【正文】 綜上所述，晶體硅電池在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間仍然是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，而晶 體硅電池的發(fā)展方向可以概括為： “大片、薄片、高效 ”。晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)技術(shù)與工藝發(fā)展預(yù)測(cè)： (1) 規(guī)?；a(chǎn)：為降低成本，產(chǎn)能將持續(xù)擴(kuò)大，大規(guī)模生產(chǎn)是降低成本，提高生產(chǎn)效率的有效途徑。 (2) 大片、薄片、高效 ① 大片、薄片：目前電池主流產(chǎn)品為 156 156 220（ 200），少數(shù)工藝領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 180μm厚硅片的大規(guī)模生產(chǎn)， 210 210的超大硅片和160μm甚至更薄的硅片生產(chǎn)工藝也會(huì)同步開(kāi)發(fā)。硅片減薄將有效降低原料和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)率，但同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要是碎片率，以及在大面積硅片 上實(shí)現(xiàn)均勻加工的技術(shù)；而厚度減薄也對(duì)電池的表面鈍化工藝提出了更高的要求。 ② 高效：目前商業(yè)化提高效率的主流思路可以概括為 “ 淺結(jié)、密柵 ” ，即大幅度提高擴(kuò)散后的方塊電阻（從 40Ω 提升到 80～ 120）以減少死層，提高上表面鈍化工藝水平以獲得極高的短波響應(yīng)，同時(shí)，增加?xùn)艠O數(shù)量，降低由于方塊電阻提高引起的串聯(lián)電阻升高，維持 FF水平。為此可能采用的特殊工藝包括：噴涂源鏈?zhǔn)綌U(kuò)散、選擇性發(fā)射極（即在電極印刷處提高擴(kuò)散濃度，以保證電極的歐姆接觸，也可以通過(guò)選用含磷的銀漿實(shí)現(xiàn)）。另外，背場(chǎng)和絨面也將進(jìn)一步改進(jìn)。硼背場(chǎng)有望取代 鋁背場(chǎng)，由于硼的擴(kuò)散濃度可以比鋁高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以增強(qiáng) 背場(chǎng) 強(qiáng)度，提高鈍化水平；絨面結(jié)構(gòu)改進(jìn)，獲取更低的反射率（如用于多晶的 RIE 絨面技 術(shù)） [9]。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 6 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝 167。 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 一般說(shuō)來(lái)，凡是能將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，并有電壓，電流輸出的裝置，就可以定義為太陽(yáng)電池， 一般的晶體太陽(yáng)能電池 結(jié)構(gòu)如圖所示 [10]。 圖 21 典型晶體硅 PN 結(jié)太陽(yáng)電池示意圖 從圖中可以看出 它由在表面上形成的 PN結(jié)及正、背面引出電極構(gòu)成。還包括減反射層、表面鈍化層等結(jié)構(gòu) 。 太陽(yáng)電池是利用太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體晶片 pn結(jié)上，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 其 工作原理是：能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子被半導(dǎo)體吸收后，可以產(chǎn)生光生載流子，當(dāng)所產(chǎn)生的光生電子－空穴對(duì)由半導(dǎo)體 pn結(jié)所形成的內(nèi)建電場(chǎng)分開(kāi)到兩極時(shí)，在電池的兩極分別堆積正負(fù)電荷，形成電池的端電壓，當(dāng)接有外電路時(shí)便有電流產(chǎn)生。 pn結(jié)的正面有減反射膜和金屬負(fù)電極，背面有金屬正電極。這種現(xiàn)象稱為光生伏特效 [11]。（ Photovaltic Effect），簡(jiǎn)稱為 “ 光伏效應(yīng) ” 。 典型的硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和能帶圖 22所 示 。 摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體常溫下導(dǎo)帶中的電子數(shù)比摻雜前增多，稱為 n型材料，摻有受主雜質(zhì)的稱為 p型材料，常見(jiàn)的太陽(yáng)電池實(shí)質(zhì)上是個(gè)面積很大的 pn結(jié)二極管。當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池上時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被太陽(yáng)電池吸收或透過(guò)。被吸收的光，有一些轉(zhuǎn)換成熱能，另一些能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，穿過(guò)減反射膜進(jìn)入半導(dǎo)體中。在 n區(qū)，耗盡區(qū)和p區(qū)中同硅原子價(jià)電子碰撞，將能量傳給價(jià)帶的電子，使電子躍遷到導(dǎo)帶，而河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 7 在價(jià)帶留下一個(gè)空穴，產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子一空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于?p型和 n型交界面兩邊形成了勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向 n區(qū)，空穴則被驅(qū)向 p區(qū)。在 n區(qū)中，光生電子一空穴對(duì)產(chǎn)生以后，光生空穴便向 pn結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá) pn結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引作漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)耗盡區(qū)進(jìn)入 p區(qū)，光生電子 (多子 )則被留在 n區(qū)。 p區(qū)中的光生電子 (少子 )同樣地先因?yàn)閿U(kuò)散、后因?yàn)槠贫M(jìn)入 n區(qū)，光生空穴 (多子 )留在 p區(qū)。如此便在 pn結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵銷勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使 p型層帶正電， n型層帶負(fù)電，當(dāng)有負(fù)載接入時(shí)，就產(chǎn)生光生電流 (通過(guò)電極來(lái)收集 )。由 于工藝的發(fā)展，通常在背面制作鋁背場(chǎng) (BSF： Black surface field)，減少背表面的復(fù)合，同時(shí)由于重?fù)诫s形成的高低結(jié)增加了光生載流子的收集， 提高 了太陽(yáng)電池的電流電壓。于是就形成了圖 22圖 所示的 n+pp+的結(jié)構(gòu)。 （ a）結(jié)構(gòu)圖 （ b）能帶圖 圖 22 硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和能帶圖 167。 太陽(yáng)能電池的 輸出特性 在效理想情況下，被光照的太陽(yáng)電池的正負(fù)電極間接有負(fù)載時(shí)，就有直流電輸出。便可以看作是一個(gè)恒流源與理想二極管的并聯(lián) 組 [11]。等效電路圖如 圖 23所示。 圖 23 太陽(yáng)能電池等效電路 由 圖 知光電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流 Iph， 流過(guò)理想二極管的電河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 8 流即暗電流為 ID+Ish， ， 流過(guò)負(fù)載 R的電流 I， 它們有如下?lián)Q算關(guān)系 I=IphIDIsh=IphI0（ eq（ V+IRs） /AkT1） IRs+V/Rsh （ 21） 式中 Iph： 光生電流， ID：二極管電流， I0：二極管反向飽和電流， A： 二極管因子 ， q： 電子子電荷， k：玻爾茲曼常數(shù)， T（ k）太陽(yáng)電池 pn結(jié)溫度 ，Rs和 Rsh分別為太陽(yáng)電池串、并聯(lián)電阻。并聯(lián)電 阻 Rsh由各種漏電流引起例如，因電池邊緣沾污而引起的漏電流，沿著位錯(cuò)和晶粒間界的不規(guī)則擴(kuò)散而形成的漏電流和沿著在電極金屬化處理后由微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路的漏電流 )，而串聯(lián)電阻心則由擴(kuò)散薄層的電阻、基片的體電阻、金屬電極和太陽(yáng)電池問(wèn)的接觸電阻和金屬電極的體電阻等四者構(gòu)成 [ 12]。 