太陽電池的制備與發(fā)展

1、目錄1 引言1 1.1 能源與環(huán)境11.2 太陽能21.3 大陽電池的發(fā)展2 2 原理及方法22.1 硅太陽電池制備工藝22.1.1 單晶硅太陽電池制備方法32.1.2 多晶硅太陽電池制備方法32.1.3 薄膜太陽電池制備方法42.2 硅太陽電池的發(fā)電原理43 比較研究43.1 在我國(guó)太陽電池技術(shù)熟練程度43.2 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展53.2.1 晶硅電池的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展5 向高效化方向發(fā)展5 向薄片化方向發(fā)展64 結(jié)論95 致謝96 參考文獻(xiàn)97 附錄9 太陽電池的制備與發(fā)展摘要 能源是人類社會(huì)發(fā)展不可缺少的重要資源。21世紀(jì)以來，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，化石能源的告急，新能源問題不僅成為一個(gè)國(guó)家的

2、發(fā)展問題，更成為全世界發(fā)展的問題。隨著過去以來化石能源對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害不斷的在生活中表現(xiàn)出來，環(huán)境污染問題也成為世界難題。所以新能源能夠在社會(huì)立足首先得解決環(huán)境問題。 現(xiàn)在世界無污染能源主要有風(fēng)力、水力、太陽能等，而風(fēng)力和水力的利用受地理環(huán)境和天氣情況的限制比較大，所以人們把目光投向了大陽能。太陽能是由太陽的氫經(jīng)過核聚變而產(chǎn)生的一種新能源。它不僅儲(chǔ)量巨大而且不存在枯竭、污染、不均勻等問題。如果能合理的開發(fā)與應(yīng)用太陽能，將會(huì)為人類提供充足的能源。 目前太陽能的利用主要是在太陽電池方面，利用太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。而太陽電池的核心就是半導(dǎo)體材料做的PN結(jié)，太陽電池主要是依靠PN結(jié)實(shí)現(xiàn)發(fā)

3、電。如果能在PN結(jié)方面取得新的突破，太陽電池的轉(zhuǎn)化效率也將上升到一個(gè)新的臺(tái)階。提高太陽電池的轉(zhuǎn)化效率也是太陽電池發(fā)展一直以來的難題。20世紀(jì)80年代，以碲化鎘、砷化鎵等新型半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的無機(jī)太陽能電池。 關(guān)鍵詞：大陽電池；單晶硅；多晶硅；薄膜；PN結(jié)1 引言 本論文主要談?wù)摿藛尉Ч?、多晶硅以及薄膜太陽電池的制備工藝、研究發(fā)展、與未來的發(fā)展趨勢(shì)。通過在單晶硅、多晶硅與薄膜太陽電池在制備工藝、使用優(yōu)缺點(diǎn)、以及將來的環(huán)境需求等方面的比較，得出薄膜太陽電池必將是太陽電池發(fā)展不可厚非的趨勢(shì)。目前,太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、 通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以

4、分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。1.1 能源與環(huán)境21世紀(jì)以來，新能源新技術(shù)的開發(fā)一直是各個(gè)國(guó)家共同的難題。但是隨著時(shí)間的推移和人類的不斷努力，新能源的開發(fā)也將進(jìn)入了新的領(lǐng)域，新技術(shù)更是新能源開發(fā)與環(huán)境和諧發(fā)展不可缺少的因素。人類的發(fā)展不可以不顧地

5、球的負(fù)荷能力。沒有一個(gè)清潔健康的地球，人類就沒有美好的未來。新能源的發(fā)展不僅需要新技術(shù)研發(fā)的不斷進(jìn)步，更要是在環(huán)境保護(hù)的前提下才可以繼續(xù)前進(jìn)。因?yàn)槿祟惖陌l(fā)展不僅是現(xiàn)在的發(fā)展，更是人類后代的發(fā)展。1.2 太陽能至21世紀(jì)原始的化石能源告急，環(huán)境不斷惡化以來，人們就在不斷的向清潔的新能源方向發(fā)展。因此太陽電池得到了世界各國(guó)的青睞，太陽電池的研究發(fā)展成為世界科技的熱門。掌握太陽電池設(shè)備新技術(shù)就掌握了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，于是新興的光伏產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展起來。在我國(guó)，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，由下游向上游迅猛發(fā)展，許多上游原料制備企業(yè)也紛紛開始建立起來。太陽電池只要在有光的環(huán)境下就可以把光能轉(zhuǎn)化成電能，而太陽可以將陽光

