光電池的制備與應(yīng)用畢業(yè)論文

1、<p><b>　　電信學(xué)院</b></p><p>　　光電池的制備方法與應(yīng)用</p><p>　　系 部：電子信息工程系</p><p>　　專 業(yè)：光電子技術(shù)</p><p>　　班 級：光電09303</p><p><b>　　設(shè) 計(jì) 者：彭超<

2、;/b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：宋露露</b></p><p>　　日期：2012年3月</p><p>　　光電池的制備方法與應(yīng)用</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　光電池又名太陽能電池。</p><p

3、>　　太陽能（光能）是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。</p><p>　　本論文的書寫旨在掌握當(dāng)前光電池的種類以及主流電池的制備方法、光伏發(fā)電的背景、光伏發(fā)電的原理，在此基礎(chǔ)之上了解相關(guān)的光電池的社會(huì)應(yīng)用。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)確定了如

4、下的基本思路：</p><p><b>　　硅光電池特性研究；</b></p><p>　　光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的背景；</p><p><b>　　光伏發(fā)電的原理；</b></p><p><b>　　光電池的制備方法；</b></p><p><b&g

5、t;　　光電池的社會(huì)應(yīng)用；</b></p><p>　　由于本人水平有限，加之時(shí)間緊迫，不妥之處、疏漏的地方是難免的，敬請老師批評指正，謝謝。</p><p>　　關(guān)鍵詞：硅光電池；光伏發(fā)電；太陽能電池</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 光電池的基礎(chǔ)1</p>

6、<p>　　1.1 光電池發(fā)展歷史1</p><p>　　1.2 半導(dǎo)體材料與理論2</p><p>　　1.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能3</p><p>　　2 硅光電池特性研究4</p><p>　　2.1 硅光電池的基本原理4</p><p>　　2.2 硅光電池的主要特性5</

7、p><p>　　2.2.1 硅光電池的主要參數(shù)和照度特性5</p><p>　　2.2.2 硅光電池的負(fù)載特性5</p><p>　　2.2.3 硅光電池的光譜特性6</p><p>　　2.2.4 硅光電池的溫度特性6</p><p>　　2.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)7</p><p>

8、;　　2.3.1 測量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性7</p><p>　　2.3.2 測量硅光電池的負(fù)載特性9</p><p>　　3 光電池的制造11</p><p>　　3.1 表面絨面化11</p><p>　　3.1.1 絨面受光面積11</p><p>　　3.1.2 絨面反射率12</p>

9、;<p>　　3.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散12</p><p>　　3.3 SiN鈍化與APCVD淀積TiO212</p><p>　　3.4 PECVD淀積SiN13</p><p>　　3.5 共燒形成金屬接觸13</p><p>　　3.6 電池片測試14</p><p>　　3.6.1 光電池的測

10、試原理14</p><p>　　4 光電池的應(yīng)用16</p><p>　　4.1 光電池的運(yùn)用范圍16</p><p>　　4.2 光電池的種類17</p><p>　　4.2.1 硅光電池17</p><p>　　4.2.2 多元化合物薄膜光電池17</p><p>　　4.2.3

11、 聚合物多層修飾電極型光電池18</p><p>　　4.2.4 納米晶光電池18</p><p>　　4.2.5 有機(jī)光電池18</p><p>　　4.3 光電池家庭化的應(yīng)用18</p><p>　　4.4光電池的市場與應(yīng)用19</p><p>　　4.5 我國光電池的發(fā)展?fàn)顩r與新進(jìn)展20</p&

12、gt;<p><b>　　總結(jié)22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　1 光電池的基礎(chǔ)</b></p><p>　　1.1 光電池發(fā)展歷史

13、</p><p>　　從1839 法國科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏現(xiàn)象）算起，光電池已經(jīng)經(jīng)過了160 多年漫長的發(fā)展歷史。</p><p>　　從總的發(fā)展來看，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用。對光電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家關(guān)于單晶硅光電池的研制成功，在光電池發(fā)展史上起到了里程碑的作用。</p><p

14、>　　至今為止，光電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒有改變，光電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)， 如非晶硅光電池、CIS光電池、CdTe光電池和納米敏化光電池等，此外主要的是生 產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅光電池生產(chǎn)工藝的成功開發(fā)，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等。</p><p>　　具體的發(fā)展時(shí)段如下：</p><p>　　-1839 法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家

