硅太阳能电池论文

硅太阳能电池论文（精选10篇）

硅太阳能电池论文 第1篇

随着世界环境的不断恶化,环境污染日益受到关注。解决环境污染是人类面临的主要问题,为此各个国家都出台了很多方案: 比如我国提倡的低碳生活、节俭、反对浪费等。但是环境污染的主要原因是化石燃料的使用,虽然哥本哈根会议制定了限制化石燃料使用的决议。但是经济的发展离不开能源的消耗,寻找新清洁能源成为主要目标。在这样的背景下太阳能成为关注的焦点,它是理想的清洁能源、而太阳能电池是太阳能转化为电能的核心器件。6% 的单晶硅电池[1]在1954年问世以来,晶体硅电池的转化效率已经达到了极限值。1994年日本SANYO公司发明了转化效率大于20% 的硅异质结电池[2]。异质结电池具有很多优点[3],它的制作工艺相对简单( 200度以下) 且可以节省材料,异质结电池成为了研究的重点。异质结电池的窗口层具有重要的作用,它要和吸收层层形成内电势[4]。所以要求窗口层要具有较好的光学性能和较高的晶化率,且尽可能的薄以减少光吸收。研究发现P型微晶硅非常适合做为窗口层材料[5,6],除了上述优点外,它还具有较高的掺杂效率[7]、电导率[8]、迁移率和较宽的频谱响应[9]。所以研究微晶硅窗口层就具有重要的意义。本文采用P型微晶硅/N型晶体硅/N型微晶硅的电池结构为研究对象,利用aforshet异质结电池模拟软件 ( 该软件具有很高的可靠性[10]) ,来模拟在不同的工作温度下,微晶硅窗口层的掺杂浓度、厚度、帯隙变化对电池性能的影响,从而得到在不同温度下的最佳参数,为P型微晶硅在异质结电池中的应用提供一定的理论参考。

1 物理模型

1. 1 模拟电池结构及 afors-het 数值模拟物理模型

电池结构如图1所示。其中窗口层为P型微晶硅,吸收层为N型晶体硅,薄膜硅背场为重掺杂的N型微晶硅。

Afors-het模拟中主要对上述电池结构求解以下四个个半导体稳态方程。

模拟中复合模型采用带间复合、俄歇复合和Shockley-Read-Hall复合。并且采用经典的玻尔兹曼统计来计算载流子的浓度。在求解半导体金属接触模型时选用电压控制边界条件,将前接触( x = 0) 的电势设定为0,边界条件如下。

背接触( x = L) 的电势等于外部所加的电压V,其边界条件如下所示:

在以上的边界条件下,利用afors-het软件可以对电池的多个参数进行模拟。

1. 2 模拟电池参数

模拟时各层所采用的参数如表1所示。这些参数除可变参数外,均来自afors-het软件的默认值。对于缺陷态参数的设置参照文章[11,12,13,14,15,16,17]。模拟时光照条件为AM1. 5,100 mW/cm2,无反射, 陷光结构、具有微晶硅背场。

2 模拟结果分析与讨论

2. 1 不同工作温度下,微晶硅窗口层帯隙变化对电池性能的影响

图2、图3、图4和图5模拟了其它参数不变,在不同工作温度下、微晶硅窗口层帯隙变化对电池性能的影响。

随着帯隙的增加,转化效率先增加后便急剧的下降。同时在不同的工作温度下,微晶硅窗口层对应的最佳帯隙有明显的右移趋势。

帯隙的增加,开路电压在不断的增加。同时在不同的工作温度下,微晶硅窗口层对应的最佳帯隙也有右移的趋势。

帯隙的增加,短路电流先变化不大,当帯隙达到一定值时短路电流便急剧的下降。同时在不同的工作温度下,微晶硅窗口层对应的最佳帯隙变化不大。

帯隙的增加,填充因子在整体上呈现下降趋势。同时在不同工作温度下,微晶硅窗口层对应的最佳帯隙变化不大。

图 2 不同工作温度下、微晶硅窗口层帯隙变化对转化效率/EFF 的影响Fig. 2 In the different working temperature,the influence on the conversion efficiency by band gap change of the Microcrystalline silicon window layer

综合分析可知微晶硅窗口层与晶体硅建立内建电场,当窗口层的帯隙增加时有利于内建电场的构建所以开路电压明显增加,微晶硅材料帯隙的改变是通过控制材料的晶化率来实现的,晶化率的降低势必会引起材料的大量缺陷,会造成短路电流和填充因子的下降。窗口层帯隙较低时,缺陷的影响比较小、同时帯隙的增加会弥补缺陷的影响,所以短路电流和填充因子基本上保持不变,电池的转化效率也会明显的增加。但当帯隙增加过大时,缺陷造成的影响就会急剧增加,短路电流、填充因子和转化效率会急剧的下降。图2和图3表明,在不同的工作温度下微晶硅窗口层对应的的最佳帯隙有明显的右移趋势,这可能是因为较低的温度抑制了缺陷中心的复合,所以最佳帯隙明显右移。综合考虑得微晶硅窗口层的最佳帯隙在250 K时为1. 45 ev; 300 K时,1. 55 ev; 350 K时,1. 60 ev。

图 3 不同工作温度下、微晶硅窗口层帯隙变化对开路电压/Voc的影响Fig. 3 In the different working temperature,the influence on the open circuit by band gap change of the Microcrystalline silicon window layer

图 4 不同工作温度下、微晶硅窗口层帯隙变化对短路电流/Jsc的影响Fig. 4 In the different working temperature,the influence on the short circuit current by band gap change of the Microcrystalline silicon window layer

图 5 不同工作温度下、微晶硅窗口层帯隙变化对填充因子/FF 的影响Fig. 5 In the different working temperature,the influence on the fill factor by band gap change of the Micro crystalline silicon window layer

2. 2 不同工作温度下、微晶硅窗口层掺杂浓度变化对电池性能的影响

在其他参数不变的情况下,不同温度下,微晶硅窗口层掺杂浓度与电池性能的关系如下图所示。

图 6 不同工作温度下、微晶硅窗口层掺杂浓度变化对转化效率/EFF 的影响Fig. 6 In the different working temperature,the influence on the conversion efficiency by doped concentration change of the Microcrystalline silicon window layer

掺杂浓度的增加,电池转化效率整体上呈现先上升后小幅下降的趋势。同时在不同工作温度下,微晶硅窗口层对应的最佳掺杂浓度值有左移的趋势。

开路电压随掺杂浓度的增加而变化不大,同时在不同工作温度下,对应的最佳掺杂浓度值也变化不大。

随着掺杂浓度的增加,短路电流先上升后出现下降的趋势。在不同工作温度下,对应的最佳掺杂浓度值变化不大

图 7 不同工作温度下、微晶硅窗口层掺杂浓度变化对开路电压/Voc的影响Fig. 7 In the different working temperature,the influence on the open circuit by doped concentration change of the Microcrystalline silicon window layer

图 8 不同工作温度下、微晶硅窗口层掺杂浓度变化对短路电流/Jsc的影响Fig. 8 In the different working temperature,the influence on the short circuit current by doped concentration change of the Microcrystalline silicon window layer

填充因子随掺杂浓度的增加呈现小幅上升的趋势。在不同工作温度下,对应的最佳掺杂浓度值有左移的趋势。

整体分析随得随着窗口层掺杂浓度的增加,电池性能整体呈现先上升后小幅下降的趋势。这主要是因为掺杂浓度的增加会使材料内部的自由空穴和电子的数目增多,载流子的漂移电流较大,所以短路电流增加、短路电流的增加导致了开路电压的增加。由公式[18]:

图 9 不同工作温度下、微晶硅窗口层掺杂浓度变化对填充因子/FF 的影响Fig. 9 In the different working temperature,the influence on the fill factor by doped concentration change of the Microcrystalline silicon window layer

可知开路电压的增加会影响填充因子的增加,从而导致电池的转化效率的增加。但当掺杂浓度继续增加时,电池的性能会出现小幅的下降。因为掺杂浓度的增加一方面会使材料内部出现大量的缺陷和引起材料的禁带宽度收缩以及降低少子的寿命; 同时掺杂浓度的增加也会降低微晶硅窗口层的晶化率,使材料的电学性能下降,所以电池的各个主要性能会降低。

综合优化得不同的工作温度下,窗口层对应的最佳掺杂浓度值不同。在250 K时,窗口层的最佳掺杂浓度为2×1018cm- 3; 300 K时,1. 5×1018cm- 3; 350 K时,1×1018cm- 3。

2. 3 不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度变化对电池性能的影响

在其他参数不变的情况下,不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度与电池性能的关系如下图所示。

厚度的增加,转化效率整体上呈现下降的趋势。在不同的工作温度下,对应的最佳厚度有左移的趋势。

厚度的增加对开路电压影响不大。同时在不同的工作温度下,对应的最佳厚度也没有明显变化。

短路电流随厚度的增加在不断的下降。在不同的工作温度下,对应的最佳厚度变化不大。

填充因子随厚度的增加整体上出现小幅的上升趋势。在不同的工作温度下,对应的最佳厚度有明显的左移趋势。

图 10 不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度变化对转化效率/EFF 的影响Fig. 10 In the different working temperature,the influence on the conversion efficiency by thickness change of the Microcrystalline silicon window layer

图 11 不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度变化对开路电压/Voc的影响Fig. 11 In the different working temperature,the influence on the open circuit by thickness change of the Microcrystalline silicon window layer

图 12 不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度变化对短路电流/Jsc的影响Fig. 12 In the different working temperature,the influence on the short circuit current by thickness change of the Microcrystalline silicon window layer

图 13 不同工作温度下、微晶硅窗口层厚度变化对填充因子/FF 的影响Fig. 13 In the different working temperature,the influence on the fill factor by thickness change of the Microcrystalline silicon window layer

综合分析可知随着窗口层厚度的增加,电池的性能在整体上都呈下降趋势,其中对短路电流的影响最大。这主要是因为窗口层的主要目的是与晶体硅建立内建电场,当窗口层的厚度增加时势必会增加窗口层对光的吸收和材料内部出现大量的缺陷;同时厚度的增加也影响了光生载流子的扩散和漂移从而导致大量的光生载流子在窗口层复合,所以短路电流会出现明显的下降趋势。由理想二极管的模型可知:

当短路电流下降时会影响开路电压的下降,进而导致电池的填充因子和转化效率的下降。但图10和13可知: 当电池的工作温度下降时,电池的转化效率和填充因子随着窗口层的厚度增加先增加,达到最大值后便相对稳定、然后再呈现下降趋势。这主要是因为厚度的增加虽然导致了大量的缺陷,但是由于电池工作温度较低也降低了光生载流子的复合,所以转化效率和填充因子会出现暂时增加的情况,当较低的温度对光生载流子复合的抑制作用小于窗口层厚度增加的影响,电池性能就会出现下降的趋势,同时这种抑制也会随着温度的增加而逐渐减弱。所以当电池的工作温度不同时,窗口层所对应的最佳厚度也相对的会发生: 在工作温度为250 K时,窗口层对应的最佳厚度为8 nm; 工作温度为300 K以上时,窗口层对应的最佳厚度为5 nm。