6、照到地球上的每個(gè)角落。太陽電池的能量來源問題可以不做考慮。1.3 大陽電池的發(fā)展太陽電池是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng),將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能并由正負(fù)電極輸出的器件稱為光電轉(zhuǎn)換電池,又稱為太陽電池或光伏電池(簡(jiǎn)稱 PV)。光伏發(fā)電既無噪音,又無污染,維護(hù)簡(jiǎn)單,資源分布廣和永不枯竭等特點(diǎn),工作壽命可達(dá)20310年,是一種理想的清潔可再生能源。在當(dāng)今礦物資源日漸貧乏和環(huán)境污染給人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力情況下,太陽能發(fā)電被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能源,其發(fā)展?jié)摿薮?。在過去的二十年間,太陽電池市場(chǎng)的平均年成長(zhǎng)率為22；1995以后年均增長(zhǎng)率超過30,近幾年達(dá)到40, 太陽電池產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入飛速

7、發(fā)展的階段。當(dāng)今全球光伏市場(chǎng)是以晶體硅太陽電池為主,約占90以上。但是晶體硅電池生產(chǎn)材料成本高和高能耗,在能源價(jià)格不斷上漲的趨勢(shì)下,依靠規(guī)模效益降低成本基本沒有多少空間。因此,發(fā)展低成本、新型薄膜太陽電池是未來國(guó)際光伏產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)2 原理及方法 太陽電池的種類很多，如單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池等。根據(jù)種類的不同其制造方法也不同。下面我們對(duì)單晶硅和多晶硅太陽電池的制造方法及原理進(jìn)行介紹。2.1 硅太陽電池制備工藝 目前硅太陽電池制備工藝比較成熟。雖然各種硅太陽電池的制備工藝有所不同，但基本原理一致，僅根據(jù)不同要求對(duì)個(gè)別工藝過程稍有變動(dòng)。常規(guī)硅太陽電池的制備工藝流程如圖2-1所示。 圖2-1

8、 硅太陽電池制備工藝流程圖 單晶硅太陽電池制備方法先將高純度的硅加熱至1500攝氏度，生成大型結(jié)晶單晶硅。然后將其切成厚為300500微米的薄片，利用氣體擴(kuò)散法加不純物形成PN結(jié)。最后形成電極以及 防止光線反射的反射防止膜。制造流程如圖2-2所示。2.1.2 多晶硅太陽電池制備方法 為了解決單晶硅太陽電池制造工藝復(fù)雜、制造能耗較大的問題，人們研究開發(fā)了多晶硅太陽電池制備方法。多晶硅是一種將眾多的單晶硅粒子集合而成的物質(zhì)。多晶硅太陽電池制備方法有兩種。 一種方法是將被溶解的硅片放入坩堝中慢慢地冷卻使其固化的方法。然后與單晶硅片一樣將其切成厚300-500微米的薄片，添加不純物并形成PN結(jié)，電極以

9、及反射防止膜。 另一種方法是從硅溶液直接得到硅片狀多晶硅的方法。這種方法不僅可以直接做成薄片狀多晶硅，有效利用了硅原料，而且太陽電池的制造比較簡(jiǎn)單。2.1.3 薄膜太陽電池制備方法 薄膜太陽電池是一種半導(dǎo)體層厚度在幾微米到幾十微米以下的太陽電池。它是在成本比較低的玻璃存底上堆積結(jié)晶硅系等材等薄膜而形成的元件。它具有節(jié)約材料、效率高、特性穩(wěn)定以及存底成本較低的特點(diǎn)。薄膜太陽電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)靘，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前轉(zhuǎn)換效率

