【文章內(nèi)容簡介】 （）為零，則n1的值（， n0＝1）163。 n1163。設(shè)l39。=4800埃，則600埃163。d1163。667埃，滿足這些條件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波長處，反射率達到1%左右。由于制備了減反射膜，短路電流可以增加30～40%。此外，采用的減反射膜SiO2（n1187。）、Al2O3(n1187。)、Sb2O3（n1187。）、TiOTa2O5（n1187。）。將具有不同折射率的氧化膜重疊二層，在滿足一定的條件下，就可以在更寬的的波長范圍內(nèi)減少折射率。此外也可以將表面加工成棱錐體狀的方法，來防止表面反射。當太陽電池處于開路狀態(tài)時，對應光電流的大小產(chǎn)生電動勢，這就是開路電壓。在式（）中，設(shè)I=0（開路），Iph＝ISC，則 ()在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時，ISC為與入射光強度成正比的值，在很弱的陽光下，ISCI0，因此 ()其中 ，在很強的陽光下，ISCI0， ()由此可見，在較弱陽光時，硅太陽電池的開路電壓隨光的強度作近似直線的變化。而當有較強的陽光時，VOC則與入射光的強度的對數(shù)成正比。Si與GaAs比較，因GaAs的禁帶寬度寬，故I0值比Si的小幾個數(shù)量級。假如結(jié)形成的很好，禁帶寬度愈寬的半導體，VOC也愈大。 開路電壓與短路電流的關(guān)系為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負載系統(tǒng)用一等效電路來模擬。在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)的太陽電池，其光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可把它看作是恒流源。光電流一部分流經(jīng)負載RL，在負載兩端建立起端電壓V，反過來它又正向偏置于p—n結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流Ibk，這樣，(a)所示。但是，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負載的電流，經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻RSh來等效。（b）的形式。其中暗電流等于總面積AT與Jbk乘積，而光電流IL為電池的有效受光面積AE與JL的乘積，這時的結(jié)電壓不等于負載的端電壓，由圖可見 () pn同質(zhì)結(jié)太陽電池等效電路（a）不考慮串并聯(lián)電阻 （b）考慮串并聯(lián)電阻根據(jù)上圖就可以寫出輸出電流I和輸出電壓V之間的關(guān)系 ()其中暗電流Ibk應為結(jié)電壓Vj的函數(shù)，而Vj又是通過式（）與 輸出電壓V相聯(lián)系的。當負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到VOC，同時輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。曲線上任何一點都可以作為工作點, 工作點所對應的縱橫坐標，即為工作電流和工作電壓,其乘積P=IV為電池的輸出功率 太陽電池的輸出特性轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最佳負載電阻R時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為即電池的最大功率輸出與入射功率之比，這里我們定義一個填充因子FF為 ()填充因子正好是IV曲線下最大長方形面積與乘積Voc180。