太阳能电池可行性报告.doc

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1、选题意义太阳能是取之不尽，用之不竭的自然资源。它的产生机理是在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量。太阳能向宇宙空间发射的辐射功率大约为。相对于其他自然能源，如风能，太阳能的稳定性更高，能量密度更大，受地域影响更小。太阳能作为宇宙中最有生命力的能源之一，它孕育了地球上所有生命，然而，这些到达地球大气层的太阳能约占20亿分之一。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。平均在大气外每平米面积每秒钟接受的能量大约13

2、67J。然而，地球上生物以光合作用的形式使用的能源只占达到地球表面的0.05%，约。随着世界工业化的进程，人类的生存环境受大了极大的挑战。然而对能源需求量的不断增加也加剧了这一紧迫形势。以大气污染为例，由于对电能需求量的剧增，火力发电作为我国主要的发电方式，燃烧煤等燃料排放出的气体在一定程度上污染了大气。因而开发利用绿色环保，可再生能源代替传统能源已成社会发展的需要，是大势所趋，也是人类文明和科技发展的必然结果。太阳能作为最有潜力的可再生能源，具有其他能源无法比拟的优势。这些优势集中表现在：(1)普遍性。太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用

3、，且无须开采和运输，从而节省人力成本和设备成本。(2)环保性。开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染日益严重的今天，太阳能的合理利用必将撑起一片蔚蓝的天空。(3)高效性。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)持久性。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。由此可见，最大限度的开发和利用太阳能就是人类进入二十一世纪后的重要研究方向。太阳不仅给人类带来光明，提供食物所需能量，而且还为人类未来能源的发展指明了方向。太阳能的最有效

4、利用方式之一是将太阳能转化成电能，电能作为当今通用型能源，并可以根据需要转换成为其他形式的能量。太阳能发电是当今解决能源危机和环境污染问题的有效手段。然而当今太阳能发电还处于起始阶段，需要进一步研发性能更优越，成本更低廉的光伏电池，从而实现大面积推广，使之成为主要能源之一。 市场上出售的太阳能电池板分为：单晶硅太阳能电池板，这种电池板稳定性好，转化效率较高，但成本高。单层结晶硅太阳能电池理论效率极限为28%3，实际应用转化效率为1820%，实验室目前最高转化效率为24%；非晶硅(a-Si)太阳能电池理论极限为25.5%，p-i-n结构单节效率为13%，实验室在1010cm2上目前最高效率为12

5、%，非晶硅成本低，但是非晶硅太阳能电池稳定性差；多晶硅实验室目前最高效率为18.1%4，成本介于非晶硅和单晶硅之间。太阳能效率达不到理论极限效率的原因主要有：太阳光照射到半导体表面并不能100%被吸收，有一小部分被反射回去；在电池表面或电极有不可避免的电子空穴对复合；光生载流子在半导体材料体内有不可避免的复合；形成的光生电流在体内由于半导体的串联电阻效应而产生焦耳热；光照射到半导体表面产生一定的热量。因此，可以通过降低载流子的复合，减小表面发射及降低串联电阻值等方法来提高太阳能电池的能量转换效率。对于非晶硅太阳能电池，由于光致衰退效应（Steabler-Wronski效应，简称S-W效应）导致

6、实验室效率仅为理论极限效率的一半左右。因此，最大限度的降低S-W效应是提高非晶硅（a-Si）太阳能电池效率的最为有效途径之一。目前市场上的硅太阳能电池原材料成本占据整个电池板成本的绝大部分，因此，降低原材料的成本和减少原材料的用量是一条降低整个电池板成本的有效途径。可以通过改善材料提炼技术，降低提炼设备的成本来降低原材料成本。减少原材料的用量的有效途径之一是把电池做薄，做成薄膜电池。表1为不同年份我国每峰瓦硅电池平均用硅量。表1 不同年份我国每峰瓦硅电池平均用硅量5年份2004200520062007200820092010克/瓦1311.510.59.58.57.57太阳光谱 太阳光是连续的

7、电磁波，如图1所示，太阳光分可见光和不可见光，通常被人类作为能源利用的部分仅为可见光，波长范围大致为380nm780nm。可见光根据波长由长到短排序，依次为红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、靛光、紫光。绿色植物光合作用吸收的光主要为红橙光和蓝紫光，因此，从一定意义上讲，红橙光和蓝紫光孕育了生命。这些可见光在太阳光谱中能量密度最大，所占比例大约为44%，如图2所示。图1 太阳光成分图1图2 太阳光光谱图2国内外研究现状 自1954年6，贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%，从此硅

8、太阳能电池便迅速发展起来。早在1990年，由澳大利亚Green MA教授领导的光伏器件与系统研究中心，对PERL电池进行研究7，电池开路电压Voc=696.5mV，短路电流Jsc=42.4mA/cm2，填充因子FF=0.8052，光电转换效率=23.76%。1994年，华中理工大学史济群8利用激光开槽埋电极技术研制出45cm2的硅太阳能电池电池开路电压Voc=633mV，短路电流Jsc=36.1mA/cm2,填充因子FF=0.798，光电转换效率=18.23%。同年，北京有色金属研究总院周良德9对100mm100mm的P型多晶硅采用单晶的绒面腐蚀工艺和二次扩散吸杂工艺后，研制出的电池最佳性能参

9、数为开路电压Voc=565mV，短路电流Jsc=33mA/cm2,填充因子FF=0.7，光电转换效率=12%。2001年，德国哈根大学R. Hussein10等人对Al/(p) c-Si/(n) a-Si:H/ITO/metal grid 结构的电池进行表面处理后，在1cm2的面积上得到15.3%的光电转化效率，而表面不进行处理时转化效率为14.2%。2004年，中科院半导体所李建明等人11把硅太阳能电池板做成V型结构，光电转换效率由原来的9.97%提高到13.05%，开路电压由547mV降到538mV，短路电流由24.9437mA/ cm2提高到33.737mA/ cm2，而填充因子仅由0.