3 结论

硅光电池特性测试实验报告 第2篇

系别：电子信息工程系 班级：光电 08305 班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010 年 4 月 2 日 指导老师：王凌波

2010.4.6

目录

一、实验目的二、实验内容

三、实验仪器

四、实验原理

五、注意事项

六、实验步骤

七、实验数据及分析

八、总结

一、实验目的

1、学习掌握硅光电池的工作原理

2、学习掌握硅光电池的基本特性

3、掌握硅光电池基本特性测试方法

4、了解硅光电池的基本应用

二、实验内容

1、硅光电池短路电路测试实验

2、硅光电池开路电压测试实验

3、硅光电池光电特性测试实验

4、硅光电池伏安特性测试实验

5、硅光电池负载特性测试实验

6、硅光电池时间响应测试实验

7、硅光电池光谱特性测试实验

设计实验 1：硅光电池光控开关电路设计实验

设计实验 2：简易光照度计设计实验

三、实验仪器

1、硅光电池综合实验仪

个

2、光通路组件

只

3、光照度计

台

4、2#迭插头对（红色，50cm）根

5、2#迭插头对（黑色，50cm）根

6、三相电源线

根

7、实验指导书

本

8、20M 示波器

台

四、实验原理

1、硅光电池的基本结构

目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。

图 2-1 是半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当 P 型和N 型半导体材料结合时，由于 P 型材料空穴多电子少，而 N 型材料电子多空穴少，结果 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向 P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的 P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在 PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当 PN 结 零偏 反偏 正偏 图 2-1.半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当 PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为 PN 结的单向导电性,电流方向是从 P 指向 N。

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。

光电池的基本结构如图 2-2，当半导体 PN 结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到 N 型区和 P 型区，当在 PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结两端的电流可由式 1 确定

式（1）中 Is 为饱和电流，V 为 PN 结两端电压，T 为绝对温度，Ip 为产生的光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，）

（1)1(pkTeVsI e I I   (2)

i pRP I 图 2-2.光电池结构示意图

流过 PN 结的电流 I=Ip；当光电池处于反偏时（在本实验中取 V=-5V），流过 PN 结的电流 I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流 Ip 与输入光功率 Pi 有以下关系：

(1)短路电流

APN结电极AII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片

图 2-3 硅光电池短路电流测试

如图 2-3 所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。

(2)开路电压

VPN结电极VII(a)(b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片 图 2-4

硅光电池开路电压测试

如图 2-4 所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。

(3)光照特性

光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们

之间的关系就是光照特性，如图 2-5。

图 2-5 硅光电池的光照电流电压特性

(4)伏安特性

如图 2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

VA 图 2-6 硅光电池的伏安特性测试

(5)负载特性(输出特性)

光电池作为电池使用如图 2-7 所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改0.3

0.2

0.1

0

光

生

电

流

/

m

A

0.6

0.4

0.2

0000000

短路电流

开路电压

光

生

电

压

/

V

光照度

/Lx

变负载电阻 RL 的值来测定硅光电池的负载特性。

图 2-7

硅光电池负载特性的测定

在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻 RL，输出电流 IL 随照度（光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载 RL 的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图 2-8 所示。

照度E/lx电流2.4K51010K 图 2-8 硅光电池光照与负载特性曲线

(5)光谱特性

一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响

应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图 2-9 所示硅光电池频率特性曲线。

4001200(nm)800相对响应度1 图 2-9 硅光电池的光谱曲线

（6）时间响应与频率响应

实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。如图所示

0.10.91t 上t 下t(a)(b)图 2-10 上升时间和下降时间

（a）入射光脉冲方波（b）响应时间

五、注意事项

1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；

2、连线之前保证电源关闭。

3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

六、实验步骤

1、硅光电池短路电流特性测试

实验装置原理框图如图 2-11 所示。

图 2-11 硅光电池短路电流特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。

（4）按图 2-11 所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。

光照度（Lx）

0

200

300

400

500

600

光 生 电 流（uA）

（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。

（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

2、硅光电池开路电压特性测试

实验装置原理框图如图 2-12 所示。

图 2-12 硅光电池开路电压特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。

（4）按图 2-12 所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。

（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

光 照 度（Lx）

0

200

300

400

500

600

光 生 电压（mA）

（5）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。

（6）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

3、硅光电池光照特性

根据实验 1 和 2 所调试的实验数据，作出如图 2-5 所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。

4、硅光电池伏安特性

实验装置原理框图如图 2-13 所示。

图 2-13 硅光电池伏安特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。

（4）电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（5）按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 200 欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至 500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；

（6）关闭电源，将 R 分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

（7）改变光照度为 100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。

lx：

电阻

200

2K

5.1K

7.5K

10K

15K

20K

25K

51K

200K

电流

电压

电阻

200

2K

5.1K

7.5K

10K

15K

20K

25K

51K

200K

电流

电压

（8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。

（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

5.硅光电池负载特性测试实验

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。

（4）电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（5）按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 2K 欧。

（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至 0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx 分别记录电流表和电压表读数，填入下表

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流

（μA）

电压（mV）

（7）关闭电源，将 R 分别换为 510，1K，5.1K，10K 重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

R=510 欧

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

电压（mV）

R=1K

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

电压（mV）

R=5.1K

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

电压（mV）

R=10K

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

电压（mV）

（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。

6、硅光电池光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度 LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生 400～630nm 离散光谱。

光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长 的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为)()()(PVv 或)()()(PIi  式中，)( P为波长为  时的入射光功率；)( V为光电探测器在入射光功率)( P作用下的输出信号电压；)( I则为输出用电流表示的输出信号电流。

本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有)()( ffUUK  

式中，fU为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，)(f为基准探测器的响应度。取在测试过程中,fU取相同值,则实验所测测试的响应度大小由)()( fU  的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。

00.20.40.60.811.20 200 400 600 800 1000 1200 1400 图 2-14

基准探测器的光谱响应曲线

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态特性”，将拨位开关 S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7 均拨下。

（3）将直流电源 2 正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为 10V，关闭电源。

（4）按如图 2-12 连接电路图.（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将 S2，S3，S4，S5，S6，S7 拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数 E作为参考。

（注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2 拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为 E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将 S2 拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E 下电压表的读数，填入下表。

（8）根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。

7、硅光电池时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。

（2）“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“脉冲”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。

（3）按图 2-13 所示的电路连接电路图，负载 RL 选择 RL=2K 欧。

波长（nm）

红（630）

橙（605）

黄(585)

绿（520）

蓝（460）

紫（400）

基准响应度

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

电压（mV）

响应度

（4）示波器的测试点应为光电三极管的电阻两端，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的 TP1 和 TP2；

图 2-13

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接 TP 和 GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接 TP2。

（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。

（8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

七、实验数据及分析

1、硅光电池短路电流特性测试数据

光照度（Lx）

0

200

300

400

500

600

光 生 电 流（uA）

0.1 1

16.9 9

33.5 5

50.1 1

66.8 8

83.4 4

100.1

2、硅光电池开路电压特性测试数据

3、硅光电池光照电流电压特性曲线

硅光电池的光照电流电压特性***0 100 200 300 400 500 600光照度/LX光生电流/uA050100***0350400450光生电压/mV

光 照 度（Lx）

0

200

300

400

500

600

光 生 电压（mA）

0

263 3

289 9

302 2

312 2

319 9

344 4

368 8

382 2

391 1

398 8

404 4

开路电压 短路电流

4、硅光电池伏安特性测试数据

lx：

300lx：

500 lx：

电阻

200

2K

5K

7.5K

10K

20K

50K

200K

电流（uA）

17.1

17.0

17.0

17.0

17.0

14.1

6.5

1.7

电压(mV)

20.6

51.6

104.3

148.4

187.1

270

310

320

电阻

200

2K

5K

7.5K

10K

20K

50K

200K

电流（uA）

50.9

50.8

47.9

38.6

31.9

17.4

7.3

1.9

电压(mV)

61.4

153.7

260

310

320

3 36

340

350

电阻

200

2K

5K

7.5K

10K

20K

50K

200K

电流（uA）

84.8

83.9

57.9

42.6

34.4

18.4

7.6

1.9

硅光电池伏安特牲050100***03504004505000 20 40 60 80 100电流（uA）电压（mV）100LX300LX500LX

5、硅光电池负载特性测试数据

R=510 欧

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

0.1

16.7

33.2

66.6

83.2

99.8

电压（mV）

0 0

25.5

50.8

127

152

R=1K

光 照 度 0

200

300

400

500

600

电压(mV)

102.2

220

320

340

360

420 0

430 0

430 0

（lx）

电 流（μA）

0.1

16.7

33.2

49.9

66.5

82.9

99.2

电压（mV）

0 0

33.3

66.3

132

165

197

R=5.1K

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

0.1

16.6

32.7

45.9

56.8

59.2

电压（mV）

1.0

101.1 1

198..3 3

278

321

344

359

R=10K

光 照 度（lx）

0

200

300

400

500

600

电 流（μA）

0.1

16.3

27.0

30.7

32.5

33.6

34.4

电压（mV）

2.1

181.9 9

301

341

361

373

382

硅光电池负载特性曲线050100***03504004500 20 40 60 80 100 120电流（uA）电压（mV）510Ω1K10K5.1K

6、硅光电池光谱特性测试数据

八、总结语

波长（nm）

红（630）

橙（605）

黄(585)

绿（520）

蓝（460）

紫（400）

基准响应度

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

电压（mV）3 13

296

291

291

298

303

硅纳米管电极电池 第3篇

研究人员们表示，进一步能帮助电动车充一次电走出更远的是硅纳米管电极，它比制造锂离子电池的常规石墨电极的电负荷能力高10倍。

斯坦福大学和韩国京畿道安山市的汉阳大学的研究人员们，正在与韩国LG化学(LG Chem)公司合作，开发纳米管电极。LG化学是一家生产锂离子电池的公司，他们也为雪佛兰伏特电动车(Volt)提供电池。锂离子电池充电时，锂离子从阴极向阳极移动。新的硅纳米管电极，正如网上“NanoLetters”杂志所描述的那样，是阳极，而由于电池充电时硅纳米管电极比传统石墨电极可接纳更多的锂，所以电极蓄能也高得多。

“使用目前技术，一辆混合动力汽车的电池只能撑30分钟”，韩国蔚山国立科技学院能源工程学院教授、纳米管阳极研究的领军人物曹在弼(Jaephil Cho)说，如果新的硅阳极能和具相当蓄电池容量的阴极相搭配，那么制成的电池应该能让这辆汽车不用再充电就跑上三、四个小时。