Isc之比，所以轉(zhuǎn)換效率可表示為 ()太陽電池的光譜響應是指光電流與入射光波長的關(guān)系，設(shè)單位時間波長為λ的光入身到單位面積的光子數(shù)為F0（l），表面反射系數(shù)為ρ（l），產(chǎn)生的光電流為JL，則光譜響應SR（l）定義為 ()其中JL＝JL|頂層＋JL|勢壘＋JL|基區(qū)。理想吸收材料的光譜響應應該是：當光子能量hνEg時，SR＝0；hνEg時，SR＝1。載流子的擴散系數(shù)隨溫度的增高而增大，所以少數(shù)載流子的擴散長度也隨溫度的升高稍有增大，因此，光生電流JL也隨溫度的升高有所增加。但是J0隨溫度的升高是指數(shù)增大，因而VOC隨溫度的升高急劇下降。當溫度升高時，I—V曲線形狀改變，填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而降低。作為人造衛(wèi)星和宇宙飛船的電源，太陽電池已獲得了廣泛的應用。但是在外層空間存在著高能粒子，如電子、質(zhì)子、g粒子等。高能粒子輻照時通過與晶格原子的碰撞，將能量傳給晶格，當傳遞的能量大于某一閾值時，便使晶格原子發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一雜質(zhì)復合體等。這些缺陷將起復合中心的作用，從而降低少子壽命。大量研究工作表明，壽命參數(shù)對輻照缺陷最為靈敏，也正因為輻照影響了壽命值，從而使太陽電池性能下降。一、 禁帶亮度VOC隨Eg的增大而增大，但另一方面，JSC隨Eg的增大而減小。結(jié)果是可期望在某一個確定的Eg隨處出現(xiàn)太陽電池效率的峰值。二、溫度隨溫度的增加，效率η下降。ISC對溫度T很敏感，溫度還對VOC起主要作用。對于Si，溫度每增加1176。C，%，h也因而降低約同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在20176。C時的效率為20%，當溫度升到120176。C時，效率僅為12％。又如GaAs電池，溫度每升高1176。C， %。三、復合壽命希望載流子的復合壽命越長越好，這主要是因為這樣做ISC大。在間接帶隙半導體材料如Si中，離結(jié)100mm處也產(chǎn)生相當多的載流子，所以希望它們的壽命能大于1ms。在直接帶隙材料，如GaAs或Gu2S中，只要10ns的復合壽命就已足夠長了。長壽命也會減小暗電流并增大VOC。達到長壽命的關(guān)鍵是在材料制備和電池的生產(chǎn)過程中，要避免形成復合中心。在加工過程中，適當而且經(jīng)常進行工藝處理，可以使復合中心移走，因而延長壽命。四、光強將太陽光聚焦于太陽電池，可使一個小小的太陽電池產(chǎn)生出大量的電能。設(shè)想光強被濃縮了X倍，單位電池面積的輸入功率和JSC都將增加X倍，同時VOC也隨著增加(kT/q)lnX倍。因而輸出功率的增加將大大超過X倍，而且聚光的結(jié)果也使轉(zhuǎn)換效率提高了。五、摻雜濃度及剖面分布對VOC有明顯的影響的另一因素是摻雜濃度。雖然Nd和Na出現(xiàn)在Voc定義的對數(shù)項中，它們的數(shù)量級也是很容易改變的。摻雜濃度愈高，Voc愈高。一種稱為重摻雜效應的現(xiàn)象近年來已引起較多的關(guān)注，在高摻雜濃度下，由于能帶結(jié)構(gòu)變形及電子統(tǒng)計規(guī)律的變化，所有方程中的Nd和Na都應以（Nd）eff和（Na）eff代替。既然（Nd）eff和（Na）eff顯現(xiàn)出峰值，那么用很高的Nd和Na不會再有好處，特別是在高摻雜濃度下壽命還會減小。上圖（b）說明了這一點。 高摻雜效應。隨摻雜濃度增加有效摻雜濃度飽和，甚至會下降目前，在Si太陽電池中，摻雜濃度大約為1016cm3，在直接帶隙材料制做的太陽電池中約為1017 cm3，為了減小串聯(lián)電阻，前擴散區(qū)的摻雜濃度經(jīng)常高于1019 cm3，因此重摻雜效應在擴散區(qū)是較為重要的。當Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均勻且朝著結(jié)的方向降低時，就會建立起一個電場，其方向能有助于光生載流子的收集，因而也改善了ISC。這種不均勻摻雜的剖面分布，在電池基區(qū)中通常是做不到的；而在擴散區(qū)中是很自然的。六、表面復合速率低的表面復合速率有助于提高ISC，并由于I0的減小而使VOC改善。前表面的復合速率測量起來很困難，經(jīng)常被假設(shè)為無窮大。一種稱為背表面場（BSF）電池設(shè)計為，在沉積金屬接觸之前，電池的背面先擴散一層P＋附加層。，在P/P＋界面 背表面場電池。在P/P+結(jié)處的電場妨礙電子朝背表面流動存在一個電子勢壘，它容易做到歐姆接觸，在這里電子也被復合，在P/P＋界面處的復合速率可表示為 ()其中N+a，Dn＋和Ln+分別是P＋區(qū)中的摻雜濃度、擴散系數(shù)和擴散長度。如果Wp+=0，則Sn=∞，正如前面提到的。如果Wp+與Ln+能比擬，且N+aNa，則Sn可以估計零，Sn對JSC、。當Sn很小時，JSC和η都呈現(xiàn)出一個峰。 背表面復合速率對電場參數(shù)的影響。注意，Sn較小時，在某個電池厚度出現(xiàn)η峰七、串聯(lián)電阻在任何一個實際的太陽電池中，都存在著串聯(lián)電阻，其來源可以是引線、金屬接觸柵或電池體電阻。不過通常情況下，串聯(lián)電阻主要來自薄擴散層。PN結(jié)收集的電流必須經(jīng)過表面薄層再流入最靠近的金屬導線，這就是一條存在電阻的路線，顯然通過金屬線的密布可以使串聯(lián)電阻減小。一定的串聯(lián)電阻RS的影響是改變I－V曲線的位置。八、金屬柵和光反射在前表面上的金屬柵線不能透過陽光。為了使ISC最大，金屬柵占有的面積應最小。為了使RS小，一般是使金屬柵做成又密又細的形狀。因為有太陽光反射的存在，不是全部光線都能進入Si中。裸Si表面的反射率約為40%。使用減反射膜可降低反射率。對于垂直地投射到電池上的單波長的光，用一種厚為1/4波長、折射率等于 （n為Si的折射率）的涂層能使反射率降為零。對太陽光，采用多層涂層能得到更好的效果。許多結(jié)構(gòu)，如PN結(jié)和金屬半導體結(jié)，具有明顯的單向?qū)щ姷腎V特性。在照明條件下，它們的IV曲線沿電流軸平移，接上負載后，該器件在正電壓和正電流象限工作，給負載提供功率。一個太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是其輸出功率與輸入功率之比。為獲取高效率，希望有大的短路電流，高的開路電壓和大的填充因子，如果太陽電池用禁帶寬度（Eg）小的材料做成，則短路電流較大。好的制造工藝及好的電池設(shè)計因載流子復合最小，也能使短路電流提高。太陽電池若用Eg大的材料做成，則具有較高的開路電壓。填充因子是I－V曲線拐點處陡度的量度，串聯(lián)電阻可使它變小。通常開路電壓較高時，F(xiàn)F也較大。轉(zhuǎn)換效率隨光強增大而增大，隨溫度降低也增大。～，可望達到最高效率。薄膜電池用直接帶隙半導體更為可取，因為它能在表面附近吸收光子。第二章 硅太陽電池常規(guī)工藝自１９５３年研制出具有一定光電轉(zhuǎn)換效率的硅太陽電池后，便被主要應用于空間飛行器的能源系統(tǒng)。最早在尖兵一號衛(wèi)星上裝備了太陽電池，從此，太陽電池在空間的應用不斷擴大。相應地，研制了生產(chǎn)滿足空間電池的標準電池工藝流程。該工藝在六十年代和七十年代初期一直被沿用。到七十年代中期，由于石油危機，人們將注意力投到新能源上。一些企業(yè)開始生產(chǎn)專門用于地面的電池，生產(chǎn)電池的工藝有了某些重大的改變。其基本工藝可以歸納為下列步驟：１、砂子還原成治金級硅２、治金級硅提純?yōu)榘雽w級硅３、半導體級硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵础⒐杵瞥商栯姵兀?