15、 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng),簡稱為光伏效應(yīng)；</p><p>　　-1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽電池；</p><p>　　-1883 美國發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽電池的原理；</p><p>　　-1904 Hallwachs 發(fā)現(xiàn)銅與氧化

16、亞銅 (Cu/Cu2O) 結(jié)合在一起具有光敏特性；</p><p>　　-1918 波蘭科學(xué)家 Czochralski 發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝；</p><p>　　-1921德國物理學(xué)家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎(jiǎng)； </p><p>　　-1930 B. Lang 研究氧化亞銅/銅 (Cu/Cu2O) 太陽電池

17、，發(fā)表“新型光伏電池”論文；</p><p>　　-1932 Audobert 和 Stora 發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)象；</p><p>　　-1953 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich 博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各 類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算；</p><p>　　-1954 RCA 實(shí)驗(yàn)室的 P.Rappaport

18、等報(bào)道硫化鎘(CdS) 的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國無線電公司)；</p><p>　　-1957 Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)；</p><p>　　-1959 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效

19、率達(dá)到 10%， 并通過用網(wǎng)柵電極來顯著 減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6 號發(fā)射，共用 9600 片電池列陣，每片 2 平方厘米,共約 20W；</p><p>　　-1972 法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電；</p><p>　　-1997 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 125.8 MW；</p><p>　　-2001 世界太陽

20、電池年產(chǎn)量超過 399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等報(bào)道碲化鎘 （CdTe）電池效率達(dá)到 16.4%；單晶硅太陽電池售價(jià)約為 3 USD/W；</p><p>　　-2003 太陽電池年產(chǎn)量超過 760 MW；</p><p>　　-2004 太陽電池年產(chǎn)量超過 1200 MW； 德國 Fraunhofer ISE 多晶硅太陽電池效率達(dá)20.3%; 非

21、晶硅電池占市場份額 4.4%,降為 1999 年的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%；</p><p>　　-2010 通過技術(shù)突破，太陽電池成本進(jìn)一步降低，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德國可再生能源發(fā)電達(dá)到 12.5%；</p><p>　　1.2 半導(dǎo)體材料與理論 </p><p>　　光電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換

22、功能的半導(dǎo)體器件。至今為止，與集成電路一樣，占絕對主導(dǎo)市場的光電池也是以硅材料為主的。為了全面、系統(tǒng)了解太陽電池，有必要對半導(dǎo)體材料，特別是硅材料作必要的了解。按導(dǎo)電性強(qiáng)弱，材料一般可分為三大類，即導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。</p><p>　　1.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能</p><p>　　雜特性：摻入微量的雜質(zhì)（簡稱摻雜）能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化

23、，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。</p><p>　　溫度特性：溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。</p><p>　?。?）環(huán)境特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光

24、電導(dǎo)現(xiàn)象）。</p><p>　?。?）此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場、磁場、壓力和氣氛的作用等而變化。</p><p>　　2 硅光電池特性研究</p><p>　　2.1 硅光電池的基本原理</p><p>　　光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，不用外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。它的種類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅、硫

25、化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。它有一系列的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等。同時(shí)它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度最相近，所以，它在很多分析儀器、測量儀器、曝光表以及自動(dòng)控制監(jiān)測、計(jì)算機(jī)的輸入和輸出上用作探測元件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要地位。本實(shí)驗(yàn)僅對硅光電池的基本特性和簡單應(yīng)用作基本的了解和研究。</p><p>　　硅光電池是一種P—N結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)

26、光照射到P—N結(jié)時(shí)，由于光激發(fā)的光生載流子的遷移，使P—N結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢，如果他與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將由光電流產(chǎn)生。</p><p>　?。ü韫怆姵卦斫Y(jié)構(gòu)圖）</p><p>　　硅光電池可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池，其中本實(shí)驗(yàn)中使用的2DR型硅光電池屬于單晶硅光電池。下圖是常用的硅光電池的外形及結(jié)構(gòu)示意圖，為提高效率，在器件的受光面上進(jìn)行氧化，形成SiO2保護(hù)