硅比石墨碳可多吸纳十倍份量的锂，因此，硅阳极拥有比常规石墨阳极更高的能储量。事实上，硅吸纳了那么多的锂——多达四倍的容量——也可以是个不利条件。硅这种脆性材料的机械张力如此之大，以至于仅仅几次充放电之后，硅阳极就容易碎裂。所以，包括曹在弼教授和史丹福大学的科学家崔屹(Yi Cui)在内的研究人员们已经在研发纳米结构的硅阳极，来更好地对抗这些张力。他们制备出了硅纳米线阳极和纳米多孔硅阳极。现在，他们又合作开发硅纳米管阳极，其电储量比其他纳米结构的硅材料阳极还要高，曹在弼说。

硅纳米管阳极看起来像一束空芯麦秆。硅纳米线只在其表面跟锂反应，而纳米管则在管内也有许多裸露面积供反应。“纳米管拥有极大的表面面积，与锂相互作用的位置比其他类型的材料多得多”，曹在弼说。纳米管的形状也有助于在电池充放电时减轻张力，因为有额外的空间让硅来膨胀及收缩。

硅纳米管的制作过程是通过将铝模板反复浸入硅溶液中，然后加热、用酸性腐蚀其结构来除铝。“很简单，铝模板也是市场上买得到的”，曹在弼说。与LG化学公司一道，曹在弼正同铝模板制造商合作，制备出可与大批量生产相匹配的模板。他预计，采用纳米管电极的电池三年内可实现商业化。

硅阳极是否会增加锂电池的成本，现在作结论还为时过早。不过，“就算成本高了。但你能获取高容量啊，这将是个优势”，得克萨斯大学奥斯汀分校能源工程系教授阿鲁玛甘·曼席拉姆(Arumugam Manthiram)认为。

LG化学不是研发硅阳极的唯一电池公司。3M和三洋也正开发这项技术。不过，纽约州立大学宾汉姆顿分校材料科学与化学系教授斯坦利·维丁翰(Stanley Whittingham)警告说，在把这些电极做成车用蓄电池组之前，还存在不少挑战。跟硅相关的一个难题是如何把投入的能量全部拿回来——一个称作库仑效率的性质。使用硅阳极，时间一长，充入的能量后放出的将会越来越少。曹在弼和崔屹已经演示了他们制备的阳极在200次充电后的性能。但维丁翰认为，在一个阳极真正用于车辆之前，其库仑效率需要证明上百次乃至上千次的充电性能，而如此长效的性能还没被硅阳极显示过。

硅半导体太阳能电池进展 第4篇

太阳能是一种取之不尽的可再生能源,对环境也不产生污染,因此,在如今能源衰竭和环境污染等问题与经济发展之间的矛盾日益加剧的情况下,更受到人们的青睐。太阳能的利用主要有光热、光化学转换和光伏发电利用3种形式。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高[1]等优点,但不利于能量的传输,一般只能就地使用,而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在,但目前人类还不能很好地利用。光伏发电[2,3]利用以电能作为最终表现形式,具有传输极其方便的特点,在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势,且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降,都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。我国近年来在可再生能源方面加大了投入,实施了多项促进光伏产业发展的计划,如2003年国家投入20亿元实施的西部光明工程,2005年人大通过了《新能源法》,以法律的形式推动我国的新能源建设。我国研制太阳能电池始于1958年,中国的光伏技术经过50多年的努力,已具有相当高的水平和基础。近几年随着太阳能电池的生产工艺的提高和国家的大力支持[4],我国太阳能产业得到迅速发展,到2009年,中国已成为世界上最大的太阳能电池制造基地。

太阳能电池根据所用材料可分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池和纳米晶太阳能电池等[5]。当前研究和生产都希望用于制备太阳能电池的半导体材料禁带不能太宽、转换效率高、制造成本低、寿命长、原料丰富等。基于以上几方面考虑,硅是最理想的太阳能电池材料。

本文结合当前太阳能电池的工业化生产对近几年硅太阳能电池现状以及各种硅基太阳能电池的优缺点作了简单的综述,并对未来的太阳电池发展作了简单的探讨。

1 太阳能电池原理

1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池[6],1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并成功研制选择性太阳能吸收涂层,这两项技术为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。自此以后,太阳能电池得到了飞速发展,仅仅经过50多年的时间,目前已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域的重要电源,并将进一步发展成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。

太阳能电池是利用光电转换原理将太阳能转化为电能的一种器件,这个过程通常称为“光伏效应”,所以太阳能电池又称为“光伏电池”。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质,半导体的原子由带正电的原子核和带负电的电子组成,半导体硅原子的外层有4个电子,按固定的轨道原子核转动。当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱离轨道而成为自由电子,并在原来的位置留下一个“空穴”,在纯净的硅原子晶体中,自由电子和空穴是相等的。如果在硅原子晶体中掺入硼、镓等元素,由于这些元素能够俘获电子,它就成为了空穴型半导体,通常用符号p表示;如果掺入磷、砷等元素,它就成为了电子型半导体,通常用符号n表示。若把这两种半导体结合,交界处就会形成一个p-n结,p-n结阻碍电子和空穴的相互扩散移动。当太阳能电池受到照射时,电子接受光能,向n型区移动,使n型区带负电,同时空穴向p型区移动,使p区带正电,这样,在p-n结两端就产生了电动势,即电压,这样现象就是“光伏效应”。如果分别在p结和n结焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,如此就形成一个单个的电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率[7,8]。

2 晶体硅类材料

目前全球太阳能电池生产主要以晶体硅太阳能电池为主,2009年其占世界总产量的90.1%,世界各国政府对太阳能发电充满了兴趣,制定了“新阳光计划”或“太阳能百万屋顶计划”,以及中国的“光伏建筑一体化[9]”,阳光工程使太阳能电池硅片及多晶硅的用量大幅增加[10]。硅太阳能电池包含单晶硅、多晶硅、非晶硅,其中结晶类的单晶硅和多晶硅以其丰富的原材料和较高的转化效率,被广泛应用到生产中;非晶硅在生产中也有应用,但其转换效率和稳定性不如结晶类的硅半导体电池。1999年,澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)教授马丁格林(Martin Green)领导的研究小组在一块4cm2的PERL硅电池上利用PERL(钝化发射极、背面点扩散)使太阳能电池转换效率高达24.7%[11],达到了当时的最高纪录;2008年10月,结晶硅类太阳能电池单元转换效率重新计算后修订为25%。不过,该结构单元被认为很难实现量产。

晶体硅太阳能电池的制造工艺流程如下:

(1)切片:采用多线切割,将硅棒切割成正方形的硅片。

(2)清洗:用常规的硅片清洗方法清洗,然后用酸(或碱)溶液将硅片表面切割损伤层除去30~50μm。

(3)制备绒面:用碱溶液(一般为NaOH溶液)对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。入射光在这种表面经过多次反射和折射,降低了光的反射,增加了光的吸收,提高了太阳电池的短路电流和转换效率。

(4)磷扩散:采用涂布源(或液态源,或固态氮化磷片状源)进行扩散,制成pn结,结深一般为0.3~0.5μm。

(5)周边刻蚀:扩散时在硅片周边表面形成的扩散层,会使电池上下电极短路,用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。

(6)去除背面pn结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面pn结。

(7)制作上下电极:用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺,先制作下电极,然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。

(8)制作减反射膜:为了减少入反射损失,要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2、SiO2、Al2O3、SiO、Si3N4、TiO2、Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法、溅射法、印刷法、PECVD[12]法或喷涂法等。

(9)烧结:将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。

(10)测试分档:按规定参数规范,测试分类。

2.1 单晶硅材料

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素晶体,是晶体材料的重要组成部分,处于新材料发展的前沿。单晶硅材料制造要经过如下过程:石英砂冶金级硅提纯和精炼沉积多晶硅锭单晶硅硅片切割。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池,提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺[13]。

单晶硅太阳能电池是研究应用最早的硅太阳能电池,其转换效率最高,技术也最为成熟,多用于光照时间少、光照强度小、劳动力成本高的区域,如航空航天领域等。通过采用各种不同的硅片加工及电池处理技术,国内外各科研机构及电池厂家都生产制备出了较高效率的单晶硅电池。各种太阳能电池提高转换效率的速度[14,15,16]都在不断加快。在实验室中,尺寸超过10cm2的单晶硅型太阳能电池的单元转换效率在2010年6月达到了24.2%,较2006年10月的22.0%提高了2个百分点以上,较2008年5月的23.4%提高了0.8个百分点。通常认为太阳能电池在安装封装后,转换效率的极限值为25%~26%,所以可以说24%这一转换效率是很大的成果。单晶硅太阳能电池的生产和应用已经是世界范围内的成熟技术,但商品化单晶硅太阳能电池的光电转化率大部分都在16%左右,极少数达到了18%左右,如何提高单晶硅太阳能电池的光电转换率一直是光伏产业领域研究的重要课题,也是太阳能电池应用大国努力寻求解决的课题。2009年3月,全球第三大光伏电池模块制造商无锡尚德声称,采用Pluto技术己经实现单晶硅电池转换效率达到19%。2010年5月,中国企业500强晶龙集团核心子公司(晶澳太阳能公司)传来喜讯:该公司研发的“超高效”电池转换技术实现重大突破,单晶硅太阳能电池转换效率达到了18.7%,跃居世界领先水平。2010年5月,硅谷高科技公司SunPower联合新南威尔士大学发布了最新的E19系列太阳能电池板,它能提供19%及更高的光电转换效率。

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响[17],致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

2.2 多晶硅材料

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm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,因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从20世纪70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒太小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相近,但是从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要低得多。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。多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电池要低。20世纪末多晶硅太阳电池首次超过单晶硅太阳电池,但是单晶硅太阳电池产量并非止步不前一路下滑,而是仍然继续发展,形成与多晶硅太阳电池并驾齐驱各领风骚的态势。多晶硅太阳能电池在全球光伏产品的应用中占50%左右,而且其市场份额在最近几年中不断提高,但多晶硅太阳能电池的效率总体上没有单晶硅的高[18,19]。

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面,如在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至几乎没有导电性;在化学活性方面,两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

目前,多晶硅的生产工艺有多种,最常见的有改良西门子法和硅烷热分解法。二者相比之下改良西门子法稍具优势,这种方法的主要技术是:(1)在大型反应炉内同时加热许多根金属丝,减小炉壁辐射所造成的热损失;(2)炉的内壁加工成镜面,使辐射热反射,减少散热;(3)提高炉内压力,提高反应速度等;(4)在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以上的金属丝,单位电耗由过去300kWh/kg降低到80kWh/kg,多晶硅产量由改良前每炉次100~200kg提高到5~6t。其显著特点是加强尾气回收,在-15~-90℃对尾气加压多级冷凝分离。分离产物再回系统利用且能耗低、产量高、质量稳定。随着改良西门子法技术的不断完善与发展,使原辅材料及能耗大为降低,产品成本也随之降低。新硅烷法不断取得进展,除保证多晶硅纯度较高的特点外,直径也从原来的不足100mm增大至140mm,晶粒多晶硅已规模生产。多晶硅生产均采用闭路循环工艺流程,使副产物得以合理、充分的利用。