、太陽電池封裝成電池組件 硅材料的制備與選取硅是地球外殼第二位最豐富的元素，提煉硅的原料是ＳiO２。在目前工業(yè)提煉工藝中，一般采用ＳiＯ２的結(jié)晶態(tài)，即石英砂在電弧爐中（）用碳還原的方法治煉得反應方程為 生產(chǎn)冶金級硅的電弧爐的斷面圖1. 碳和石英巖；；；；；；；；；；；工業(yè)硅的純度一般為９５％～９９％，所含的雜質(zhì)主要為Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍg等。由工業(yè)硅制成硅的鹵化物（如三氯硅烷，四氯化硅）通過還原劑還原成為元素硅，最后長成棒狀（或針狀、塊狀）多晶硅。習慣上把這種還原沉積出的高純硅棒叫作多晶硅。多晶硅經(jīng)過區(qū)熔法（Ｆｚ）和坩堝直拉法（ＣＧ）制成單晶硅棒。隨著太陽電池的應用從空間擴展到地面，電池生產(chǎn)成本成為推廣應用的最大障礙。硅片質(zhì)量直接影響成品電池的性能，它的價格在很大程度上決定了成品電池的成本。質(zhì)量和價格是必須要重點考慮的因素。降低太陽電池的成本決定于硅材料成本的降低。而硅材料成本的關(guān)鍵在于材料的制造方法。為了能與其它能源競爭，一般要和晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率大于１０％。達到這一要求實際上并不需要使用半導體級硅。人們研制、生產(chǎn)太陽電池級硅（ＳＯＧ——Ｓｉ）。我們知道一些金屬（Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ和Ｖ）只要很低的濃度就能降低電池的性能，而另一些雜質(zhì)即便濃度超過１０１５／ｃｍ２仍不成問題，此濃度大約比半導體級硅的雜質(zhì)濃度高１００倍，這樣就可以選用成本較低的工藝來生產(chǎn)純度稍低的太陽電池級硅，而仍舊能制造性能比較好的電池。為了進一步降低電池成本，人們還在研究單晶硅。 蹼狀硅生產(chǎn)設(shè)備示意圖 柱形晶粒的多晶硅太陽電池除了價格、成本和來源難易外，根據(jù)不同用途，可以從下幾方面選用硅材料１、導電類型：從國內(nèi)外硅太陽電池生產(chǎn)的情況來看，多數(shù)采用Ｐ型硅材料，這是基于ｎ＋／ｐ型電池在空間的應用及其傳統(tǒng)的生產(chǎn)歷史。也由于該種材料易得。２、電阻率：由硅太陽電池的原理知道，在一定范圍內(nèi)，電池的開路電壓隨著硅基體電阻率的下降而增加，材料電阻率較低時，能得到較高的開路電壓，而路電流則略低，總的轉(zhuǎn)換效率較高。所以，～。太低的電阻率。反而使開路電壓降低，并且導致填充因子下降。３、晶向、位錯、壽命太陽電池較多選用（１１１）和（１００）晶向生長的單晶。由于絨面電池相對有較高的吸光性能，較多采用（１００）間的硅襯底材料。在不要求太陽電池有很高轉(zhuǎn)換效率的場合，位錯密度和電子壽命不作嚴格要求。 單體電池的制造硅單體太陽電池的主要制造工藝主要包包括表面準備、擴散制結(jié)、制作電極和減反射膜幾道工序，下面分別作一敘述：硅片的表面準備是制造硅太陽電池的第一步主要工藝，它包括硅片的化學清洗和表面腐蝕。通常，由單晶棒所切割的硅片表面可能污染的雜質(zhì)大致可歸納為三類：油脂、松香、蠟等有機物質(zhì)。金屬、金屬離子及各種無機化合物。塵埃以及其它可溶性物質(zhì)，通過一些化學清洗劑可以達到去污的目的。如硫酸、王水、酸性和堿性過氧化氫溶液等。硅片經(jīng)過初步清洗去污后，要進行表面腐蝕，這是由于機械切片后，在硅片表面留下的平均為30～50mm厚的損傷層，腐蝕液有酸性和堿性兩類。酸性腐蝕法硝酸和氫氟酸的混合液可以起到很好的腐蝕作用，其溶液配比為濃硝酸：氫氟酸=10：1到2：1。硝酸的作用是使單質(zhì)硅氧化為二氧化硅，其反應為3Si+4HNO3===3SiO2+2HO2+4NO173。而氫氟酸使在硅表