【正文】 及轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。 (2)制備方法 ①真空鍍；⑨濺射鍍；②印刷涂；④噴涂；⑤CVD沉積SiN等，⑥化學(xué)浸漬等。但是，由于光在硅表面的反射，使光損失約11％，即使是絨面的硅表面，也損失約1／3。腐蝕后用水洗凈，再移去掩蔽，即告完成。有的周邊擴(kuò)散層已在腐蝕除去背結(jié)的同時一起除去，一般可以省去這一工序，少數(shù)有局部短路現(xiàn)象的電池仍需要腐蝕周邊以恢復(fù)輸出特性。在制造電池的工藝流程中，通常都在制得電極后腐蝕周邊。周邊擴(kuò)散層若不去掉，將會使電池的上、下電極形成短路環(huán)，必須除去它。上電極通常制成窄細(xì)的柵線狀以克服擴(kuò)散層的電阻，并由一條較寬的母線來收集電流，下電極則布滿電池背面的全部或者絕大部分，以減小電池的串聯(lián)電阻。與p型區(qū)接觸的電極是電流輸出的正極，與n型區(qū)接觸的電極是電流輸出的負(fù)極。為了使硅太陽電池產(chǎn)生的電能可以輸出，必須在電池上制作正、負(fù)兩個電極，以便其產(chǎn)生的電能可匯集流出。除去背結(jié)常用的有三種方法：化學(xué)腐蝕 磨砂(或噴砂)和蒸鋁燒結(jié)法。圖3．4　絨面硅表面3．除去背結(jié)在摻雜制結(jié)過程中，往往在電池側(cè)面及背面也形成了pn結(jié)。它是電池制造過程中的關(guān)鍵工序之一。制結(jié)前硅表面的性質(zhì)和狀態(tài)對結(jié)特性影響很大，從而影響成品太陽電池的性能，故應(yīng)十分重視。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅片的表面準(zhǔn)備主要包括： (1)硅片的化學(xué)清洗 以除去沾污在硅片上的各種雜質(zhì)； (2)表面腐蝕 除去硅表面的切割損傷，獲得適合制結(jié)要求的硅表面； (3)絨面制備 絨面狀的硅表面是利用硅的各向異性腐蝕。尤其在切片和研磨過程中，晶片表面形成一個晶格高度扭曲層和一個較深的彈性變形層。地面用太陽電池，最主要是價格低，因此，生產(chǎn)過程要盡可能簡單化，材料損失少，因此，地面用太陽電池多做成圓形。另外，對于發(fā)向宇宙空間的人造衛(wèi)星來說，要在使用中進(jìn)行修理是十分困難的，因此，要求有非常高的可靠性。圖3．3是這兩類太陽電池的構(gòu)造。一類是空間用太陽電池。為了使薄片厚度盡量變薄，并減少切割時的材料損失提高材料利用率；國際先進(jìn)水平采用多線切割。單晶或多晶硅片一般厚度為：δ＝－。 精度較高的為內(nèi)圓切割。主要切片方法有；a．外圓切割；b．內(nèi)圓切割；c．多線切割；d．激光切割等。區(qū)熔法特點是能提高純度，減少含氧量及晶體缺陷。它可使結(jié)晶大口徑化，并能連續(xù)拉出數(shù)條單晶錠。 (1)直拉法　將多晶硅在石英坩堝中加熱熔化，用一小塊稱作籽晶的單晶體(結(jié)晶源)硅與熔融硅接觸．然后一面旋轉(zhuǎn)一面從熔體中拉出，使液體硅沿籽晶這個結(jié)晶中心和結(jié)晶方向生長出完整的單晶體。幾十年來制造高純單晶硅的方法幾乎沒有理大突破。為了防止摻雜劑在摻過程中大量升華損失，往往事先將摻雜劑做成含量穩(wěn)定的母合金再行熔化。因此，更有效地提純冶金級硅一直是改進(jìn)工藝的主要目標(biāo)。這就是生產(chǎn)半導(dǎo)體級硅比生產(chǎn)冶金級硅所需耗能量增加很多的主要原因。在此過程中，硅以細(xì)晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上，其反應(yīng)式：用上述方法可以獲得較高純度的多晶硅，它是當(dāng)前制備電路級硅的主要方法。其過程：用HCl把細(xì)碎的冶金級硅顆粒變成流體，用銅催化劑加速反應(yīng)進(jìn)行：釋放出的氣體通過冷凝器，所得到的液體經(jīng)過多級分溜得到半導(dǎo)體級SiHCl3(三氯氫硅)，這是硅酮工業(yè)的原材料。冶金級硅被轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，接著采用分餾方法將其冷凝并提純。 (2)半導(dǎo)體級硅 用于太陽電池或其他半導(dǎo)體器件的硅，其純度級比冶金級更高。