不論是 太陽(yáng) 能電池還是一般的化學(xué)電池，其輸出特性一般都是用如下圖所示的電流 —電壓曲線來(lái)表示 圖 24 太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線 由上圖 光電池的伏安特性曲線，可以得到描述太陽(yáng)能電池的四個(gè)重要的輸出參數(shù)。 1) 開(kāi)路 電壓 Voc 當(dāng)太陽(yáng)電池外接開(kāi) 路時(shí) （ R=+∞） 。 可得到太陽(yáng)電池的有效最大電壓，即開(kāi)路電壓 Voc。在開(kāi)路狀態(tài)下，流經(jīng)太陽(yáng)電池的凈電流為 0。在方程 (21)中，令 I=0， Rs=0可得到： Voc=AKT/qln(Iph/I0+1) 從中可以看出， Voc的大小與以下因素相關(guān)： (1) 光生電流 I舭可以看出， I0的改變量有限，其對(duì) Voc的大小影響也較小。 (2) 向飽和電流 I0在太陽(yáng)電池中， I0的變化通常可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它對(duì) Voc的影響非常大。而 I0決定于太陽(yáng)電池的各種復(fù)合機(jī)制，所以通常 Voc的河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 9 大小可以用柬檢測(cè)太 陽(yáng)電池的復(fù)合大小。 2) 短路電流（ Isc） 當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出電壓為 0，即外接電路短路時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)電池體內(nèi)的電流為短路電流 Isc，對(duì)于理想太陽(yáng)電池，短路電流就等于光生電流 Iph，所以短路電流的大小和以下幾個(gè)因素相關(guān)聯(lián) [ 7]： （ 1）太陽(yáng)電池的面積。通常在分析時(shí)利用短路電流密度概念 Jsc，即單位面積上流過(guò)的電流，單位為 A/cm2。 （ 2） 光照強(qiáng)度以及光譜分布。 （ 3）太陽(yáng)電池的減反射、陷光效果和前表面柵線的遮擋面積。 （ 4）電子收集效率。這主要取決于表面鈍化效果以及少子壽命。如在非常好的表面鈍化和一致的電子 。 空穴 對(duì)產(chǎn)生率條件下，短路電流密度為： Js = qG（ Ln+Lp） 式中 G為電子 空穴產(chǎn)生率， Ln、 Lp分別為電子和空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度。 3) 填充因子（ FF） 在光電池的伏安特性曲線任一工作點(diǎn)上的輸出功率等于該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)矩形面積，其中只有一點(diǎn)是輸出最大功率，稱為最佳工作點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓和電流分別稱為最佳工作電壓 Vop和最佳工作電流 Iop。 填充因子定義為： FF = VopIop/VocIsc = Pmax/ VocIsc 它表示了最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的矩形面積在 Voc和 Isc所組成的矩形面積中所占的百分比 （ 如 下 圖 25） 。特性好的太陽(yáng)能電池就是能獲得較大功率輸出的太陽(yáng)能電池，也就是 Voc， Isc和 FF乘積較大的電池。對(duì)于有合適效率的電池，該值應(yīng)在 ～ ，一般高的開(kāi)路電壓可得到高的填充因子 。 圖 25 太陽(yáng)能電池的 IV曲線和工作點(diǎn) 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 10 4) 太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率 η 表示入射的太陽(yáng)光能量有多少能轉(zhuǎn)換為有效的電能。即： η =（太陽(yáng)能電池的輸出功率 /入射的太陽(yáng)光功率） 100% =（ Vop Iop/Pin S） 100% = Voc?Isc?FF/Pin ? S 其中 Pin是入射光的能量密度， S為太 陽(yáng)能電池的面積，當(dāng) S是整個(gè)太陽(yáng)能電池面積時(shí)， η稱為實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，當(dāng) S是指電池中的有效發(fā)電面積時(shí)， η叫本征轉(zhuǎn)換效率。 轉(zhuǎn)換效率越高，表示在單位面積上單位輻照強(qiáng)度下能產(chǎn)生更多的電能。其大小與 Voc、 Isc、 FF息息相關(guān)。