27、膜，以防止表面反射光，并且表面電極做成梳妝，減少光生載流子的復(fù)合機(jī)會(huì)。單晶硅光電池的轉(zhuǎn)換率一般在10%左右，最高可達(dá)15%~20%。目前，使用較廣發(fā)的太陽能電池屬于多晶硅光電池，轉(zhuǎn)換率約為7%。多晶硅光電池采用價(jià)格低廉的多晶硅作材料，而且可用簡單的真空涂鍍法制造，其大小不受晶體的大小限制，可制作大面積光電池。</p><p>　　2.2 硅光電池的主要特性</p><p>　　2.2.1

28、硅光電池的主要參數(shù)和照度特性</p><p>　　開路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動(dòng)勢稱為開路電壓，開路電壓與入射光照度的特性曲線稱為開路電壓曲線。</p><p>　　短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路時(shí)所輸出的光電流值稱為短路光電流。光電流密度與照度的特性曲線稱為短路電流曲線。</p><p>　　圖a為硅光電池的開路電壓曲線和短路電流

29、曲線，其中曲線1是負(fù)載電阻無窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x時(shí)就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。 </p><p>　　圖a硅光電池的光電特性</p><p>　　（ 1－開路電壓特性曲線 2－短路電流特性曲

30、線）</p><p>　　2.2.2 硅光電池的負(fù)載特性</p><p>　　硅光電池的伏安特性與最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流I和硅光電池兩端的電壓U相應(yīng)地變化，稱為硅光電池的伏安特性。當(dāng)負(fù)載電阻取某一值時(shí)，其輸出功率最大，這稱為最佳匹配，此時(shí)所用的電阻稱為最佳匹配電阻。</p><p>　　硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻等于開路電壓除

31、以短路電流。可以觀察到光照面積不同時(shí)，硅光電池的內(nèi)阻將發(fā)生變化。</p><p>　　2.2.3 硅光電池的光譜特性</p><p>　　在入射光能量保持一定的情況下，短路電流與不同的入射光頻率（波長）之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。</p><p>　　圖b為硅光電池光譜特性曲線，從曲線可看出，硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，

32、因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 </p><p>　　圖b 硅光電池光譜特性</p><p>　　2.2.4 硅光電池的溫度特性</p><p>　　硅光電池的開路電壓、短路電流隨溫度變化的曲線表征了它的溫度特性。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。</p>&l

33、t;p>　　圖c為硅光電池的溫度特性曲線，圖中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　圖c 硅光電池溫度特性</p><p>　　（1－開路電壓 2－短路電流）</p><p>　　2.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)</

34、p><p>　　實(shí)驗(yàn)儀器：實(shí)驗(yàn)用具：電位差計(jì)、硅光電池（2DR65型，面積Φ=15nm2，光強(qiáng)100mW/cm2,溫度為20℃時(shí)，開路電壓大于500mV，短路電流為31~55mA，光譜峰值在0.45~1.1um范圍內(nèi)），光源，聚光透鏡，檢流計(jì)，濾色片，偏振片，開關(guān)等。</p><p>　　2.3.1 測量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性 </p><p>　　1.把入射光擋掉，

35、把檢流計(jì)打到“×1”擋，然后把檢流計(jì)調(diào)到零。</p><p>　　2.點(diǎn)亮白熾燈光源（12V），并把發(fā)光燈絲對焦成像在單色議的狹縫上面</p><p>　　使硅光電池接受的光電流不要超過檢流計(jì)的刻度。</p><p>　　3.以硅光電池為接受接收元件，轉(zhuǎn)動(dòng)波鼓為：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0c

36、m，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm。在進(jìn)行測量前，一定要把波鼓轉(zhuǎn)到17.8的位置，檢查光電流是否大小適當(dāng)，不要超過檢流計(jì)的量程。</p><p>　　數(shù)據(jù)測三次，取平均值，把實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)列于表一。</p><p>　　表一 硅光電池的光譜響應(yīng)特性</p>

37、<p>　　根據(jù)表一的數(shù)據(jù)，以光波波長為橫坐標(biāo)，光電路強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，作硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線，如圖所示</p><p>　　從硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線可以看出，光電流在波長4000A到6200A的范圍內(nèi)，是隨著波長的增長而逐漸的變大。</p><p>　　2.3.2 測量硅光電池的負(fù)載特性</p><p>　　1、按如圖連接好電路實(shí)驗(yàn)裝置<