多晶硅技术近几年得到迅猛发展[20,21,22],2009年下半年更是达到高峰。2009年8月,尚德公司公布其多晶硅组件转换效率已经达到15.6%(仅按电池的采光面积计算),这个数字打破了15年前Sandia国家试验室创造的15.5%的记录,仅一个月后,该公司将转换率提高到16.53%。2009年12月中旬,挪威REC公司与荷兰能源研究中心(ECN)宣布,制造出世界第一块转换效率为17%的多晶硅太阳能板,突破了尚德公司于3个月前创造的多晶硅太阳能光伏模块16.5%的转换效率记录。这一世界记录由多晶硅太阳能晶片制造商REC公司与荷兰能源研究中心(ECN)共同创造。2009年10月28~30日,日本三菱电机在太平洋横滨会展中心举行的“Green Device 2009”上展出了转换效率高达19.1%的多晶硅型太阳能电池单元。在15cm2的多晶硅型太阳能电池单元中,实现了全球最高的转换效率。这项研究成果已在2009年9月的应用物理学会及2009年10月的国际学会“EU-PVSEC”上发表。

多晶硅薄膜太阳能电池是兼具晶体硅太阳能电池的高光电转换效率、稳定长寿和非晶硅太阳能电池的材料制备工艺简单、成本低并且无污染,可大面积生长等优点于一身的新一代太阳能电池,具有广阔的发展前景[23,24]。多晶硅太阳能电池占据主流,除取决于此类电池的优异性能外,还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源,而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。但是多晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶粒形态、晶粒晶界、膜厚以及基体中有害杂质的含量及分布方式严重地影响着太阳光的吸收率和载流子的复合率,从而影响着光电转化效率,这也是多晶硅薄膜太阳能电池的性能仍落后于单晶硅太阳电池的主要原因。

3 非晶硅材料

在美国RCA实验室Carlson和Wronski的共同努力下,第1块非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世,从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕。目前非晶硅薄膜太阳能电池正在进入显著的技术进步和规模化应用阶段[25,26]。

由于硅料的供应紧缺为非晶硅太阳能电池(又称薄膜太阳能电池)带来了良好的发展机遇,转换效能上,多晶硅因其不可改变的物理特性,其最高效能为15%~16%;非晶硅薄膜可透过沉淀不同化学特性的物质于不同段层,将转换效能由6%提升至12%或更高,理论上最高更可达17.8%。其次,薄膜吸收较广的阳光波长,在阴天或微弱阳光下运作亦较佳;相反,多晶硅的效能在较暗的情况下就会急速下降,因此非晶硅薄膜在实际环境下的转换效能比多晶硅高出10%以上。再者,非晶硅薄膜的转换效能虽然只及多晶硅的1/2,但生产成本亦只有多晶硅的1/3。多晶硅生产过程需要1100℃高温,不但耗能大,而且所带来的污染问题亦十分严重。非晶硅薄膜只需将气体沉淀转化成等离子附在玻璃上即可,生产过程只需150℃低温[27],消耗电能少,无污染,因此可以低成本大面积连续生产非晶硅电池。目前非晶硅电池转换效率及稳定性仍不及晶体硅电池,但其硅料使用量少、制程简单且易大面积量产、产品透光性佳及应用范围广等优点仍获得市场的追捧[28]。

非晶硅又称无定形硅,它是单质硅的一种形态,是棕黑色或灰黑色的微晶体;不具有完整的金刚石晶胞,纯度不高;熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅;化学性质比晶体硅活泼,可由活泼金属(如钠、钾等)在加热下还原四卤化硅,或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的α-硅,纯α-硅因缺陷密度高而无法使用。由非晶态合金的制备可知,要获得非晶态,需要有高的冷却速率,而对冷却速率的具体要求随材料而定。硅要求有极高的冷却速率,用液态快速淬火的方法目前还无法得到非晶态。近年来,发展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术,其中包括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等方法。一般所用的主要原料是单硅烷(SiH4)、二硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)等,纯度要求很高。非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切,目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好,设备也并不复杂。采用辉光放电气相沉积法就可得含氢的非晶硅薄膜,氢在其中补偿悬挂链,并进行掺杂和制作pn结。

非晶硅型太阳能电池方面,目前推出了几款模块转换效率超过10%的产品。铜铟镓锡化合物(CIGS)型太阳能电池方面,模块效率超过13%的产品也已亮相,这对部分结晶硅型太阳能电池产品造成了威胁。2008年11月,全球领先的薄膜太阳能设备和电池供应商欧瑞康太阳能,11日宣布了新一代的“高效非晶硅”技术面市。欧瑞康太阳能在组件性能方面一直占领先地位,运用先前的非晶硅技术为基础的太阳能组件迄今为止已生产出了50万多块。超过7%的稳定转换效率可使组件的电力输出功率提高16%。同时对于工厂生产制造方面,转换效率能力在没有增加任何费用的情况下提高了50%。这为高速发展的光伏技术提高了经济生存能力,具有重大意义。

开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速发展,但非晶硅作为太阳能材料,尽管是一种很好的电池材料,但由于其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外,其光电效率会随着光照时间的延长而衰减,即所谓的光致衰退S-W(Stabler-Wronski效应)效应,使得电池性能不稳定。在发展非晶硅作为太阳能材料上,如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一[29]。

4 展望

据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测,2020年世界光伏发电将占总电力的1%,到2040年光伏发电将占全球发电量的20%,按此推算未来数十年,全球光伏产业的增长率将高达25%~30%。可以预言,在21世纪中叶,太阳能光伏发电成为人类的基础能源之一,在世界能源构成中占有一定的地位。

目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池[30]两大类,它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。晶体硅是最便捷的PV技术[31],因为借鉴微电子领域的工艺技术,能够利用晶体硅制造出稳定而高效的太阳能电池。单晶硅光电转换效率可达22%以上。虽然目前硅太阳能电池技术很成熟且生产应用很广泛,但是晶硅类理论转换效率极限为29%,而现在的太阳能电池的转换效率为17%~19%,因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间[32]。以高纯多晶硅为原料而制备的单晶硅电池和多晶硅电池(统称晶硅电池)占据现有太阳能电池90%以上的市场,由于其原料易于制备,电池制备工艺最为成熟,在硅系太阳能电池中转换效率最高,无论其原料还是产品都对人类无毒无害等优点而获得了广泛的开发和应用。预计在未来的20~30年里还不可能有其他材料和技术能取代晶硅电池第一的地位。未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降,但其主导地位仍不会发生根本改变[33]。

近两年来,硅系薄膜电池发展很快,薄膜电池以其所需原料少、制造成本低而获得了快速发展,更为可喜的是,薄膜电池自身的工艺技术也有了长足的进步,不仅克服了转换效率低、衰减过快等缺点,而且设备制造商还开发出了可以大面积均匀沉积非晶硅薄膜的先进设备,加之光伏市场的高速发展所导致的多晶硅原料短缺等,给薄膜电池的快速发展提供了一个极好的机会[34]。但是由于其相对于晶硅电池而言转换效率不高,制备薄膜电池所用的设备价格昂贵等原因,又限制了薄膜电池的发展。预计在未来的20多年里薄膜电池的市场占有率将从现在的5%左右快速上升至20%~30%,但尚不能超过晶硅电池而占据市场的主导地位。薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题,会有巨大的发展空间。相比晶体硅电池,薄膜电池并不依赖多晶硅原料,因此发电成本要便宜很多。多晶硅电池的电价一度达到传统火电的10倍,但薄膜电池的价格可以媲美传统火电价格,因此薄膜电池被认为是晶体硅电池的替代产品,发展前景看好。包括无锡尚德、江西赛维和国内的多家上市公司,都已进入该领域,尚德更是把薄膜电池基地建在了上海,而联想投资、IFC也有薄膜电池项目的投资。

硅太阳能电池论文 第5篇

摘 要：目前太阳能电池组件主要分为两种：一种是常规多晶太阳电池组件，一种是高效率n型晶体硅太阳电池组件。由于两种组件在设计原理上存在很大差异，导致它们对光谱响应时间的要求也是各自不同。文章通过对两种电池组件在不同光谱响应时间内进行I-V测试，分析两种组件对光谱响应时间上的需求情况以及原因分析。

关键词：多晶;n型晶体硅;太阳电池组件;光谱响应

0 引言

太阳电池是基于空间航天器应用发展而来的，其材料是利用晶体Si制作成电池。这种电池具有较高的电池转换效率以及稳定的工作状态。其工作寿命大于25年。目前，由晶体Si制作而成的太阳电池组件90%是由硼参杂P型晶体Si（常规多晶太阳电池组件）形成的。然而随着地面光伏的应用普及，研究发现P型Si太阳电池组件在长时间光照情况下转换效率会出现衰减现象。这种现象的主要原因是掺杂了P型Si衬底中的硼原子与衬底中的氧原子相结合形成了硼氧对，这种硼氧对会降低少数载流子寿命，进而导致组件转换效率衰减。

为了提高晶体Si太阳电池组件转换效率以及保证其工作状态下的稳定性，人们研发了一种新型晶体Si太阳电池组件，即高效率n型Si太阳电池组件。这种组件电池是由磷参杂n型Si，其硼元素含量极低，从而可以忽略硼氧对降低少数载流子寿命的概率。由于n型Si对部分金属杂质的敏感性较低，因此在相同掺杂浓度下n型Si比P型Si具有更高的少数载流子寿命。由于n型晶体Si具有高寿命、高效率的优势，使得其成为现在光伏行业主要的研究对象，同时也正是因为两种组件存在各种差异，使得常规多晶太阳电池组件与n型晶体硅太阳电池组件在出厂前进行I-V测试时对光谱响应时间要求也存在着很大的差异。下面文章介绍了两种组件在不同光谱响应时间里，进行正反向测试时，对测试时间上的一个需求及原因分析。

1 太阳电池组件I-V测试现状

目前业界对光伏组件功率测试采用的均是正向测试方法，即由Voc到Isc的扫描方向进行扫描测试。光谱响应时间对于多晶来说一般控制在10ms到15ms左右，单晶组件控制在35ms到40ms左右。

1.1 两种组件随光谱响应时间的变化趋势

测试方法为在5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms不同光谱响应时间内，对一已有标定功率的两种组件进行I-V测试，其中先采用正向测试，随后采用反向测试。试验数据见表1、表2。

从数据表中我们可以得出以下几个结论：

第一，反向测试功率要高于正向测试功率;

第二，随着光谱响应时间的延长正向测试和反向测试数据差值越来越小;