我國的山東、江蘇、湖北、云南、內(nèi)蒙、海南等地都有分布，其工藝流程如下：（1）冶金硅 硅砂用電弧妒冶煉出冶金硅，其反應(yīng)式世界上每年生產(chǎn)上百萬噸冶金硅，主要用于煉鋼和煉鋁工業(yè)．所以冶金硅亦稱工業(yè)硅。提煉硅的原始材料是SiO2，也是砂子的主要成分。圖3．l是硅太陽電池生產(chǎn)全過程。在當(dāng)前太陽電池的實際應(yīng)用中，單晶硅電池是最成熟、工業(yè)化程度最高、應(yīng)用面最廣和產(chǎn)量最大的太陽電池。硅太陽電池又進(jìn)一步分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池，所謂單晶硅是指硅電池材料的結(jié)構(gòu)為單—晶體(一塊晶體從頭至尾晶格都按一種排列重復(fù))；而由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的稱為多晶硅；非晶硅則其材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無規(guī)則。因此，相應(yīng)的太陽電池主要有：硅（Si），GaAs，Cds／Cu2S，Cds／CdTe，CdS／InP，CdTe/Cu2Te，無機(jī)、有機(jī)等太陽電池。3．1　太陽電池材料籠統(tǒng)地講只要能以較高的光伏轉(zhuǎn)換效率且可以保持較低的生產(chǎn)成本的材料都可考慮用作太陽電池材料。由于光電系統(tǒng)不必將能轉(zhuǎn)變成熱能再轉(zhuǎn)變成動能因而不受卡諾循環(huán)限制，并且，這種只靠陽光照射直接產(chǎn)生電能的裝置還可利用太陽漫射輻射，本身重量經(jīng)，無活動元件，使用安全，天熱無氣無放射性，單位質(zhì)量有相當(dāng)大的功率輸出，適宜大型或小型發(fā)電，轉(zhuǎn)換效率與電池大小無關(guān)等等，所以，盡管目前價格還比較貴，但隨著生產(chǎn)技術(shù)和效率的改進(jìn)，元件的成本將不斷下降，已有越來越多的專家們正在努力嘗試將太陽電池應(yīng)用于太陽光發(fā)電。太陽電池發(fā)明初期主要作為電源用在太空衛(wèi)星上。第3章　太陽能電池材料與工藝太陽電池是1954年由D．M．查平，C．S．富勒和G．L．皮爾遜發(fā)明的。如此便在pn結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生了光生電壓，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在n區(qū)中，光生電子空穴對產(chǎn)生以后，光生空穴使向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)建電場作用．被電場力牽引作漂移運(yùn)動，越過耗盡區(qū)進(jìn)入p區(qū)，光生電子(多子)則被留在n區(qū)。光生電子空穴對在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離．光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)p區(qū)。pn結(jié)正、反向?qū)щ娦院軕沂獾牟顒e即是pn結(jié)的整流特性。相反，增強(qiáng)了少子的漂移作用，把n區(qū)中的空穴驅(qū)向p區(qū)，而把p區(qū)中的電子拉向n區(qū)，在結(jié)中形成了由n指向p的反向電流；因少于數(shù)目較少，所以反向電流一般都很小。圖2．9　pn結(jié)的整流特性和太陽電池的明暗特性若p區(qū)接負(fù)，n區(qū)接正，則外加電壓VR與VD同向，VR稱為反向電壓。正偏時結(jié)勢壘高度減低為q(VDVR)，于是n區(qū)中有大量電子擴(kuò)散到p區(qū)．p區(qū)也有大量空穴擴(kuò)散到n區(qū)，形成出p指向n的可觀的擴(kuò)散電流．也稱正向電流。外加電場會增加擴(kuò)散電流，使pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)。圖2．8e是空間電荷區(qū)電荷分布；圖2．8f空間電荷區(qū)電場強(qiáng)度分布，可以看到極大值εmax出現(xiàn)在n區(qū)和p區(qū)接觸面上；圖2．8g各區(qū)載流子分布，圖2．