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1、非晶硅太阳能电池行业调研报告一、太阳能电池概述1.1 太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，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。为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘
2、获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。1.2 太阳能电池种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）,
3、铜铟镓硒（CIGS），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。1.3 太阳能电池发展趋势市场发展的需求和发电成本降低的需要是太阳能光伏技术发展的“原动力”；同时，技术进步也是促进光伏产业发展的重要因素。几十年来，围绕着降低成本的各种研究工作取得了辉煌成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续减薄、新材料应用、产业化技术改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性作用。 1.3.1 电池效率不断提高单晶硅电池的实验室效率已经从50 年代的6提高目前的24.7（商业化效率1620）；多晶硅电池实验室效率目前达到了2
4、0.3（商业化效率1416）。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功，非晶硅薄膜电池实验室稳定效率达到了13、碲化镉（CdTe）电池实验室稳定效率达到16.4、铜铟硒（CIS）电池实验室效率达到19.5。其他新型电池，如多晶硅薄膜电池、染料敏化电池、有机电池等不断取得进展，更高效率的复合型电池也受到广泛的关注。年份薄晶硅电池薄膜硅电池超高效电池CIS电池染料电池201016（20）12（15）28（40）13（19）6（10）202019（25）14（18）35（45）18（25）10（15）203022（25）18（20）40（50）22（25）15（18）表1.1 预测20102030年主要太
5、阳能电池光电转换效率（%）1.3.2 商业化电池硅片厚度不断降低降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低太阳能电池成本的有效技术措施。30多年来，太阳能电池硅片厚度从70 年代的450500m 降低到目前的180280m，降低了一半以上，硅材料用量大大减少，对降低太阳能电池成本起到了重要的作用。年代厚度（um）硅材料用量 t/MW20世纪70年代450-5002020世纪80年代400-45016-2020世纪90年代350-40013-162006年180-24012-132010年150-18010-112020年80-1008-10表1.2 太阳能电池厚度及用硅量预测1.3.3 生产规模不断扩
6、大生产规模不断扩大和自动化持续提高是太阳能电池生产成本降低的重要方面。太阳电池单厂生产规模已经从上世纪80年代的15MW/年发展到90年代的530MW/年和本世纪的50500MW/年。生产规模与成本降低的关系体现在学习曲线率LR（Learning Curve Rate）上，即生产规模扩大1倍，生产成本降低的百分比。对于太阳电池来说，30年代统计的结果，LR20（含技术进步在内），是所有可再生能源发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现者之一。1.3.4 组件成本大幅降低光伏组件成本3年来降低了2个数量级。2003年世界重要厂商的成本为22.3 美元/Wp，售价2.53美元/Wp，2004
7、年以后因能源及原材料紧缺，价格有所回升。1.3.5 电池技术快速发展2004 年各种电池技术的市场份额中，其中多晶硅56，单晶硅29，HIT电池（非晶硅（p型）/单晶硅（n型）异质结电池）5，其他为薄膜电池，共计约7。多晶硅电池在1998 年开始超过单晶硅后一直持续增长，各种薄膜电池的绝对生产量近年来也在稳定增加，反映出技术进步的推动力量。总的来说，作为太阳能电池的材料，III-V 族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池，纳米晶太阳能电池和有机聚合物太阳能电池，它们的研究刚刚起步，技术不是
8、很成熟，仍处于探索阶段，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。下面我将重点讲述着三种硅基太阳能电池的制作工艺和优缺点，以及在今后的发展中需要解决的问题。二硅基太阳能电池2.1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快、应用最为广泛的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。其生产工艺流程如下：将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加
9、工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，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源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能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能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。2.2多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度200350m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的
10、硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜。多晶硅（Poly-Si）薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成的。其晶粒尺寸一般约在几十至几百nm级，大颗粒尺寸可达m级。高质量的半导体多晶硅薄膜的许多性能参数，都可用单晶硅（c-Si）薄膜和非晶硅氢合金（a-Si：H）薄膜的参数来代替。多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被公认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。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（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECV
11、D）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜可在600以下的低温沉积，随后用激光加热晶化或固相结晶等方法形成。电池衬底可采用玻璃甚至塑料类的柔性材料。也可以直接在高温下生长形成多晶硅薄膜，生长温度大于1000，硅的沉积速率约为5nmmin。生长温度高就需要选择耐高温衬底材料，目前通常采用低质量的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高温下生长薄膜，获得的多晶硅薄膜具有较好的结晶性，晶粒尺寸较大。低温制备多晶硅薄膜电池，一般采用CVD方法。由低温沉积的薄膜，晶粒尺寸较小，获得的电池效率不高。要获得10%15%的效率，晶粒尺寸须大于l00nm。高温制备多晶硅薄膜电池
12、，一般采用液相外延法（LPPE）、区熔再结晶（ZMR）及低压化学气相沉积（LPCVD），APCVD、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方法。先在耐高温衬底材料上生长厚度为1020nm 的多晶硅薄膜，再利用晶体硅电池常规制备工艺进行p-n 结及电极制备。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4 或SiH4，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Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，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 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，
13、得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，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太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astro Power 公司在耐高温衬底上制备的多晶硅薄膜电池效率己达16%，而且认为通过降低多层减反射膜中氧化层的厚度到100
14、A，并增加基体材料的扩散长度，电池效率可达l8%。2.3 非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类
15、似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电池设计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n 边，形成光生电流和光生电压。非晶硅光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非