第三，随着光谱响应时间的延长，正、反向测试数据越接近标定值。

1.2 原因分析

1.2.1 Isc方面：n型太阳电池组件的短路电流要大于多晶电池组件。一般对于多晶单片电池来说其短路电流在8.5～8.6A左右，最多不会超过9A，而n型电池片短路电流则保持在9.1A以上。导致这种差别的原因在于晶体中原子排列是否规则。

单晶所有的原子占据安排良好的规则的位置（晶格），它具有生长的有序性;而多晶原子排列彼此间随机取向的小晶粒，晶胞大小和取向时常发生变化，生长无序。其中的间界部分我们称之为晶界。晶界是一个过渡区，也是晶体缺陷的密集区域。而所谓的这种晶体缺陷是少数载流子的复合中心，极大的降低了少数载流子寿命，从而导致短路电流较小。

1.2.2 电池制绒方面：目前工艺中，多晶电池片主要采用酸制绒，即利用Si与HNO3和HF的混合液反应使硅片表面形成陷光结构，从而吸收更多的入射光，提高太阳电池的转换效率。

对于n型单晶来说，采用的是碱制绒。其相对多晶的酸制绒优势在于OH- 对不同晶面刻蚀速度存在选择性，属于异向刻蚀，而HF+HNO3则对不同晶面刻蚀速度不具备选择性，属于均向刻蚀。

在{111}晶面上，每个硅原子具有三个共价键与晶面内部的原子键结合，另外一个是裸露于晶格外面的悬挂键。而{100}晶面上每个硅原子有两个共价键和两个悬挂键，当刻蚀反应的时候碱中的OH- 会和悬挂键结合形成刻蚀，所以说晶格上的单位面积悬挂键越多，表面的化学反应就会越快。最终n型单晶电池表面制绒后成金字塔结构。

不同的制绒方法使得两种电池对光的反射率存在很大的差距。据试验数据得知，多晶电池平均反射率在20%以上，而n型电池的平均反射率小于10%。因此，n型电池吸收更多的入射光，当然会有更多的光子能量转换成电子-空穴对，使得电池的电容效应更加突出明显。

2 结论和发展方向

从前面分析可以看出，n型组件在进行I-V测试时需要的光谱响应时间大于多晶组件测试时间，其主要原因就在于短路电流和制绒工艺上的区别。因此，未来的发展方向也会朝着这两方面努力。

①晶体缺陷方面：缺陷是由于内部热应力所为，改进措施可以降低晶体生长的速度，保证炉内温度的均匀性或者增加孪晶等措施。

②在制绒方面，可以增加添加剂，通过控制反应速率使得化学反应更加均匀充分，也可以研究其他腐蚀方法，比如等离子腐蚀等。

参考文献：

[1]Knobloch J，Glunz S.W，BiroD，et al，Solar cells with efficiencies above 21% processed from Czochralski grown silicon [C]//IEEE Photovoltaic Specialist Conf.，1996;405-408.

可以作为太阳能电池使用的硅光纤 第6篇

来自宾夕法尼亚大学的科研团队成功研制出比头发丝还细的可以作为太阳能电池使用的硅光纤。与大多数人努力尝试把太阳能电池转变成光纤不同, 该研究团队从另一个角度出发, 将一根硅光纤变成太阳能电池。在他们早期研究中, 他们将太阳能电池材料的微粒一层一层地填入硅光纤的空隙中, 结果就是这个微小的硅光纤可以吸收太阳辐射并将其转化成电能。我们可以将其编织到布料里, 可以用其发电, 给设备充电, 制成化学传感以及生物医学设备。

该研究团队称他们已经可以制造数米长的光纤, 并希望有一天他们的技术能够无障碍地制造长达10 m的光纤, 而且该光纤能够通过吸收周围太阳辐射就可以给设备供电或者充电。

硅太阳能电池论文 第7篇

关键词：浅浓度扩散,三氯氧磷,方块电阻,均匀度

0 引言

本论文涉及常规晶体硅太阳能电池扩散技术领域, 具体为晶体硅太阳能电池的浅浓度扩散工艺, 采用一次氧化, 一次沉积, 一次恒温推进步骤, 得到电池的P-N结, 在沉积和恒温推进过程中控制降低扩散浓度, 减少扩散步骤, 从而减少扩散后结的死层, 增大P-N结与浆料的契和度。可提高电池短路电流, 从而提高转换效率。

1 晶体硅电池常规工艺

目前晶体硅电池制造的常规工艺已经进入标准化, 其各道工序工艺过程及目的如下:

1) 表面结构及清洗:即制绒清洗:在表面形成大小均匀、完全覆盖的腐蚀坑, 利用折射或陷光原理来增强光的吸收, 降低电池表面的反射率[1];

2) 扩散:太阳能电池制造的核心工序, 目的是在以P型硅片为衬底的材料上沉积一层磷, 进而形成P-N结, 使太阳能电池在光照的情况下产生光伏效应;

3) 刻蚀:去掉电池片边缘PN结避免太阳电池短路;

4) 沉积减反射膜Six Ny:目前批量化生产主流镀氮化硅薄膜, 折射率在2.0~2.15, 可将硅片表面反射率降低到3%左右。其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能, 同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力;它的化学稳定性也很好, 除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外, 其它酸与它基本不起作用[2];

5) 印刷电极:将太阳电池转换的电能输出;

6) 烧结:将印刷的电极与电池片形成良好的欧姆接触。半导体材料与金属接触时没有形成整流接触, 欧姆接触具有线形和对称的V-I特性, 且接触时的电阻远小于材料电阻的一种接触, 因此当电流通过时, 良好的欧姆接触不会产生显著的压降和功耗;

7) 测试分选及包装:将制作完成的电池片测试, 并按相应的条件分档, 达到相应的数目后按要求进行包装。

根据目前生产工序上的工艺情况:硅片表面参杂浓度应在5*10e19atom/cm3左右, 且同一深度原子浓度相同。参杂浓度过大会使PN结带宽急剧收缩, 导致反向饱和电流增大, 致使开路电压降低, ;同时, 表面浓度过高会在表面形成死层, 大量的光生载流子将会被复合[3]。所以, 扩散后的硅片表面的方块电阻越均匀越好。

2 试验原理及方案

本文针对管式扩散炉提供一种改进的扩散方法, 其主要特征在于浅浓度, 主要包括以下步骤:

1) 采用导电类型为P型的硅片原料, 制备绒面、清洗并甩干;

2) 氧化:在温度780℃~785℃条件下通入流量为8slm~10slm的N2及3slm~5slm的O2, 并将清洗干净的硅片进入到扩散管中进行氧化, 得到20nm~25nm厚的氧化层, 即Si O2;

3) 沉积:待氧化完成后, 继续通入流量为8slm~10slm的N2, 1.2slm~1.5slm的O2及0.5slm~0.8slm携带有扩散源 (POCl3) 的N2的混合气体进行P沉积, 硅片780℃~785℃气氛中与氧气, 三氯氧磷发生化学反应, 生产磷、五氯化磷、五氧化二磷、氯气, 时间为300s~380s, 主要反应方程式如下:

Si+O2=Si O2

5POCl3=P2O5+3PCl5 (高温)

4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2 (高温)

2P2O5+5Si=4P+5Si O2

4) 恒温推进:温度提升到805℃, 继续通入流量为8slm~10slm的N2, 1.2slm~1.5slm的O2及0.5slm~0.8slm携带有扩散源 (POCl3) 的N2的混合气体进行推进, 使之前沉积的P更均匀地分布在硅片上, 推进时间为20min~30min, 注意整个扩散工艺过程中, 控制携源N2的流量不超过0.8 N2。原理同C;

5) D步骤完成后继续通入流量为3slm~5slm的O2以便与未消耗完的PCl5继续反应, 还可以防止未反应完的化学品逸散到工作区域, 对操作人员造成危害;并降温至780℃~785℃。时间为500s~800s;

6) 出舟, 冷却。等扩散后的硅片冷却到室温, 测试合格后卸片, 流入下道工序;

7) 经过以上步骤, 得到扩散后的硅片, 硅片表面方块电阻为85~90Ω/□[4]。

本文在现有的工艺基础上进行改进, 通过浅节低浓度的方法能较简单的控制结深, 及结的均匀度, 减少沉积过程中的死层, 主要表现在方块电阻的均匀性上面。

管不均匀度及单片不均匀度计算公式如下:

扩散后方块电阻测量点如下:Basic Science基础科学

使用两种不同扩散工艺方块电阻的均匀性如表1所示。

两种不同扩散工艺方块电阻的均匀性对比:

通过对比, 可以看出浅浓度扩散的单片均匀性比常规扩散的单片均匀性好, 而且管的均匀性也好于常规扩散的均匀性, 通过正态分布图也可以看出浅浓度扩散优于常规扩散。使用两种不同扩散工艺在电性能上的差别:

通过电性能参数的对比可以看出浅浓度扩散的开路电压比常规扩散提高5%~7%, 短路电流提高0.25A~0.30A, 效率提高3%以上。

3 结论

所以通过控制降低扩散浓度, 减少扩散步骤, 减少扩散后中小磁转子不稳定, 可能会出现不确定因素, 因此选择中等搅拌速度。

3.5其它因素

除上述几种影响因素之外, 还有平衡时间、定量可行性分析等因素也会影响到试验的结果, 在实际试验中, 只要保持一段萃取时间, 就能保证实验结果, 没有必要等到平衡。为了提高精密度及灵敏度, 需要达到一定的萃取量。虽然固相微萃取技术是一种动态平衡技术, 在一些相同条件下, 采用外标法测量是可以的, 主要是被测样品相同并且干净的影响。此外, 如果存在适用的内标物, 进行称重时加入, 可以校正处理时的损失, 使得样品处理和分析定量更加的准确。

参考文献

[1]季静佳.绒面技术在太阳能电池领域中的应用[J].太阳能研究与利用, 2004, 增刊 (48) :3.

[2]王永东, 等.太阳电池减反射膜系统的研究[J].太阳能学报, 2001, 22:317.

[3]刘祖明, 李杰慈, 张忠文, 廖化, 李景天, 涂洁磊, 陈庭金.晶体硅太阳电池产业技术发展[M].云南:云南师范大学太阳能所、云南省农村能源工程重点实验室, 昆明光伏科技公司昆明, 1990:99-110.