38、/p><p>　　2、蓋住硅光電池的光入射口，把電流計(jì)調(diào)零。</p><p>　　3、打開He-Ne激光器，正射到硅光電池上，測量不同負(fù)載電阻值下的電流和電壓值，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表二</p><p>　　表二 電阻與硅光電池的輸出功率關(guān)系表</p><p>　　根據(jù)表二的數(shù)據(jù)，以電阻為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，作電阻和輸出功率的關(guān)系曲線，如圖所示

39、：</p><p><b>　　硅光電池的負(fù)載曲線</b></p><p>　　由表二的數(shù)據(jù)及圖7的負(fù)載曲線可以看出,當(dāng)電阻為550時(shí),硅光電池有最大輸出功率，由于在實(shí)驗(yàn)中，R＝550之后的測量點(diǎn)太少，使到曲線的峰值不是很明顯。實(shí)驗(yàn)中，光功率為，最大輸出功率，所以硅光電池的轉(zhuǎn)換效率。</p><p><b>　　3 光電池的制造<

40、;/b></p><p>　　制造太陽電池片，首先要對經(jīng)過清洗的硅片，在高溫石英管擴(kuò)散爐對硅片表面作擴(kuò)散摻雜，一般摻雜物為微量的 硼、磷、銻等。目的是在硅片上形成P/N結(jié)。然后采用絲網(wǎng) 印刷法，用精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒 結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射膜 ，單 晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過檢測，即可 按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用 串聯(lián)和并聯(lián)的方法

41、構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框 架和裝材料進(jìn)行封裝，組成各種大小不同太陽電池陣列。 目前大規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為14～ 15％左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20％以上的。常州天和光能和 無錫尚德的轉(zhuǎn)換效率在14.5％，常州盛世太陽能公司有90 ％可做到16.2％以上。</p><p><b>　　3.1 表面絨面化</b></p><p>　　由于硅片用P

42、型（100）硅片，可利用氫氧化鈉溶液對單 晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕的特 點(diǎn)來制備絨面。當(dāng)各向異性因子>10時(shí)（所謂各向異性因子就是（100）面與（111）面單 晶硅腐蝕速率之比），可以得 到整齊均勻的金字塔形的角錐體組成的絨面。</p><p>　　絨面具有受光面積大，反射率低的特點(diǎn)?？?提高單晶硅太陽電池的短路電 流，從而提高太陽電池的光電 轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　3.1.1

43、 絨面受光面積 </p><p>　　金字塔形角錐體的表面積So等于4個(gè)邊長為a的正三角形S之和：</p><p>　　由此可見有絨面的受光面積比光面提高了倍即1.732倍。</p><p>　　3.1.2 絨面反射率</p><p>　　當(dāng)一束強(qiáng)度為E0的光投射到圖中的A點(diǎn)，產(chǎn)生反射光Φ1和進(jìn) 入硅中的折射光Φ2。反射光Φ1可以繼續(xù)投射到另

44、一方錐的B點(diǎn)， 產(chǎn)生二次反射光Φ3和進(jìn)入半導(dǎo)體的折射光Φ4；而對光面電池就 不產(chǎn)生這第二次的入射。經(jīng)計(jì)算可知還有11%的二次反射光可能 進(jìn)行第三次反射和折射，由此可算得絨面的反射率為9.04%。</p><p><b>　　3.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散</b></p><p>　　由于原始硅片采用P型硅，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散一般采用三氯氧磷氣體攜帶源方式，這個(gè)工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)高，有利于降

45、低成本。目前大型的太陽能廠家一般用8吋硅片擴(kuò)散爐、石英管口徑達(dá)270mm，可以擴(kuò)散156×156（mm）的硅片。</p><p>　　由于石英管口徑大，恒溫區(qū)長，提高了擴(kuò)散薄層電阻均勻性；因?yàn)椴捎昧讛U(kuò)散，可以實(shí)現(xiàn)高濃度的摻 雜，有利于降低太陽電池的串聯(lián)電阻Rs，從而了提高 太陽電池填充因子FF。擴(kuò)散條件為880º 10'，得到的P-N結(jié)深約0.15μm。</p><

46、p>　　3.3 SiN鈍化與APCVD淀積TiO2</p><p>　　先期的地面用高效單晶硅太陽電池一般采用鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池(PESC)工藝。擴(kuò)散后，在去除磷硅玻璃的硅片上, 熱氧化生長一層10nm~25nm厚SiO2,使表面層非晶化,改變 了表面層硅原子價(jià)鍵失配情況,使表面趨于穩(wěn)定,這樣減少 了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,提高了太陽電池對藍(lán)光的響應(yīng),同時(shí)也 增加了短路電流密度Jsc,由于減少了發(fā)射區(qū)表面復(fù)合,這樣