10、73下降到0.72。2005年，武汉大学杜樊立等人12采用高少子硅材料并对硅片表面预处理后得到的电池性能参数为开路电压Voc650mV ，短路电流Jsc37mA/ cm2 ，填充因子FF75%，光电转换效率18%。2006年，浙江大学花聚团等人13利用快速热处理和丝网印刷做电极在大面积(62cm2)单晶硅上研制出开路电压Voc=564.6mV，短路电流Jsc=30.7mA/cm2,填充因子FF=0.635，光电转换效率=11.02%的电池。2005年，美国United Solar Ovonic 公司J. Yang 等人14研制出三层a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H 结构如图3所示

11、太阳能电池。其性能参数为开路电压Voc=2357mV，短路电流Jsc=8.57mA/cm2,填充因子FF=0.732，光电转换效率=14.6%。同年，日本东北大学材料研究所K. Nakajima等人15使用凹面反射镜聚集光线使Si太阳能电池光电转化效率由传统的11.5%提高到12.2%。2007年，德国思加图特大学物理电子学研究所M. Reuter等人16在50m厚的多晶硅上研制出开路电压Voc=634mV，短路电流Jsc=36mA/cm2,填充因子FF=0.746，光电转换效率=17%的电池。同年，日本国家高新科技研究所(AIST)光伏研究中心T. Koida等人17利用高迁移率氢掺杂In2

12、O3技术研制出的a-Si:H/c-Si异质结电池开路电压Voc=612mV，短路电流Jsc=34.26mA/cm2,填充因子FF=0.767，光电转换效率=16.6%。同年九月，荷兰乌德勒支大学（Utrecht University）纳米材料德拜研究所R.E.I. Schropp18 等人利用热丝化学气相沉积技术（HWCVD）做成多带隙proto-Si/proto-SiGe/ nc-Si:H三层太阳能电池，呈n-i-p结构，其性能参数为Voc=1.98V，短路电流Jsc=8.35mA/cm2,填充因子FF=0.66，光电转换效率=10.9%的电池。2008年，德国太阳能系统夫朗和费（Fraun

13、hofer）研究所F. Clement等人19采用金属覆盖多晶硅太阳能电池的背接触技术（MWT）使电池光吸收能力提高0.5%，最高光电转化效率为16%，开路电压Voc=611mV，短路电流Jsc=33.5mA/cm2,填充因子FF=0.78。图3 三节电池示意图14 图4 凹面聚光太阳能电池原理示意图15 纵观国内外研究状况，虽然国外不少机构在转换效率上不断的提高，但这些电池生产设备价格极为昂贵，制作工艺和结构复杂，或者由于聚光导致光稳定性欠佳。因此，研究一种制造技术相对简单，设备成本合理，转化效率较高，稳定性良好的光伏电池已经迫在眉睫。氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜电池相对晶体硅和多晶硅太阳

14、能电池有如下优点： 非晶硅有很高的光学吸收系数，大多数太阳光可在表面1处被吸收，因此便于薄膜化，从而节省原材料成本； 非晶硅薄膜形成条件简单，在600以下，在玻璃、不锈钢、陶瓷板柔性塑料片等衬底上，利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）方法可形成非晶硅薄膜，易于大规模生产； 与晶体硅太阳电池比较，非晶硅薄膜太阳电池具有弱光响应好，充电效率高的特性。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，几乎都比单晶硅大一个数量级，使得非晶硅太阳电池无论在理论上和实际使用中都对低光强有较好的适应，这使得非晶硅太阳能电池更能适应天气的变化，即使阴雨天气也能产生电流；非晶硅原料来源广

15、泛，由于单晶硅目前主要依靠国外进口，因此原材料成为约束单晶硅发展的瓶颈之一；然而，非晶硅薄膜太阳能电池也存在稳定性欠佳，出现光致衰退效应，转化效率不够高等问题。目前研究人员在抑制a-Si电池光致衰退方面的主要研究成果是：采用织构的TCO技术，增加a-Si电池的光吸收，降低非晶层的厚度；采用氢稀释与窗口层技术，提高a-Si的稳定性与效率；采用叠层技术，减小非晶硅顶电池的厚度；采用中间层技术，提高顶电池与底电池的电流匹配20 。理论依据以硅太阳能电池为例，介绍其工作原理与结构21。太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如图5所示。 图5 一般半导体主要结构21图中，正电荷

16、表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图6所示。 图6 掺硼后的半导体主要结构21图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子，如图7所示。 图7

17、 掺磷后的半导体主要结构21P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。图8为PN结结构示意图。 图8 PN结结构示意图21当晶片受光照射后，半导体将产生电子空穴对，在PN结内电场外，电子空穴对主要以扩散的方式运动，在到达PN结内电场边缘时，电子和空穴分别在内电场作用下做漂移运动，N型半导

18、体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这个电势差与内电场相反，这就形成了电源，该电源产生的电流流向在半导体内部为N极到P极，外电路电流流向为P极到N极。图 9为结构示意图。图9 光照时PN结示意图21由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（

19、如图），将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2硅太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在

20、一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在 衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环 节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的 太阳能电池转换效率明显提高。参考文献123滨川圭弘 编著，张红梅，崔晓华 译. 太阳能光伏电池及其应用。

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