硅太阳能电池论文 第8篇

晶体硅太阳能电池的基本结构由P型硅基板、n型层、减反射膜(TiO2、SiO2或Si3N4)、正面银电极、背面铝电极和背面银电极组成。而背面银电极就是用银导体浆料通过丝网印刷再经过烧结形成的电极[1]。

太阳能电池背面银电极用导电浆料主要由3部分组成:导电功能相、无机粘结剂、有机载体等原料配制而成。由于银粉具有良好的导电导热性能,且相对于其他的贵金属来说价格便宜,焊接性能较好,被广泛用作导电浆料的导电相;无机粘结剂为玻璃粉,它能促进银粉的熔融并将银电极和硅基片粘结在一起;有机载体主要由有机溶剂、高分子树脂、触变剂、表面活性剂等组成,主要作用是赋予浆料一定的印刷性和存放性[2]。

在实际应用过程中,背银浆料要求在保障电性能的基础上,还必须要有足够的附着力和焊接拉力。因为强的附着力可减少电极接触姓的衰减,提供强的电极连接以延长组件输出功率的时间;好的焊接拉力可防止在组件过程中银电极的脱落和电池片之间的断裂。为增强附着力和焊接拉力,目前许多电池厂家背面使用纯银浆料替代传统的银铝浆料,但导致了生产成本增加。为节省成本,不断降低浆料的银含量已成为目前背银浆料发展的必然趋势和众多厂家的竞争手段。但降低银含量将会影响电池片的电性能和机械性能,如浆料粘度降低,印刷性能变差,导致烧结后的背面电极在焊接界面存在的多空面积增加以及在界面引发裂缝,引起串联电阻增加,并降低焊接拉力[3]。因此,寻找合理的技术措施来平衡生产成本和浆料性能间的关系成为目前的研究方向。结果表明,背面银浆中所用的银粉对于保障电性能、提高附着力和焊接力起着关键的作用。本论文我们将重点研究背银浆料中所用银粉的粒径、形貌对这些因素的影响,并在设计背银浆料时考虑以下几个因素:方阻,附着力,烧结后膜的密度,焊接拉力,浆料粘度,可印刷性,印刷重量、生产成本等方面。

2 实验部分

2.1 实验原料

银粉CSP-01(球形,1.2~1.5μm);CSP-02(球形,2~3μm);SF-03(微片状,2~3μm);FP-O4(片状,2~3μm);有机载体(乙基纤维素20%,有机溶剂75%,添加剂5%);无机玻璃粉。

2.2 实验仪器

电子天平、三辊机、丝网印刷机、多晶硅片、硅太阳能电池效率测定仪、显微镜、拉力计、焊接装置、粘度计。

2.3 试验方法

在四个容器中分别称取30g有机载体、5g溶剂、5g玻璃粉,混合均匀后分别加入银粉CSP-01、CSP-02、SF-03、FP-O4 60g,搅拌,三辊研磨机轧制细度至5μm以下,用博立飞DV-Ⅱ旋转粘度计测浆料粘度。将所得四个浆料及市场所售标样采用相同的印刷参数,丝网印刷在已印好正银、背铝的7寸多晶硅片上(厚度约180μm),记录印刷增重。将印刷后的硅片于220℃烘干20min,峰值温度890℃烧结,出炉后用硅太阳能电池效率测定装置测量电性能,用方阻仪测定背银电极方阻,用显微镜观察栅线电极横断面表观。

用180°拉力测试来评价电池系统的附着力和焊接力。在156mm156mm的多晶硅上印刷2mm宽的背面银母线,之后印刷铝背场和正面银浆.再进行烧结。用400℃烙铁手动将焊条焊接在电池上,然后将电池粘到氧化铝基板上并且进行固化。将氧化铝基板固定在夹具上,用一个1000g测力计在180°方向以0.5cm/s的速率进行剥离。每进行2cm记一次数值,然后取平均值。观察剥离后的背电极处是否有浆料残留,硅片是否碎裂,以此来评价电极的附着力。

3 结果与讨论

上述浆料的测试结果如下表。

从以上结果可看出:

(1)在相同固含量的情况下,四种不同银粉配制出的浆料粘度变化较大。这是因为银粉的粒径、形貌不同,比表面积不同,粘度表现也会不同。微球型银粉CSP-01较CSP-02粒径稍小,比表面积稍大,故粘度相对较高一些。片状银粉FP-04的比表面积最大,微片状银粉SF-03的比表面积介于CSP-01与FP-04之间,并且片状化程度越大,比表面积越大,粘度越高;

(2)浆料粘度直接影响印刷性能与印刷增重。粘度过低,印刷漏网,造成电极塌删,印刷增重大;如果浆料粘度过高,印刷时容易粘网,造成印刷增重较小;

(3)银粉CSP-01、CSP-02配制的浆料在剥离后的背电极处有浆料残留,SF-03、FP-04配制的浆料在剥离时硅片出现碎裂。说明CSP-01、CSP-02配制的浆料容易分离,附着力差,而SF-03、FP-04配制的浆料与硅片的结合力远大于硅片的应力,附着力高,以至于硅片出现碎裂;

(4)在低固含量的情况下,采用片状银粉可获得较好焊接力和附着力,而球形银微粉的焊接力和附着力均差;

(5)银粉的粒径、形貌与所形成电极的电性能有强相关。微球形银粉之间是点接触,接触面积较小,相对片状银粉而言,导电性能差。而片状银粉可形成理想的面接触,所以以其制成的导电银浆导电性能特别优异,但如果银粉的银片较薄,烧结时银片收缩,形成颗粒并变粗,失去银光泽呈银灰色,导致零位电阻增加,电性能变差;

(6)在低固含量情况下,由于球状银粉的比表面积小于片状银粉,为达到所需浆料粘度,需加大树脂用量,如此制得的浆料中银颗粒被大量有机树脂包覆,烧结后树脂挥发,造成银颗粒间的连接不紧密,容易形成空洞,影响背银电极的焊接力、附着力和电性能。

4 结论

背面银浆中所用的银粉对于保障电性能、提高附着力和焊接力起着关键的作用。在低固含量的情况下,选用合适的微片状银粉可以很好地调整银浆烧结后膜的形态,经印刷烧结后形成致密的电极膜,具有优异焊接性.与硅片形成很好的附着力,并且有助于提高电池效率。

参考文献

[1]赵玲,谭福斌,刘林,等.太阳能电池用银导体浆料的研究[J].电子元件与材料,1996(6):13-16.

[2]张世强,李万河,徐品烈.硅太阳能电池的丝网印刷技术[J].太阳能制造,2007(55):55-59.

晶体硅太阳电池工艺技术新进展 第9篇

2007年世界太阳电池产量达4.279GW, 比2006年增长了69%[1], 其中晶体硅太阳电池占87.4%。自1975年E.L.Ralph等[2]首次采用丝网印刷技术代替真空蒸镀以来, 丝网印刷的晶体硅太阳电池无论在设备和技术上都得到很大的进步。目前我国商业化的单晶硅太阳电池效率在16.5% 左右, 多晶硅太阳电池效率在5.5%左右。世界上多个研究小组一直在努力研究高效新型的太阳电池, 并很早就成功研制出效率超过20%的太阳电池[3], 但是这些研究成果只有很少一部分能应用在工业生产中[4,5,6], 因此研究能与工业化相适应的太阳电池技术具有重大的意义。本文主要介绍目前晶体硅太阳电池制备技术的新发展及趋势。

1 丝网印刷的太阳电池

常规晶体硅太阳电池的生产工艺如表1 所示。我国是世界最大的太阳电池制造基地, 但设备和原料受制于外国。目前国外的生产线已经开始进行升级, 因此国内的太阳电池制备技术和生产线需要尽快改进。

1.1 腐蚀和表面织构

硅片经线切割后会留下10μm左右的损伤层, 见图1 (a) 。若不将其去除, 表面复合会增大, 影响电池效率。常用的方法是用碱、酸或等离子刻蚀等方法[7,8,9]去除, 然后在表面制备陷光结构, 工业上称为“制绒”。经制绒后的硅片经过盐酸、氢氟酸、纯水等清洗液去除金属、有机玷污后, 甩干再进入扩散工序。

单晶硅通常采用各向异性的碱腐蚀, 在国外的研究和生产中大部分的制绒液是碱 (NaOH、KOH、Na2SiO3、 (CH3) 4NOH) 与异丙醇的混合溶液。考虑到生产成本, 目前许多太阳电池制造商使用价格相对较低的乙醇来替代异丙醇与氢氧化钠的水溶液混合制绒。利用各向异性的碱腐蚀能够将表面反射率降到12%左右, 单晶硅表面织构的形貌如图1 (b) 所示。碱腐蚀的过程采用槽式清洗设备, 将硅片放入花篮由机械臂在各工艺槽中自动运送, 各工艺槽有自动补液功能, 通过称重确定硅片被腐蚀的深度。

酸腐蚀是各向同性的过程, 能同时去除损伤层和表面织构化。目前广泛使用的酸腐蚀溶液是以HF-HNO3 为基础的水溶液体系, 为了控制化学反应的剧烈程度, 有时还加入一些其他的化学品。蚀刻机制可简化为:HNO3在硅片表面形成了一层SiO2, 然后这层SiO2 在HF的作用下被去除。多晶硅的表面织构化仍是目前国内外的研究热点, 其中等离子刻蚀表面织构技术是未来一种重要的产业化生产技术[9]。近年来湿法腐蚀多晶硅技术有很大的进步, 产业化生产的多晶硅转换效率达到15.5%, 逼近单晶硅太阳电池。太阳电池的效率与腐蚀深度关系很大, 如果腐蚀深度太浅, 有损伤层残留, 电池的开路电压和短路电流均会降低;如果腐蚀过度, 表面起到抛光的作用, 反而增大了表面反射率。有研究表明, 最佳的腐蚀深度在4～5μm[10]。湿法腐蚀多晶硅可用槽式或链式的清洗设备, 链式的清洗设备产量能达2000片/h, 每个清洗槽能清洗150000片, 每片仅消耗药品12mL, 比碱腐蚀去损伤层制备的电池的效率提高了0.4%, 图1 (c) 为多晶硅表面织构的形貌。链式的清洗设备能与其他设备组合成一条完整的连续生产线, 比槽式清洗槽有更大的优势。

1.2 扩散制结

国内绝大部分太阳电池生产商均采用管式扩散炉。硅片被垂直放置, 通过推舟进入800～900℃炉管内, 在氮气保护气氛下通入氧气和由氮气携带出来的POCl3。反应生成的P2O5沉积在硅片表面, 磷原子靠浓度梯度场和热运动的作用向硅片内部扩散形成p-n结。反应过程中生成的Cl2起到清洁硅片表面和炉管的作用, 形成的p-n结较均匀, 方块电阻一般控制在40～55Ω/□, 扩散时间为1h左右, 在单面扩散的情况下, 每管产量可达300片。磷在扩散过程中有吸杂作用, 能延长材料的少子寿命, 扩散后的硅片少子寿命一般在10μs以上。延长扩散时间, 降低最高扩散温度可以延长少子寿命[11]。双面扩散比单面扩散有更长的少子寿命和更高的转换效率[12]。目前, 闭管扩散炉比开管扩散炉的能耗更低且生成的偏磷酸少, 国际上已有多家公司对闭管扩散设备与技术进行了研究, 并取得了一定的成果[13]。