47、 也就減少了反向飽和電流密度,從而提高了太陽電池開路電 壓Voc。還有如果沒有這層SiN,直接淀積TiO2薄膜,硅表面 會(huì)出現(xiàn)陷阱型的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致太陽電池短路電流衰減,一般 會(huì)衰減8%左右,從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。故要先生長SiN鈍 化再生長TiO2減反射膜。 TiO2減反射膜是用APCVD設(shè)備生長的,它通過鈦酸異丙脂 與純水產(chǎn)生水解反應(yīng)來生長TiO2薄膜。 </p><p>　　3.4 PECVD淀積SiN &l

48、t;/p><p>　　多晶硅太陽電池廣泛使用PECVD淀積SiN ,由于PECVD淀積 SiN時(shí),不光是生長SiN作為減反射膜,同時(shí)生成了大量的原子氫,這些氫原子能對多晶硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重作用,可用于大批量生產(chǎn)高效多晶硅太陽電池,為上世紀(jì)末多晶硅太陽電池的產(chǎn)量超過單晶硅太陽電池立下汗馬功勞。隨著PECVD在多晶硅太陽電池成功,引起人們將PECVD用于單晶 硅太陽電池作表面鈍化的愿望。由于生成的氮化硅薄膜含

49、有大量的氫,可以很好的鈍化硅 中的表面懸掛鍵，從而提高了載流子遷移率，一般要提高 20%左右，同時(shí)由于SiN薄膜對單晶硅表面有非常明顯的鈍化作用。經(jīng)驗(yàn)顯示，用PECVD SiN作為減反膜的單晶硅太陽電 池效率高于傳統(tǒng)的APCVD TiO2作減反膜單晶硅太陽電池。 SiN減反膜的厚度約75nm，折射率可高到2.1（富硅）。</p><p>　　3.5 共燒形成金屬接觸 </p><p>　　

50、晶體硅太陽電池要通過三次印刷金屬漿料，傳統(tǒng)工藝要用二次燒結(jié)才能形成良好的帶有金屬電極歐姆接觸，共燒工藝只需一次燒結(jié)， 同時(shí)形成上下電極的歐姆接觸，是高效晶體硅太陽能電池的一項(xiàng)重要 關(guān)鍵工藝。該工藝的基礎(chǔ)理論來自合金法制P-N結(jié)工藝。當(dāng)電極金屬材料和半導(dǎo)體單晶硅在溫度達(dá)到共晶溫度時(shí)，單晶硅原子按相圖以一 定的比例量溶入到熔融的合金電極材料。單晶硅原子溶入到電極金屬 中的整個(gè)過程相當(dāng)快，一般只需幾秒鐘。溶入的單晶硅原子數(shù)目決定 于合金溫度和

51、電極材料的體積，燒結(jié)合金溫度愈高，電極金屬材料體 積愈大，則溶入的硅原子數(shù)目也愈多，這時(shí)狀態(tài)被稱為晶體電極金屬 的合金系統(tǒng)。如果此時(shí)溫度降低，系統(tǒng)開始冷卻，原先溶入到電極金 屬材料中的硅原子重新以固態(tài)形式結(jié)晶出來，在金屬和晶體接觸界面 上生長出一層外延層。如果外延層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo) 電類型相同雜質(zhì)成份，就獲得了用合金法工藝形成的歐姆接觸；如果 再結(jié)晶層內(nèi)含有足夠量的與原先晶體材料導(dǎo)電類型異型的雜質(zhì)成份， 這就獲得了用合金法

52、工藝形成P-N結(jié)。</p><p>　　銀槳、銀鋁槳、鋁槳印刷過的硅片，通過烘干，使有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，膜層收縮成為固狀物緊密粘附在硅片上， 這時(shí)，可視為金屬電極材料層和硅片接觸在一起。所謂共 燒工藝顯然是采用銀－硅的共晶溫度，同時(shí)在幾秒鐘內(nèi)單 晶硅原子溶入到金屬電極材料里，之后又幾乎同時(shí)冷卻形 成再結(jié)晶層，這個(gè)再結(jié)晶層是較完美單晶硅的晶格點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)。只經(jīng)過一次燒結(jié)鈍化的表面層，氫原子的外釋是有限 的，共燒保障了氫