以上的四個(gè)參數(shù)是參考太陽(yáng)能電池好壞的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的應(yīng)用中以上參數(shù)還受工作環(huán)境的溫度的影響，其溫度系 數(shù)的參考數(shù)值為：電壓溫度系 ： ℃ ；電流溫度系數(shù)： ℃ ；轉(zhuǎn)換效率溫度系數(shù)： 103/℃ 。 167。 單晶太陽(yáng)能電池的制造工藝 太陽(yáng)能電池片的制造工藝在整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈 中屬于中間環(huán)節(jié)，商業(yè)化的單晶硅電池品均效率可達(dá)到 %以上，其一般的工藝過(guò)程如下 1 ：去表面損傷層 2 ：表面織構(gòu)化 3 ：擴(kuò)散前預(yù)清洗 4 ：擴(kuò)散 5 ：去邊結(jié)6 ：去磷硅玻璃7 ：制減反膜8 ：制被電極9 ：烘干10 ：制被場(chǎng)11 ：烘干12 ：制前電極 13 ：燒結(jié) 14 ：檢測(cè)包裝 圖 26 單晶電池片制造工藝 注： 13稱制絨工藝； 4稱超凈工藝； 57稱 K+P工藝； 813稱印刷工藝 167。 制絨工藝 目的： 去除硅片表面的雜質(zhì)殘留，制做能夠減少表面太陽(yáng)光反射的 陷光結(jié)構(gòu)。晶體硅太陽(yáng)電池一般是利用原始硅棒經(jīng)過(guò)線切割成硅片，由于在硅片切割過(guò)程中鋼線的作用，使得硅片表面有一層 10～ 20μm的損傷層，如 不 將其去除，會(huì)形成高的表面復(fù)合率。 在太陽(yáng)電池制備時(shí)首先要將硅片表面的油脂河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 11 及損傷層去掉 ， 這可以用氫 氧化鈉溶液 (33%的氫氧化鈉水溶液 )腐蝕和一些有機(jī)溶液來(lái)實(shí)現(xiàn) 13]。表面織構(gòu)化的目的是在硅表而形成陷光結(jié)構(gòu)，使光經(jīng)過(guò)多次反射和吸收。 硅單晶是一種金剛石結(jié)構(gòu)的晶體 ，晶體結(jié)構(gòu)如下。 圖 27 單晶硅晶體結(jié)構(gòu)圖 圖 27所示由 ABCDCFGH八個(gè)硅原子組成的一個(gè)空間立方陣， abcdef六個(gè)原子是它的面心，這是一個(gè)面心立方晶胞。以 R為一個(gè)頂角的另一個(gè)面心立方晶胞 （ 未畫(huà)出 ） 與上述晶胞在對(duì)角線 BH上有 1/4的間隔，并以 R原子為中心，由 bce、 cde、 dae、決定的晶面也為 （ 111） 。利用某些腐蝕液對(duì)不同晶面的擇優(yōu) 腐蝕，可以在 （ 100） 面上腐蝕出有 4個(gè) （ 111） 面對(duì)正方錐來(lái)，這種正方錐就是絨面的基本結(jié)構(gòu)。 對(duì)于（ 100）的 p型直拉硅片，最常用的擇優(yōu)化學(xué)腐蝕劑是 NaOH或 KOH和乙醇的混合溶液，在 80～ 90℃ 左右的溫度下，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由于生成物 Na2Si03溶于水而被去除，從而硅片被化學(xué)腐蝕 [14]。由于 NaOH或 KOH腐蝕具有個(gè)向異性，可以制備成絨面結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诠杈w中，（ 111） 面是原子最密 排面，腐蝕速率最慢，所以腐蝕后 4個(gè)與晶體硅（ 100）面相交的（ 111）面構(gòu)成了金字塔型的結(jié)構(gòu)， 加入的乙醇可改變單晶硅 (100)晶向腐蝕速率和各向異性因子的數(shù)值 ，其中化學(xué)反應(yīng)式為 2NaOH十 Si十 H20=Na2Si03+2H2↑ 絨面結(jié)構(gòu)，使得硅片表面的反射率大大降。 絨面的微觀結(jié)構(gòu)和反射率下降原理如下 28圖： 由于絨面結(jié)構(gòu)，使得硅片表面的反射率大大降低，表面呈黑色 ， 為提高絨面制作的效果（攪蓋率、均勻性和大?。?，可以在腐蝕液中加入一些添加劑，如加入乙醇或異內(nèi)酵是為了降低溶液的表面張力，改善溶液和硅片的潤(rùn)濕性使反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣氣泡快速離開(kāi)，有助于金子塔的長(zhǎng)大。加入含有 PO4 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 12 HPO42 、 CO3 HCO3等離子的化臺(tái)物， 是因?yàn)檫@些這些離子能起到降低反應(yīng)活化能的作用，使金字塔的大小更均勻 [15]。 制絨工序的好壞不能僅僅從反射率的好壞來(lái)考慮，同時(shí)還要考慮對(duì)后續(xù)工藝的影響，若 金字塔太小 ， 會(huì)使印制的漿料小能很好地流入金字塔的底部 ， 造硅片表面和漿料留有空隙，惡化接觸；太大則會(huì)對(duì)印刷造成困難 。 （ a）絨面微觀結(jié)構(gòu)圖 （ b）反射率降低原理圖 圖 28 絨面圖