链式扩散是一种重要的产业化生产技术, 而且能很好地与快速扩散技术结合。经处理的磷酸通过涂源或超声喷雾的方法均匀地附着在硅片表面, 再通过有不同温区的链式扩散炉制得p-n结。最短的扩散时间只需5s, 不需要复杂的装卸片装置, 而且配备无接触的方块电阻在线检测, 易于自动化生产。德国某企业定购的这种扩散炉台时产量达到5600片, 完全满足工业上大规模使用的要求。

选择性扩散可以得到较好的光谱响应和较高的开路电压, 具有着很好的产业化前景。德国Fraunhofer研究所采用LCP (Laser chemical processing) 制备选择性发射结的太阳电池, 其效率已经超过20%[14]。南京中电采用选择性扩散技术在生产线上制备的单晶硅太阳电池, 其效率能稳定达到17.5% 左右, 产能达2MW。无锡尚德的Semiconductor Finger 太阳电池克服了传统丝网印刷太阳电池的缺陷, 制备出的发射层结构如图2所示[15], 电极方块电阻为5Ω/□, 表面其他地方电阻为100Ω/□, 并于2007年开始试产, 平均效率达17.5%。另外无锡尚德也在多晶硅太阳电池生产线上采用氮化硅作掩膜进行两步扩散, 制得的多晶硅太阳电池, 其效率达15.8%[16]。选择性扩散是目前国内外研究的热点, 通常采用一步扩散或两步扩散, 早期的选择性扩散采用光刻制得选择性发射结的窗口[3], 但光刻成本高, 难以大规模应用在太阳电池生产中。利用对硅片先进行轻掺杂再利用丝网印刷与能腐蚀氮化硅和氧化硅的新型浆料[21]结合制备窗口, 然后再进行重掺杂的方法能形成选择性发射结, 而且无需掩膜, 能与目前太阳电池生产设备很好地配合起来, 但这又对印刷的对位精度有了更高的要求, 这种技术具有很好的产业化应用前景。

1.3 去边p-n结技术

等离子刻蚀是我国目前最常用的去边p-n结技术。该技术成本低廉, 一批可以刻蚀300片, 但操作过程难以实现自动化, 而且碎片率较高。采用激光去边、链式化学腐蚀[17]等技术有良好的效果, 易于提高生产线的自动化程度, 但设备投入高。

1.4 减反射膜制备技术

早期的丝网印刷太阳电池采用TiO2和SiO2作减反射膜, 但是TiO2对硅片没有钝化作用, SiO2虽然能很好地钝化硅片表面, 但对多晶硅体内起不到钝化效果, 而且其折射率太低, 不能起到很好的光学作用, 其氧化过程在高温下进行, 对多晶硅材料的性能不利。为此, 人们正在寻求更好的减反射膜技术。日本京瓷公司于1984年首次将PECVD制备氮化硅作减反膜的技术应用在商业化太阳电池生产中, 得到了良好的减反射和钝化效果[18]。

等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 技术被广泛地应用在太阳电池的商业化生产中。SiH4与 NH3在 (0.1～1) 102Pa、200～450℃下反应, 在硅片表面沉积一层厚约75nm、折射率为2.05的氮化硅, 反射率可以降低到3%以下[19], 并能起到很好的钝化效果。PECVD有管式和平板式2种。平板式PECVD有更高的产能, 管式PECVD因为其沉积的氮化硅薄膜更加致密, 对多晶硅太阳电池能起到更好的钝化效果。随着工艺的发展, 在甚高频PECVD、微波PECVD、远程PECVD等应用中, 如何减少对电池表面的辐射损伤, 增加膜层中的氢含量, 提高表面及体钝化效果和得到合适的折射率是优化工艺的关键。除了采用PECVD技术制备氮化硅外, 常压化学气相沉积 (APCVD) 、低压化学气相沉积 (LPCVD) 、磁控溅射也能制备出氮化硅减反射膜。

1.5 丝网印刷和烧结

1.5.1 银电极

目前工业上丝网印刷的细栅线为110～150μm, 主栅为1.5～2mm, 因遮光而导致的效率损失在8%左右[20]。如何改进现有的平面印刷技术, 使其电极宽度进一步减小是当前研究的热点。

从印刷设备来看, 丝网印刷的自动化程度可以满足工业化要求, 一般进口的自动化印刷线都采用CCD数码相机检测丝网基准, 智能化技术自动校准晶片位置, 每小时产量大约为1000片。如何使印刷压力更加均匀, 在薄片化的形势下进一步降低碎片率是设备商们需要考虑的问题。从前电极银浆来看, 如何能在电极烧结的过程中选择性地溶解氮化硅, 避免过深进入硅体, 改良浆料成分, 使其能适合大方块电阻的太阳电池是浆料制备商需要解决的主要问题。

一般来说, 银浆的成分 (质量分数) :70%～80%为0.1～0.3μm的银颗粒, 1%～10%的玻璃料 (PbO-B2O3-SiO2) 和20%左右的有机溶剂[21]。银颗粒是形成良好欧姆接触的主要成分;玻璃料在烧结过程中起穿透减反射膜、降低银熔点的作用, 使其形成良好的欧姆接触;有机溶剂保持浆料有适当的黏度。如果浆料黏度过大, 容易导致断栅;但黏度过小, 栅线则不能形成良好的高宽比。德国Fraunhofer研究所采用两步金属化制备电极:第一步先通过Aerosol jet技术沉积40μm宽的籽晶电极, 再用Light-induced plating的方法使电极变厚, 形成的电极截面如图3所示[22]。制备出来的Cz-vSi单晶硅太阳电池的效率为18.3%, 多晶硅太阳电池的效率为16.7%[23]。这种技术最近已经在Gebr.Schmid公司的设备上得到应用, 相信不久的将来会应用在大规模工业生产中。另外, 采用无接触的Inkjet printing[15]技术也能制备电极, 而且还能用于刻槽、表面织构等, 在硅表面腐蚀出所需要的图案, CSG solar公司在2006年成功地将此技术应用在薄膜电池生产中。

通过烧结形成欧姆接触的机理仍然在争论中。Ballif等[23]认为在高温下, Si和Ag熔解在玻璃料中, 冷却时Si再结晶, Ag随机生长在Si中, 这种解释是基于过烧样品的观察。Hillali等[24]认为Ag颗粒熔解在SiO2层中, 急冷下再结晶。但是Schubert等[25]通过实验证明, Ag在高温下与SiO2的熔解要一段时间。Young等[26]认为PbO-B2O3-SiO2等金属氧化物MO能与Si发生氧化还原反应, 生成金属M和SiO2。Ag、Si在液态M中熔解, 腐蚀穿透减反射膜, 进入硅表面。在急冷下, 根据相图, Ag和M被分开, Ag再结晶并与Si的发射层形成欧姆接触。值得注意的是Ag与n型Si之间存在一层超薄的SiO2, 通过“隧道效应”导电。这层超薄的SiO2阻止Ag进一步进入发射区, 对提高并联电阻具有重要的作用。这也是导致串联电阻变大的一个重要因素, 因此需要严格控制浆料中玻璃料的含量。

1.5.2 铝背场

为了提高电池效率, 背表面也需要降低反射率和钝化, 工业中背表面钝化是利用丝网印刷技术将Al覆盖在硅片上以合金化。铝背场 (BSF) 的厚度、均匀性、反射率和烧结后电池的弯曲度很大程度上由印刷在硅片背面的铝浆的厚度决定。一般铝浆的干重 (经烘干后铝浆的质量) 控制在6～10mg/cm2, 铝浆的干重越大, 硅片经烧结后的弯曲度越大。铝、硅在577℃时可以生成共晶组织。根据Al-Si二元相图, 加热过程中会产生一种液相的Al-Si相。当温度降低时, 硅发生再结晶, 根据溶解度曲线可知, 硅中会融解一定的铝, 形成一个P+的背表面场层。经优化烧结工艺后得到的P+-Si区厚度为6～7μm[27], Al背场的SEM截面图如图4所示。由于全铝背场的表面复合速度仍然较快, 背面采用二氧化硅或氮化硅[28]实行背面钝化是工业化生产的发展趋势。背面钝化后使用激光局部烧熔技术 (LFC) 产生极好的背场, 制得的FZ-Si太阳电池效率达21.6%[29]。Jan-Frederik等用铝膜替代真空蒸镀的铝电极, 采用LFC技术也能得到19%以上的效率[30]。

2 商业化的高效太阳电池

科学家们很早就制备出效率超过20%的高效太阳电池, 但是目前已经得到商业化生产的高效太阳电池为数不多, 其中三洋公司的HIT (Heterojunction with intrinsic thin-la-yer) 太阳电池、BP solar公司的BC (Buried contact) 太阳电池、Sunpower公司的IBC (Interdigitated back contact) 太阳电池是典型代表, 其效率和产能如表2所示。另外Siemens solar公司的BSF (Boron back suface fields) 太阳电池也具有很好的发展前景。

晶体硅太阳电池正朝更薄更高效率的方向发展, 正向很多常规技术发起挑战。在未来的工业化生产中将需要高度的自动化来降低碎片率, 以及良好的钝化和陷光技术来克服晶体硅光吸收系数小、硅片变薄的情况。激光技术是未来工业化发展的关键, 将应用于形成背电极、去边p-n结和刻槽等技术。

3 结语

晶体硅太阳电池占太阳电池的87.4%[1], 其优异特性已被广泛认同。丝网印刷的晶体硅太阳电池具有坚实的技术基础和成熟的生产工艺, 预计5～10年内其主导地位不会有太大变化。本文回顾了丝网印刷晶体硅太阳电池的各工艺步骤, 介绍了晶体硅太阳电池制造技术的新发展和已经得到工业化生产的高效太阳电池。

目前, 我国对晶体硅太阳电池工艺技术的研究与国外存在一定差距, 尤其是在高效低成本晶体硅太阳电池工艺技术上缺乏基础理论研究。部分电池生产设备、硅材料严重依赖进口、国内市场十分狭小等原因均制约着我国光伏产业的发展。国内太阳电池产业化起步虽晚, 但发展十分迅猛。市场需求是产业技术发展的最大推动力, 研发更先进的太阳电池生产制造技术、降低能耗和制造成本是今后太阳电池研究的方向。笔者正在对高效低成本晶体硅太阳电池进行研究, 并从表面织构和扩散工艺两方面展开深入探索。相信随着国家科技支持力度的不断加大、传统能源的日益枯竭和石油价格的不断上升, 以及人们对自身生存环境要求的不断提高, 作为无污染的清洁能源, 太阳电池必将会得到更加快速的发展。

摘要：晶体硅太阳电池是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳电池。以晶体硅太阳电池的生产流程为基础, 主要从提高电池转换效率和降低生产成本出发, 介绍了晶体硅太阳电池制造技术的最新进展和成果, 并对各种制备工艺进行了评价。