53、原子大量存在，填充因子較高，沒有必 要引入氮?dú)浜姹汗に嚕‵GS）。 </p><p><b>　　3.6 電池片測試</b></p><p>　　主要測試太陽電池的基本特性：</p><p>　　開路電壓VOC、短路電流ISC、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效率η。</p><p>　　FF為電池的填充因子(Fill Facto

54、r)：</p><p>　　它定義為電池具有最大輸出功率(Pop)，時(shí)的電流(Iopt )和電壓(Vopt ) 的乘積與電池的短路電流和開路電壓乘積的比值，較高的短路電流和開路電壓是產(chǎn)生較高能量轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)。如果兩個(gè)電池 的短路電流和開路電壓完全相同，制約其效率大小的參數(shù)就是填充因子。</p><p>　　能量轉(zhuǎn)換效率是光電池的最重要性能指標(biāo)，它為光電池將入射光能量轉(zhuǎn)換成電能的效率。 &

55、lt;/p><p>　　3.6.1 光電池的測試原理</p><p><b>　　測試電路如下：</b></p><p><b>　　PN結(jié)兩端的電流：</b></p><p>　　光電池處于零偏時(shí)，流過PN結(jié)的電流；光電池 處于反偏時(shí)，流過PN結(jié)的電流，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)

56、。</p><p>　　光電流與輸出光功率之間的關(guān)系：，為響應(yīng)率，值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。</p><p><b>　　4 光電池的應(yīng)用</b></p><p>　　4.1 光電池的運(yùn)用范圍</p><p>　　4.2 光電池的種類</p>

57、<p>　　4.2.1 硅光電池</p><p>　　硅光電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 </p><p>　　單晶硅光電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜

58、和非晶硅薄膜做為單晶硅光電池的替代產(chǎn)品。 </p><p>　　多晶硅薄膜光電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。</p><p>　　非晶硅薄膜光電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性

59、不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅光電池?zé)o疑是光電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 </p><p>　　4.2.2 多元化合物薄膜光電池</p><p>　　多元化合物薄膜光電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 </p><p>　　硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶

60、硅薄膜光電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅光電池最理想的替代產(chǎn)品。 </p><p>　　砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。 &l

61、t;/p><p>　　銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展光電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 </p><p>　　4.2.3 聚合物多層修飾電極型光電池</p><p>　　以有機(jī)聚合物代替

62、無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)光電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用光能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備光電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。</p><p>　　4.2.4 納米晶光電池</p><p>　　納米TiO2晶

63、體化學(xué)能光電池是新發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅光電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。 </p><p>　　此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，不久的將來會(huì)逐步走上市場。</p><p>　　4.2.5 有機(jī)光電池</p><p>　　有機(jī)光電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的光電池。大家對有機(jī)光

64、電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的光電池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它無機(jī)材料制成的。</p><p>　　4.3 光電池家庭化的應(yīng)用</p><p>　　太陽能（光）發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適合于各家各戶分散進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上。光電池日益成為家用電器的“能源心臟”。</p><p>　?、偬柲?/p>

65、電話。以太陽能作能源的無線電話已在英國一家無線電公司問世。它利用頂端上裝的太陽能接收板，可以不斷給電池充電。使用者的聲音通過無線電波輸入附近的電話交換機(jī)，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去。巴黎伏德瓦特公司制作的太陽能收費(fèi)公用電話，耗電量極低，只要在陽光下充電幾小時(shí)，便足夠使用10多天。</p><p>　?、谔柲鼙洹７▏奶柲鼙湟约状紴橹票鶆?，每24小時(shí)可制冰10公斤，保鮮30公斤食物。印度研制出一種倉庫用的大型

66、太陽能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在-2℃，可冷藏500公斤食品，每天還可制出25公斤冰來.</p><p>　?、厶柲芸照{(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，全部動(dòng)力都由陽光供給，多云或陰天時(shí)才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，用它可使一間18平方米的居室室溫保持在20℃左右，并較一般空調(diào)器節(jié)約電費(fèi)60％以上。</p>

