1.晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程.doc

第一章 晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程 晶体硅太阳电池已经成为当今光伏工业的主流，随着单晶硅、多晶硅太阳电池工厂的新近投资，这种作用还将持续下去[1]。从1954年Chapin，Fuller和Pearson研制成功硅PN结太阳电池以来，这一利用p-n 结光伏效应工作的器件经过半个世纪的改进和演变，发展成为具有多种几何结构和相应的制造流程的一类太阳电池产品。到目前为止，尽管被称为“第二代光伏器件”的薄膜太阳（CdTe、CIS、非晶硅、微晶硅、多晶硅、硅-锗合金）电池也取得了进展，但在短期内仍然无法替代晶体硅太阳电池。 关于太阳电池的基本特性，Hovel已作出了全面的论述[2]。我们按照太阳电池的器件结构、硅p-n结太阳电池的基本工作原理到一般的制造工艺流程的顺序进行介绍。 晶体硅太阳电池的器件结构 晶体硅太阳电池的基本结构见图1.，它由扩散法在表面形成的浅PN结，正面欧姆接触栅格电极，覆盖于整个背面的欧姆接触电极以及正面减反射膜构成。 图1. 硅PN结太阳电池基本结构 图2. PERT太阳电池结构 高效率晶体硅太阳电池则有着更为复杂的结构和制造流程，如钝化发射极太阳电池PESC (passivated emitter solar cell) ，钝化发射极和背面太阳电池PERC (passivated emitter and rear cell)，钝化发射结背面点接触太阳电池PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) cells，钝化发射极背面全扩散太阳电池PERT (passivated emitter, rear totally-diffused) cells，具有本征层的(a-Si)/ (c-Si)异质结太阳电池(HITTM电池)，倾斜蒸发电极MIS-n+p 太阳电池OECO（obliquely-evaporated-contact），V型机械刻槽埋栅电极太阳电池(Buried Contact Solar Cell with V-grooved surface)，背面接触电极太阳电池(Backside Contact Solar Cell)等等。这些高效率晶体硅太阳电池，主要特点是充分考虑到引起光电转换效率损失的因素，在器件结构上进行了仔细的设计。图2.、 图3.所示分别为PERT太阳电池、 PERL太阳电池结构。 图3. PERL太阳电池结构 图4.丝网印刷电极太阳电池结构 目前商业化生产的大多数晶体硅太阳电池，采用1970年代开发出的丝网印刷电极结构，见图4。这种结构的太阳电池具有制造过程简单，设备产能较高的优点。缺点是采用丝网印刷的正面电极在解决金属—半导体接触电阻和PN结的光电特性以及遮光问题之间不能令人满意。 激光刻槽埋栅电极太阳电池，见图5，是澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心Martin A. Green教授及其研究团组，在1980年代将实验室高效晶体硅太阳电池技术低成本应用于商业生产的一个范例。这种太阳电池的优点是正面兼有轻掺杂的受光区域和重掺杂的电极接触区域（激光刻槽），因此，在改善金属—半导体接触电阻时，不必牺牲正面受光区域的PN结光电特性，同时可以最大限度地减小电极的遮光面积。缺点是设备产能较低。 图3. 激光刻槽埋栅电极太阳电池结构 图4. 丝网印刷选择性发射极示意 丝网印刷选择性发射极太阳电池，在器件结构上与激光刻槽埋栅电极太阳电池相似，在制造工艺上更加简化，电极接触的“重”掺杂区和接收光照的“轻”掺杂区使用丝网印刷磷浆在一次扩散步骤中形成，见图4.。 2.硅PN结太阳电池的基本工作原理 2.2.1 太阳辐射[3] 太阳发出的辐射能来自核聚变反应。每秒钟约有6×1011kg的H2转变为He，净质量损失约为4×103kg，这一质量损失通过爱因斯坦关系（E=mc2）转变为4×1012J的能量。此能量主要作为从紫外到红外和无线电频段（0.2至3μm）的电磁辐射发射出去。太阳的总质量目前约为2×1030kg，估计有近乎恒定辐射能输出的相当稳定的寿命要超过100亿年。 在日—地平均距离的自由空间内的同样辐射强度定义为太阳常数，其值[4][5]为1