10、最高以可達(dá)13%，薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術(shù)，一層又一層地把p-型或n-型材料長(zhǎng)上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe.等。2.2 太陽電池的發(fā)電原理 對(duì)于兩種不同的硅半導(dǎo)體（P型與N型）結(jié)合而成的太陽電池，當(dāng)太陽光照時(shí)，太陽的光能被太陽電池吸收，產(chǎn)生正離子（+）和負(fù)離子（電子）。正離子向P型半導(dǎo)體集結(jié)，而負(fù)離子向N型半導(dǎo)體集結(jié)，當(dāng)在太陽電池的表面和背面的電極之間接

11、上負(fù)載時(shí)，便有電流通過。如圖2-3所示。3 比較研究3.1 在我國(guó)太陽電池技術(shù)熟練程度：1）晶硅電池：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅?）薄膜電池：a-Si,CIGS,CdTe,球形電池，多晶硅薄膜，有機(jī)電池，3） 性概念電池：量子點(diǎn)，量子阱電池，迭層電池，中間帶電池，雜質(zhì)帶電池，上、下轉(zhuǎn)換器電池，a-Si/C-Si異質(zhì)結(jié)，偶極子天線電池，熱載流子電池。3.2 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展3.2.1 晶硅電池的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展 單晶硅電池在70年代引入地面應(yīng)用。在石油危機(jī)推動(dòng)下，太陽電池開始了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術(shù)。1) 鈍化技術(shù)：熱氧化SiO2，氫鈍化，PECVD-SiN工

12、藝鈍化（多晶硅），a-Si鈍化等；2) 陷光技術(shù)：表面織構(gòu)化技術(shù)，減反射技術(shù)；3) 背表面場(chǎng)（BSF）技術(shù)；4) 表面織構(gòu)化（絨面）技術(shù)；5) 異質(zhì)結(jié)太陽電池技術(shù)；6) MIS-電池；7) MINP電池-；8) 聚光電池-。3.2.2 向高效化方向發(fā)展1) 單晶硅高效電池： 斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池：=22% 特點(diǎn)：正負(fù)電極在同一面，沒有柵線陰影損失； 新南威爾士大學(xué)的PERL電池：=24.7%； Fraunhofer研究所電池：=23%； 北京太陽能研究所高效電池：=19.8%。2) 多晶硅高效電池 多晶硅材料制造成本低于單晶硅CZ材料， 能直接制備出適宜規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方型硅錠，240

13、kg,400kg， 制造過程簡(jiǎn)單、省電節(jié)約硅材料，因此具有更大降低成本的潛力。但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率單晶硅低；晶向不一致，表面組織化困難。3.2.3 向薄片化方向發(fā)展1) 硅片減薄70年代450-500m80年代400-450m90年代350-400m目前260-300m2010年200-260m2020年100-200m硅片是晶硅電池成本構(gòu)成中的主要部分。硅-間接半導(dǎo)體，理論上100m可以吸收全部太陽光。電池制造工藝-硅片厚度下限150m。降低硅片厚度是結(jié)構(gòu)電池降低成本的重要技術(shù)方向之一。如圖表3-2。 表3-2 硅片厚度的發(fā)展2) 帶硅技術(shù)直接拉制硅片-免去

14、切片損失（內(nèi)園切割，刀鋒損失300-400m。線據(jù)切割，刀鋒損失-200m）。EFG帶硅技術(shù) 采用石墨模具-電池效率13%-15%。該技術(shù)于90年代初實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，目前屬于RWE（ASE）公司所有。蹼狀帶硅技術(shù)。在表面張力的作用下，插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會(huì)同時(shí)長(zhǎng)出一層如蹼狀的薄片，所以稱為蹼狀晶。切去兩邊的枝晶用中間的片狀晶制作太陽電池。蹼狀晶為各種硅帶中質(zhì)量最好，但其生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。Astropowerd的多晶帶硅制造技術(shù)。 該技術(shù)基于液相外延工藝，存底為可以重復(fù)使用的廉價(jià)陶瓷。實(shí)驗(yàn)室太陽電池效率達(dá)15.6%，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。3）薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池 非晶