67、<p>　?、芴柲茈娨暀C(jī)。芬蘭研制的太陽能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽光的窗臺上，晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12伏的電視機(jī)使用3至4小時(shí)。印度研制的太陽能電視機(jī)，其能源吸收系統(tǒng)只要每天工作4小時(shí)，即使連續(xù)3天無太陽，也能正常接收信號播放節(jié)目。</p><p>　?、萏柲苷障鄼C(jī)。日本制作的世界上第一架太陽能照相機(jī)，重量僅有475克，機(jī)內(nèi)裝有先進(jìn)的太陽能

68、電池系統(tǒng)，其蓄電池可連續(xù)使用4年。美國一家公司生產(chǎn)了一種新型的135照相機(jī)。它的光圈、速度均由微電腦自動(dòng)控制，電力則由太陽能硒光電池提供，只要有光線就能供電。</p><p>　　4.4光電池的市場與應(yīng)用</p><p>　　近年來太陽能利用在技術(shù)上的不斷突破，使太陽能光電池的商業(yè)化應(yīng)用要比人們原先預(yù)期的快得多。目前，全世界總共有23萬座光伏發(fā)電設(shè)備，以色列、澳大利亞、新西蘭居于領(lǐng)先地位。

69、技術(shù)上的不斷突破使光電池以高速度進(jìn)入市場。80年代后期，由于多晶薄膜光電池的出現(xiàn)，使光電池的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)16％，而生產(chǎn)成本降低了50％，極利于在缺能少電的發(fā)展中國家推廣。目前，美國和日本在世界光伏市場上占有最大的市場份額。美國擁有世界上最大的光伏發(fā)電廠，其功率為7MW，日本也建成了發(fā)電功率達(dá)1MW的光伏發(fā)電廠。</p><p>　　最初光電池主要是廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和航空航天領(lǐng)域，因?yàn)樵谔罩兄挥邪滋?，沒有黑夜，

70、太陽光強(qiáng)度也不受天氣變化和季節(jié)更替的影響。如人造衛(wèi)星、宇宙空間站上的能源都是有太陽能電池提供。</p><p>　　目前，光電池已在民用電力、交通，以及軍用航海、航天等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈大的作用。大型的可用于電話通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星地面接收站、微波中繼站等；中型的可用于電車、輪船、衛(wèi)星、宇宙飛船等；小(微)型的呵用于太陽能手表、太陽能計(jì)算器、太陽能充電器、太陽能手機(jī)等。</p><p>　　4

71、.5 我國光電池的發(fā)展?fàn)顩r與新進(jìn)展</p><p>　　我國對光電池的研究開發(fā)工作高度重視，早在七五期間，非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國家重大課題；八五和九五期問，我國把研究開發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽能電池等方面。我國目前已有10條太陽能電池生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力約為4.5MW，其中8條生產(chǎn)線是從國外引進(jìn)的，在這8條生產(chǎn)線當(dāng)中，有6條單晶硅太陽能電池生產(chǎn)線，2條非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線。據(jù)專家預(yù)測，目前我國光伏市場需求

72、量為每年5MW，2001～2010年，年需求量將達(dá)10MW，從2011年開始，我國光伏市場年需求量將大于20MW。</p><p>　　我國擁有豐富的太陽能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國陸地接收的太陽輻射總量，相當(dāng)于24000億噸標(biāo)煤，全國總面積三分之二地區(qū)年日照時(shí)問都超過2000小時(shí)，特別是西北一些地區(qū)超過3000小時(shí)。另一方面，隨著當(dāng)前世界光電技術(shù)及其應(yīng)用材料的飛速發(fā)展，光電材料成本成倍下降，光電轉(zhuǎn)換率不斷提高，這將

73、帶來太陽能發(fā)電成本的大幅度下降。據(jù)預(yù)計(jì)，不到10年，太陽能發(fā)電的成本就會(huì)接近并低于煤電，這為我國大力開發(fā)太陽能資源提供了可能。</p><p>　　我國光電池的研究始于1958年，1959年研制成功第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的光電池。1971年3月首次成功地應(yīng)用于我國第二顆衛(wèi)星上，1973年光電池開始在地面應(yīng)用。1979年開始生產(chǎn)單晶硅光電池。80年代中后期，引進(jìn)國外光電池生產(chǎn)線和關(guān)鍵設(shè)備，初步形成生產(chǎn)能力達(dá)到4．5兆瓦的

