的n+p结势垒方向一 致，能够提高电池的开路电压；另外，高低结势垒对p区少子- 电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面之复合作用，又提高 了pn结对光生少子的收集几率，也能提高电池的短路电流。同 时，这种结构使太阳能电池对长波长光的灵敏度增大。如果太阳能电池的厚度超
8、过100微米，由于背表面的复 合作用不明显，因而没有必要利用BSF结构；但对于薄膜 电池，BSF效果就非常明显了。背电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率（如10欧姆厘米）衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可达15%-20%左右。紫外光太阳能电池紫外光太阳能电池紫外光太阳能电池是为了防止太阳能电池的表 面（受光面）由于载流子的复合而使效率减小的电 池。 常规制备的电池是用普通扩散法制造的pn结硅 太阳能电池，其结深约0.5m，扩散电阻R?约为35/? 左右，以n+p结为例，n+磷扩散杂质分布不是典型的余 误差函数分布，在表面附近具有几乎恒定的浓度，其 值取决于在磷扩
9、散温度下磷在硅中的固溶度。因而表 面是极薄的重掺杂层。由于重掺杂效应及严重的晶格 缺陷和畸变，使该层少子寿命极低，所以称该层为 “死层”。通常一次扩散的结越深，则“死层”越 厚。一般太阳能电池n+层的厚度在0.3-0.5m，当用化学腐蚀法使膜厚变为0.1-0.2 m，就能减少“死层”，防止在n+层表面附近的载流子的复合，提高光生空穴的收集几率，使转换效率提高。这就是紫外光太阳能电池设计的出发点，即采用“浅结”技术。采用浅结会提高表面薄层扩散电阻R?，必然使 电池的串联电阻Rs增大，加大功率损失。所以用 “密栅”措施进行补救。应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合， 才能有效地提高短波光谱响应。
10、例如：用SiO2膜作 减反膜，则它对0.4m以下波长的光有较大的吸 收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。 若改用Ta2O5膜或用ZnS/MgF双层减反膜，都可以 得到较好的结果。紫外光电池的浅结也会带来两个新问题：紫外光电池的浅结也会带来两个新问题：因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层” 薄的特征（如前图(b)所示），这种电池对短波长的光有特别高的灵敏度。无反射太阳能电池无反射太阳能电池通信卫星无反射太阳能电池，即CNR （Comsat Non Reflective Solar Cell)电池，如 前图（c）所示，具有防止光在太阳能表面反射而使效率减小的结构。下面
11、我们来介绍一些防反射技术。减少表面光学反射的技术减少表面光学反射的技术我们已经介绍过，硅对入射太阳光的反 射损失高达30%以上。为了提高转换效率，减 少这种反射损失，可以采用以下技术：第一类是采用减反膜技术。硅太阳能 电池常用的单层减反膜有SiO2、Ta2O5、 Nb2O5、TiOx等。双层减反膜可以用Ta2O5、 TiO2等薄膜。表中给出了用于太阳能电池减反膜的材料的折射率。膜的 制备方法有：物理气相沉积（PVD)，或化学气相沉积 (CVD)等技术。例如用TaOx和MgF的双层减反膜，光学反 射损失可减少到4%。第二类是在(100)硅片的进光面上，采用各向异 性化学腐蚀，制得特殊表面结构：如
12、绒面、微槽面 等。下图是绒面结构和V型槽结构的示意图。绒面或V型槽结构是用化学腐蚀方法 在电池表面上得到许多有极小（1-2微米） 的金字塔状或V型的凹凸层，在这种微结构表面上，入射光受表面第一次反射后，又 得到第二次入射进硅衬底的机会，提高了 光能利用率。CNR太阳能电池的最高转换 效率可达18%。背面反射镜技术背面反射镜技术背面 反射镜技术 （ Back Surface Reflector ， 简 称 BSR）是在n+p太 阳能电池的里面用 铝等金属作成镜面 反射镜，这样使长 波长的光不会透射 出电池。其效果如 左图所示，还是相 当明显的。表面钝化技术表面钝化技术1984年，澳大利亚的研究小
13、组研 制出了转换效率达18.7%的金属-超薄 绝 缘 层 -np 结 （ Metal-Insulator-np Junction，简称MINP）硅太阳能电池 和转换效率达19.1%的钝化发射极 （Passvated Emitter Solar Cell 简称 PESC）硅太阳能电池。MINP光电池：光电池：通常的电池光电流收集电极金属与半导体直接结合，这 样，在半导体表面复合几率增大。MINP结构中引入了2-3纳 米厚的极薄SiO2层，使得在n+表面的光生电子-空穴对的复合 减少。同时，由于氧化膜很薄，电流可以通过隧穿效应流 过，所以对短路电流的影响很小。PESC光电池：光电池：PESC电池的
14、构造 基本上与MINP的构造相 似，只是在表面电极的 构造上略有区别。硅衬 底是用高质量的掺B的 低电阻率FZ-Si片，然后 在800-950度下进行磷扩 散，形成浅结。在其上 再形成10纳米厚的SiO2 层作为钝化层起到防止 光 生 载 流 子 复 合 的 作 用。 为了避免隧穿效应的影响，在钝化层中利用光刻技术刻出一 个个接触微窗（小于接触电极面积），使金属与n+-Si直接接触 以提高光电流的收集效率。同时也可减少金属电极的覆盖率。在上述PESC电池的基础上，人们又提出了一种双 面钝化的钝化发射极和背面定域扩散硅太阳能电池，即 PERL（Passivated Emitter and Rea
15、r Local Diffused）硅太 阳能电池。其结构如图所示。钝化发射极和背面定域扩散硅太阳能电池：钝化发射极和背面定域扩散硅太阳能电池：在这种电池结构中，为了进一步减少受光 面的界面复合和光学损失，采用了倒金字塔型减 反结构，并在其上加上极薄SiO2层，再在其上覆 盖双层减反膜以达到最佳减反效果。同时，在里 电极上也加入极薄氧化层进行钝化以减弱背面复 合，在钝化膜上刻出引入电极的窗口，利用窗口 进行定域B扩散形成背电场，再将电极金属覆盖 上形成PERL电池。这种结构的太阳能电池达到 了单晶硅太阳能电池的最高转换效率，在AM1.5 的光照下效率可达24%左右。点接触型太阳能电池：点接触型太
16、阳能电池：1986年美国的研究小组设计并研制出点接触 型太阳能电池，它是目前世界上效率最高的硅聚光 电池，在100个太阳照度下，转换效率达27.5%。在这种电池结构中，有以下特点：1、采用高电阻（100-400欧姆厘米）的掺B区熔 p-Si单晶片。比常规低电阻率硅材料有更好的晶 体完整性和更高的少子寿命值。高阻材料引起 的电池体电阻增大，可由强聚光注入产生的光 生载流子的调制而降低下来。2、结构新颖。正面无电极，因而栅极电极遮光 损失 C=0，同时，正面有绒面，并覆盖双层减 反膜。基区薄（112-152m），背面引出点式 负电极及连通基区的正电极。3、工艺上采用氧化、光刻、磷和硼扩散及铝 合金等集成电路微加工技术。工艺成熟，可 靠性强。4、设计的pn结阵列，大大减小结面积，以 此减小反向饱和电流，达到提高开路电压的 目的。前面简单介绍了几种高效率单晶硅太阳能电池的结 构及其所用到的改进技术。除了在结构上改进外，减低硅 材料本身的成本也是一个重要课题。其中太阳能电池级硅 的研制就是一个方向。因为多晶硅的