硅太阳能电池论文 第10篇

1 实验

1.1 试剂与设备

B2O3、Al2O3、ZnO、PbO、Bi2O3、SiO2、Sb2O5、NH4NO3,所用药品均为分析纯。

玻璃粉制备设备:高温炉,干燥箱,球磨机;玻璃粉和玻璃浆-硅片共烧试样检测设备:NETZSCH STA 449C热分析仪,D-MAX2500型X射线衍射仪;太阳能电池检测设备:3i SYSTEM太阳能电池分选仪。

1.2 样品制备与性能检测

(1)按照一定的配比,将玻璃粉原料准确称量、搅匀,将混合好的玻璃粉原料装入刚玉坩埚中,在马弗炉中预热到400℃,随后将预热充分的坩埚放入高温炉中加热至1300℃,直至玻璃原料完全液化,充分搅拌后水淬,完成玻璃料的初始制备。随后将制得的玻璃料球磨、干燥,待完全干燥后将玻璃粉过筛,完成整个玻璃粉的制备工作[7]。将制备好的玻璃粉各称取5g分别做DSC和XRD测试。DSC检测条件为Ar保护气氛下在0~1000℃以升温速率为10℃/min进行检测;XRD检测为物相分析,测量范围为10~80°。

(2)经过DSC和XRD检测,将玻璃化转变温度低于600℃、玻璃化程度高的玻璃粉再与有机载体按一定比例配制成玻璃浆,印刷在硅片上,并烧结成试样。玻璃浆-硅片烧结试样做XRD测试。

(3)证明玻璃粉能有效穿透减反射膜形成欧姆接触后,再采用标准的电子浆料制备方法制备成正银浆料[3],随后采用丝网印刷技术将正银浆料印刷在硅片上[8],烧结成太阳能电池片。将制得的硅太阳能电池片用太阳能电池分选仪测试电学性能。

2 结果与讨论

2.1 玻璃粉的XRD分析

目前,应用于晶体硅太阳能电池正面银浆的玻璃粉多数是PbO-SiO2-B2O3-Al2O3体系[9]。但考虑到PbO对环境的影响,本实验使用Bi2O3部分替代PbO,设计了4种PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3体系的玻璃粉。表1为设计的该体系玻璃配方(质量分数)。

XRD可以用来检测玻璃化程度与结晶程度,当XRD衍射峰尖锐时,说明结晶程度高;当XRD衍射峰宽化甚至没有峰时,则说明玻璃化程度高[10]。

图1为按照表1设计得到的玻璃粉的XRD图。从图1中可以看出, 1#和2#玻璃粉衍射峰较宽,说明成玻程度高,是典型的玻璃的衍射图,在2θ=28°左右出现1个玻璃宽化峰,参考PDF卡片,可知与其相对应的是34-1039、32-0004、29-0782、29-0086、26-0008、25-0021、22-0002号PDF卡片,经分析是Al-Si-O、Al-B-O和Pb-Si-O系物质。3#和4#玻璃粉衍射图除了在2θ=28°左右出现1个宽化峰外,在68°左右出现1个尖锐的晶体衍射峰,经分析得知,该峰与PDF卡片10-0414中Al2O3相的衍射峰相对应,说明3#、4#玻璃粉在制备过程中出现了Al2O3晶体。

结合表1中1#-4#玻璃粉的配方可以看出,Al2O3含量过高会导致结晶,原因可能是原料中的Al2O3除了参与形成玻璃网络外,多出部分还单独析出微晶。玻璃化程度高的玻璃粉有如下优势:(1)玻璃相比于晶体,在固相与液相间有一个粘滞态,具有非常大的粘附力,由于这个中间过程的存在,使用玻璃作为高温粘结剂时,膜层可以良好地附着在基板上;(2)成玻化程度高可以在较低的温度下就出现液相,在液相环境下,化学活性与扩散速度都远高于固相反应,更有利于反应的进行和物质的迁移,而且液相可以浸润固相,同样可以增加附着力;(3)玻璃态是亚稳态,所以组成成分相同的物质,其玻璃态的能量要高于晶态,因此当玻璃态和晶态达到液态时,能量较高的玻璃态的能量差更少,所以玻璃态在相对较低的温度下就可以出现液相[11]。因此,3#和4#玻璃粉不适合应用于太阳能电池正面银浆,同时也为随后的玻璃配方的设计指明了方向:Al2O3的含量不宜过高,在PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3玻璃体系内必须控制在10%以内。

2.2 玻璃粉的DSC分析

图2为上述玻璃粉的DSC曲线,从图2中可以看出,1#玻璃粉的玻璃化转变温度为550℃,692℃出现1个析晶放热峰,818℃出现1个熔融吸热峰;2#玻璃粉的玻璃化转变温度为464℃,698℃出现1个析晶放热峰,773℃出现1个熔融吸热峰[10]。

现代太阳能电池的工业化生产采用的烧结工艺通常为高速快烧,烧结时间为20s,烧结峰值温度通常为850~950℃。这就要求作为高温粘结相的玻璃粉必须在一个较低的温度下就能出现液相,由于玻璃粉没有固定的熔点,因此采用测量玻璃粉的玻璃化转变温度(Tg)来衡量玻璃粉出现液相的温度。

比较1#和2#玻璃粉的配方可知,在PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3玻璃体系中,PbO部分替换SiO2后,Tg(1#是550℃、2#是464℃)和液相出现温度 (1#是818℃、2#是773℃) 均降低。当PbO形成玻璃时,Pb2+形成四方锥体结构单元[PbO4],组成螺旋形的链状结构,与玻璃形成体结构[SiO4]以顶角相连或共边相连,形成一种特殊的网络,PbO部分替换SiO2后,玻璃中更多的[PbO4]替代[SiO4],由于Pb-O(382kJ/mol) 的键强比Si-O(460kJ/mol)更低,所以[PbO4]替代[SiO4]后会造成Tg和液相出现温度的下降[12],导致1#和2#玻璃粉的DSC不同。

1#和2#玻璃粉分别在692℃和698℃存在一个放热峰,该放热峰为玻璃粉的析晶峰。从1#和2#玻璃粉的析晶峰温度相近(相差6℃)可知,保温过程中有相同的晶体析出。

1#和2#玻璃粉除了在玻璃化转变温度、析晶放热峰和熔融吸热峰有所不同外,在整个DSC曲线的放热和吸热趋势也不一样,从图2中可以看出,1#玻璃粉在整个过程中都是吸热过程;而2#在200~500℃温度区间是放热过程。这可能是因为PbO部分替换SiO2后玻璃网络中有更多的[PbO4],这种玻璃网络结构在温度相对较低时更容易出现固-固一级相变,这样在低温时放热趋势较为明显[10]。

2.3 玻璃浆-硅片烧结样XRD分析

为了增强太阳能电池片对太阳光的吸收,晶体硅太阳能电池正面都会镀上一层减反射膜,其化学成分为SiNx,玻璃粉用于太阳能电池正面银浆时,除了要求良好的附着力外,还必须穿透减反射膜并形成良好的欧姆接触。这样在烧结的过程中要求玻璃粉能够与减反射层反应,并且将银颗粒带到硅表面形成良好的欧姆接触[1]。

图3为1#和2#玻璃粉分别与有机载体配制成玻璃浆后,印刷于硅片上,烧结试样的XRD图。从图3中可以看出,相比于玻璃粉的XRD图,烧结试样的XRD图中多出了一些晶体峰。通过分析可知,这些晶体峰与13-0026和04-0686号PDF卡相对应,其中13-0026号卡对应的为SiO2,04-0686号卡对应的是Pb。

根据XRD衍射峰可知,在烧结过程中产生了Pb与SiO2,说明在烧结过程中PbO被还原成Pb。研究表明要穿透硅太阳能电池减反射膜,需在烧结过程中发生如下反应[13]:

PbO+SiNxPb+SiO2+N2

这样析出的 Pb可以与Ag颗粒生成合金,进而在玻璃液相的作用下迁移到硅的表面形成良好的欧姆接触。这说明PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3系的玻璃粉在满足成玻化程度高和玻璃化转变温度低的要求下,对于穿透减反射膜是可行的,满足正银浆料对玻璃粉的要求。

2.4 玻璃粉应用于太阳能电池分析

玻璃粉主要影响太阳能电池片的串联电阻(Rs),进而影响到太阳能电池的转换效率(Eff)。对于太阳能电池片而言,电池片的串联电阻(Rs)越小越好,转换效率(Eff)越大越好[14]。

表2为1#和2#玻璃粉制作的银浆应用于太阳能电池后得到的串联电阻(Rs)的平均值。

从表2可知,1#电池的串联电阻高于2#的,结合1#和2#玻璃粉配方可知,PbO含量增加、SiO2含量降低可以减小太阳能电池片的串联电阻,进一步验证了2.3节中的玻璃粉对穿透减反射层的作用原理:烧结过程中PbO被还原成Pb,银颗粒在玻璃液相环境下迁移至硅表面形成良好的欧姆接触。

表3为1#和2#玻璃粉制备的银浆应用于单晶硅太阳能电池片得到的平均转换效率(Eff)。

由前面的讨论可知,1#-4#玻璃粉中,3#和4#因为有微晶析出,不能用于晶体硅太阳能电池;1#和2#满足晶体硅太阳能电池玻璃化程度高和玻璃化转变温度低的要求,且经玻璃浆模拟烧结证明是可用于配制晶硅太阳电池正面银浆,配制成的银浆烧结得到的电池片检测的结果表明2#玻璃粉在4种配方中的性能最优。

3 结论

(1)质量配方:65%PbO-17%SiO2-4%B2O3-6%Al2O3-7%Bi2O3-0.8%Sb2O5-0.2%NH4NO3为所考察的4种玻璃粉配方中应用于晶体硅太阳能电池上转换效率最优的,由其制成的晶体硅太阳能电池的转换效率可达17.72%。

(2)设计应用于晶体硅太阳能电池正面银浆用PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3系玻璃配方时,需要注意Al2O3含量不能高于10%。

(3)对于PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3玻璃体系,PbO替换SiO2会造成Tg和液相出现温度降低。

(4)在PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-Bi2O3玻璃体系中,玻璃配方在满足玻璃化程度高、Tg温度低两个要求的前提下,均能很好地穿透减反射膜形成良好的欧姆接触。

摘要：制备了晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉,研究了其玻璃化转变温度Tg和成玻化程度。将玻璃粉配成玻璃浆,印刷、烧结在硅片上制成试样,对其进行XRD检测,结果表明玻璃粉能很好地穿透减反射膜形成欧姆接触。另将该系玻璃粉配成太阳电池正面银浆,印刷、烧结在硅片上制成电池片,并测试其电学性能。结果表明,制得的单晶硅太阳能电池片串联电阻Rs<0.006Ω,其中配方为65%PbO-17%SiO2-4%B2O3-6%Al2O3-7%Bi2O3-0.8%Sb2O5-0.2%NH4NO3(质量分数)的玻璃粉制备的单晶硅太阳能电池的光电转换效率可达17.72%。