74、太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。其中單晶硅電池2．5兆蜂瓦，非晶硅電池2兆峰瓦。工業(yè)組件的轉(zhuǎn)換效率單晶硅電池為ll一13％，非晶硅電池為5-6％。</p><p>　　我國光伏組件生產(chǎn)逐年增加，成本不斷降低，市場不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，1999年底累計(jì)約15兆峰瓦。應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)村電氣化、交通、通訊、石油、氣象、國防等。特別是光伏電源系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學(xué)校、醫(yī)療所、家庭照明、電視等用電，對發(fā)展邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)揮

75、了十分重要的作用。西藏有7個(gè)無水能資源無電縣采用光伏電站供電，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。在研究開發(fā)方面開展了單晶硅、多晶硅電池研究以及非晶硅、碲化鎘、硒銦銅等薄膜電池研究，同時(shí)還開展了澆筑多晶硅、銀／鋁漿、EVA等材料研究，并取得可喜的成果，其中刻槽埋柵電池效率達(dá)到國際水平。</p><p>　　如今，人們已經(jīng)清楚的認(rèn)識到，光電池光電效應(yīng)效率和光電池材料的來源與制作成本，是發(fā)展光電池的極為重要的因素?？梢姡怆姵亟窈?/p>

76、的發(fā)展方向是：人類在繼承和發(fā)展已被開發(fā)和利用的光電池的基礎(chǔ)上，一方面全力的去研究和開發(fā)高光電效應(yīng)效率的材料，另一方面，尋取富含太陽能電池材料的原料，已用于發(fā)展未來的光電池事業(yè)。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　太陽能有許多優(yōu)點(diǎn)，但在它成為未來的主要能源之前，還有許多亟待解決的問題。太陽能集熱設(shè)備和太陽能光電池造價(jià)高自不待言，還有一個(gè)人們常

77、想的問題是沒有太陽時(shí)怎么辦?受夜間和陰雨氣候的影響，這是利用太陽能所遇到的最大限制。</p><p>　　但隨著科技的進(jìn)步，這種限制正逐步縮小。</p><p>　　目前，一般家庭太陽能熱水器，都有儲熱槽儲存熱水，高級一點(diǎn)的儲熱裝置，即使連續(xù)一、二天陰雨，仍能使用前日儲存的熱水。還有固體儲熱和化學(xué)儲熱法。我們完全有理由相信，太陽能作為一種清潔優(yōu)良的新能源，它的開發(fā)和應(yīng)用前景都是廣闊的，在不

78、久的將來它必將會(huì)逐漸應(yīng)用到我們生活的各個(gè)方面中來，使我們的能源使用更加科學(xué)和環(huán)保。</p><p>　　總之，光電池與我們21世紀(jì)人的關(guān)系是密不可分的，隨著時(shí)間和科技的發(fā)展，我們將會(huì)得到更先進(jìn)和更人性化的光電池設(shè)備。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]太陽電池：材料、制備工藝及檢測 Tom Markvar

79、t 機(jī)械工業(yè)出版社 2009-08</p><p>　　[2]有機(jī)太陽電池與塑料太陽電池 張華，李陵嵐 化學(xué)工業(yè)出版社 2006-3</p><p>　　[3]光伏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編 陜西省標(biāo)準(zhǔn)化研究院 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2011-08</p><p>　　[4]太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理 黃漢云 化學(xué)工業(yè)出版社 2009-3</p><p>　　[5

80、]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)：多晶硅生產(chǎn)技術(shù) 鄧豐 化學(xué)工業(yè)出版社 2009-3</p><p>　　[6] 建筑工程太陽能發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用 李宏毅，金磊 機(jī)械工業(yè)出版社 2008-1</p><p>　　[7] 太陽能光伏電池及其應(yīng)用 濱川圭弘 科學(xué)出版社 2008-9</p><p>　　[8]太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù) 長貴 千斯成 北京科學(xué)出版社 2005</p&

81、gt;<p><b>　　致謝</b></p><p>　　行文至此，我的這篇論文已接近尾聲；歲月如梭，我三年的大學(xué)時(shí)光也即將敲響結(jié)束的鐘聲。離別在即，站在人生的又一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，心中難免思緒萬千，一種感恩之情油然而生。 </p><p>　　在此論文的撰寫過程中，首先我要特別感謝我們親愛的宋露露老師，因?yàn)橛辛怂闹笇?dǎo)，給我提出的見解還有她辛苦的閱讀和