15、硅（a-Si）太陽電池，是Si-H（約10%）的一種合金。其優(yōu)點(diǎn)是資源豐富、環(huán)境安全；掛鉤的吸收系數(shù)該，活性層只需要1m厚，省材料；沉積溫度低，成本存底上，如玻璃、不銹鋼和塑料膜上等；電池/組件一次完成，生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是效率低；不穩(wěn)定-光衰減（S-W效應(yīng)）。 多晶硅薄膜電池，其技術(shù)路線有：高溫技術(shù)路線-以RTCVD為代表，其優(yōu)點(diǎn)是薄膜結(jié)晶質(zhì)量好，晶粒尺寸大，容易做出高效率電池，缺點(diǎn)是工藝溫度高-1000攝氏度，存底難解決；低溫技術(shù)路線-以PECVD為代表，其優(yōu)點(diǎn)是工藝溫度低，200-300攝氏度，存底容易獲得：玻璃，不銹鋼等，缺點(diǎn)是包膜質(zhì)量低，晶粒小，納米極；硅球太陽電池這種電池是由鋁箔上

16、形成連續(xù)排列的硅球所組成的，硅球的平均直徑為1.2mm，每個(gè)小球均有PN結(jié)小球在鋁箔上形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到10%，硅球電池在技術(shù)上有一定特色，但規(guī)?；a(chǎn)仍存在許多技術(shù)障礙。化合物半導(dǎo)體薄膜電池 GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁帶寬度在1-1.5eV，與太陽光譜匹配較好。同時(shí)這些半導(dǎo)體是直接帶隙材料，對(duì)陽光的吸收系數(shù)大，只要幾個(gè)微米厚就能吸收絕大部分的陽光，因此是制作薄膜太陽電池的優(yōu)選活性材料。 GaAs電池主要用于空間，CdTe和GIS電池被認(rèn)為是位來實(shí)現(xiàn)低于一美元/峰瓦成本目標(biāo)的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個(gè)研究課題。染料敏化TiO2太陽電池（光化學(xué)電池）有機(jī)電池 比利

17、時(shí)IMEC公司開發(fā)一種塑料太陽電池使用具有施主和受主性能的有機(jī)材料，電池效率5%。幾種薄膜電池的效率進(jìn)展如圖3-3所示。4）熱光伏（TPV）電池 紅外輻射 TPV 電能，應(yīng)用于工業(yè)廢熱回收等。典型器件：GaSb（Eg-0.6-7eV），InP，Si，系統(tǒng)：熱源-輻射器-電池。效率： 1000K 2-3% 目前 1200-1700K 10% 未來。5）太陽電池的未來發(fā)展趨勢(shì)商業(yè)化趨勢(shì)1998年以前，單晶硅電池站市場(chǎng)主導(dǎo)地位，其次是多晶硅。 1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅電池躍居第一。 非晶硅電池從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場(chǎng)份額先高后低。 CdTe電池從80年代中期

18、開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場(chǎng)份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一。電池技術(shù)市場(chǎng)份額%商業(yè)化時(shí)間單晶硅70年代初多晶硅70年代末非晶硅80年代初a-Si/c-Si90年代末帶硅80年代中薄硅/陶瓷90年代中CdTe80年代中CIS0.18-/00年代初 CIS電池的商業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，主要是因?yàn)樯a(chǎn)工藝難于控制，In是稀有元素。 Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速。 2001、2002年各種電池的市場(chǎng)份額和開始商業(yè)化時(shí)間如表3-4： 表3-4 2001、2002年各種電池的市場(chǎng)份額和開始商業(yè)化時(shí)間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 硅基電池：硅是地球上第二大元素，資源豐富；環(huán)境友好；電池效率高，性能穩(wěn)定；工藝基礎(chǔ)成熟；硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點(diǎn)、熱點(diǎn)。 研究發(fā)展方向：晶硅電池 提高電池/組件效率4 結(jié)論 薄膜太陽電池必將在不久的將來成為光伏電池產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭班。電池技術(shù)的發(fā)展也將是不可缺少的必要就因素。成本低也是電池發(fā)展不可缺少的條件，畢竟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須要有一個(gè)可以承受它的市場(chǎng)環(huán)境。新型薄膜