8h為pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。彎曲的能帶對于從n區(qū)向p區(qū)運(yùn)動的電子或從p區(qū)向n區(qū)運(yùn)動的空穴都有阻擋作用，因為它們必須爬過勢能的高度才能進(jìn)入另一區(qū)域。p區(qū)的能帶相對于n區(qū)的能帶整體地向上拉了∣qVD∣高度．如圖圖2．8d所示。pn結(jié)兩邊的電位不等，導(dǎo)致它們的電勢能也不等。圖2．8　平衡pn結(jié)的電性圖內(nèi)建電場存在表明空間電荷區(qū)中存在電位梯度，也就是說空間電荷區(qū)兩邊的電位是不相等的。又因為阻擋層中充滿了固定電荷，故又稱空間電荷區(qū)。類似的過程也使結(jié)附近p側(cè)附近剩下一薄層不能移動的電離硼原子B，它阻礙p區(qū)空穴向n區(qū)及n區(qū)電子向p區(qū)的繼續(xù)流動。當(dāng)p型硅和n型硅互相接觸時，如圖2．8a所示，由于結(jié)(交界面)兩側(cè)的電子和空穴的濃度不同，結(jié)附近的電子就強(qiáng)烈地要從n側(cè)向p側(cè)方向作擴(kuò)散運(yùn)動．空穴則要向相反的方向從p側(cè)向n側(cè)方向作擴(kuò)散運(yùn)動；結(jié)附近n側(cè)的電子流向p區(qū)后，就剩下了一簿層不能移動的電離磷原子P+。因而在p型硅中均勻分布著濃度為Pp的空穴(多子)，及濃度為Np的電子(少子)。設(shè)二塊均勻摻雜的p型硅和p型硅．摻雜濃度分別為Np和Nn。圖2．7 摻雜硅的原子和能帶圖2．2　光生伏特效應(yīng)1．平衡pn結(jié)當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合聯(lián)成一塊時，在兩者的交界面處就形成pn結(jié)。因而雖然有少量雜質(zhì)存在，卻會顯著地改變導(dǎo)帶中的電子數(shù)和價帶中的空穴數(shù)，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。全部電離時，空穴濃度p≈NA，NA為受主濃度。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)基本上決定于價帶中空穴的運(yùn)動．所以稱為空穴型(p型)半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體中，從半導(dǎo)體接受電子的雜質(zhì)稱為受主。在能帶圖中，這種雜質(zhì)局部能級接近于價帶頂Ev，價帶與雜質(zhì)局部能級之間的能量差值ΔEA，根據(jù)實驗結(jié)果，一般也不到0．1eV，熱運(yùn)動動能就可使空穴跳至價帶。在硅中加進(jìn)Ⅲ族元素(如硼)以后，一個硼原子在晶格中與周圍四個硅原子構(gòu)成共價健時，缺少一個價電子，因而很容易從別處奪來一個價電子自身電離成負(fù)離子，如圖2．7b所示。硅中的V族元素在室溫下全部電離而提供同等數(shù)量的導(dǎo)電電子，這種提供電子的雜質(zhì)稱為施主，在室溫下可以認(rèn)為電子濃度n≈ND，ND為施主濃度。這樣磷在硅中的電離能比硅的禁帶寬度小很多，只有0．044eV。這種摻雜半導(dǎo)體通常稱做電子型(n型)半導(dǎo)體。因此，這種半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子的數(shù)目雖然并不多，但是在常溫下導(dǎo)帶中的自由電子濃度，卻比同一溫度下純凈半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子濃度要大好幾倍，這就大大地減小了半導(dǎo)體的電阻。根據(jù)實驗的結(jié)果，ΔED的量值一般僅為百分之幾的電子伏特。但是，在受到熱激發(fā)時，很容易躍遷到導(dǎo)帶中去，所以這些局部能級又叫做施主能級，用ED表示?？拷鼘?dǎo)帶的短細(xì)線表示雜質(zhì)的多余電子在禁帶中所形成的摻雜局部能級。因此，這種能級又稱為局部能級。四價元素的原子具有四個價電子，而所摻入的雜質(zhì)原子將在晶體中替代硅或鍺原子的位置，構(gòu)成與硅或鍺相同的四電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果雜質(zhì)原子成為具有凈正電荷＋e的離子，所多余的一個電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運(yùn)動。摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體，稱為摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體 根據(jù)需要可以在純凈半導(dǎo)體晶體點陣?yán)铮脭U(kuò)散的方法摻入少量的其他元素的原子。在本征硅中，導(dǎo)電的電子和空穴都是由于共價鍵破裂而產(chǎn)生的。如硅、鍺、研等都是這一類的半導(dǎo)體。圖2．5　本征半導(dǎo)體的能帶簡圖這兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所給出的電流都在外電場的方向上。它是“空穴”(空穴只有在基本上填滿了的滿帶中才有意義)的反方向運(yùn)動導(dǎo)電的，滿帶中的這種導(dǎo)電性，稱為空穴導(dǎo)電性。在導(dǎo)帶中，由于自由電子的存在而引起的導(dǎo)電性，稱為電子導(dǎo)電性。這樣，半導(dǎo)體則可導(dǎo)電。在外電場作用下，如果滿帶仍然是填滿電子的，外電場不能改變滿帶中電子的量子狀態(tài)，也就是不能增加電子的能量和動量，因而不能產(chǎn)生電子的定向運(yùn)動，不會產(chǎn)生電流。在絕對溫度零度時，能帶結(jié)構(gòu)如圖2．5a所示。許多實際晶體存在軌道雜化現(xiàn)象。例如有時兩個分立的能級會互相交雜；或變?yōu)榛ハ喁B合的能帶而禁帶消失；或分裂為另外兩組能帶。電子不具有禁帶范圍內(nèi)的能量。但是價電子有可能經(jīng)激發(fā)后躍遷到空帶中而參與導(dǎo)電，所以空帶亦稱導(dǎo)帶或自由帶。激發(fā)能級也同樣分裂成為能帶。價帶的寬度約為幾個電子伏特(eV)。2)原來的一個能級分裂成一個能帶：不同的能級分裂成不同的能帶。電子只能取一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，形成一系列分立的能級，量子化)。如圖2．4所示。這N個新能級具有一定的能量范圍，故稱為能帶。而電子則具有某一新能級的能量，在晶體點陣的周期性場中運(yùn)動。由于內(nèi)外殼層交疊程度差異較大．所以，只有最外層電子的共有化運(yùn)動才顯著。也可以說．結(jié)合成晶體后，每一個原子能引起“與之相應(yīng)”的共有化運(yùn)動。所以共有化運(yùn)動是指不同原子中的相似軌道上的電子的轉(zhuǎn)移。這種運(yùn)動稱為電子的共有化運(yùn)動?？梢杂梢粋€原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去。原子組成晶體后。但事實上當(dāng)原子結(jié)合為晶體時、每一原子中的價電子除受本身原子核及內(nèi)層電子的作用外，還受到其它原子的作用。在晶體中，如果認(rèn)為各個原子是完全孤立的，那么，各個原子的相應(yīng)能級的能量應(yīng)完全相等。為簡單起見，在圖2．2中價級只畫一條橫線來表示。價電子經(jīng)激發(fā)后，可以躍遷到價級以上的空能級中去。 未填滿電子的最外殼層中的電子數(shù)決定這一元素的化學(xué)性質(zhì)；這些電子稱為價電子。在鍺原子中．第一、第二和第三電子殼層是填滿的；與原子核距離較近，結(jié)合也較牢固，稱為內(nèi)(層)電子。如圖2．1所示，最內(nèi)的電子殼層(n＝l＝0)有2個電子；第二個電子殼層有兩個分層(n＝2；l＝0，1)，分別有2個和6個電子；依次類推。圖2．1　鍺原子的電子殼層示意圖 電子在原子中的運(yùn)動狀態(tài)是由n、l、m、ms，決定的，并且可以用能級來描繪電子所可能的運(yùn)動狀態(tài)。從量子力學(xué)的觀點來看，原子中電子本無確定的軌道；之所以使用軌道一詞，實際上是指電子出現(xiàn)幾率較大之處。2．能帶固體中原子的能級結(jié)構(gòu)和孤立原子的不同，形成所謂“能帶”。所以能態(tài)、狀態(tài)和能級的含義相同。所以一個殼層相當(dāng)于一個能量等級，稱為能級。原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續(xù)的、由電子運(yùn)動軌道構(gòu)成的殼層．電子只能在殼層里繞