晶体硅太阳电池的光电特性研究及其发展前景毕业论文

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1、 毕业设计论文题目： 晶体硅太阳电池的光电特性研究及其开展前景系 别 信息工程系专业名称 电子科学与技术班级学号 学生姓名 指导教师 二O 一二 年 四 月 毕业设计论文任务书I、毕业设计(论文)题目：晶体硅太阳电池的光电特性研究及其开展前景II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、太阳能电池主要材料是晶体硅 2、太阳能电池的开展前景及展望3、各类太阳能电池具有的优缺点 4、各种环境下对太阳能电池性能造成的影响III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间： 工作安排如下： 1、查阅文献，翻译英文资料，书写开题报告 第1-4周 2、相关资料的获取和必要知识的学习 第5-9

2、周 3、设计系统的硬件和软件模块并调试 第10-14周 4、撰写论文 第15-16周 5、总结，准备辩论 第17周 、主 要参考资料： 1太阳能光伏产业开展战略研究报告R 2江太辉等. DS18B20数字式温度传感器的特性与应用J.电子技术，2003，126：14-16 3杜洋. A/D转换芯片ADC0832的应用J. 电子技术, 2005,10(11):1-7 4程明等.LED显示原理J.电讯技术，2004，143：32-33 5李军.51系列单片机高级实例开发指南，北京：北京航空航天大学出版社，2003 68-bit Microcontroller with 2K bytes FlashA

3、t89C2052 Atmel corporation ，2005 晶体硅太阳电池的光电特性研究及其开展前景 摘要：晶体硅太阳能电池产业化生产技术日益成熟，实验室的高效电池工艺技术也逐步运用于产业化大生产。为了应对能源危机和环境污染，新能源已是全球关注的焦点，太阳能因其清 洁环保尤其备受关注。近几年太阳能电池产业以平均年增长率为 30%的速度飞速 开展。摆在人们面前的课题是如何进一步提高转换效率、降低本钱使太阳能电池 的本钱降低到与常规能源发电相当的水平。近几年，我国太阳能光伏产业以倍增 速度快速开展，一举成为全球最大的太阳能电池生产国。然而就目前我国的太阳 能应用市场开展明显滞后国外，影响太阳

4、能电池推广应用除了政策的原因外，主 要是因为它的本钱太高。因此，进一步降低制造本钱是太阳能电池得以大规模应 用的关键。本文介绍了光伏行业的开展现状以及与之相应晶体硅太阳电池产业技术开展状况，从晶体硅太阳电池材料、制造技术方面介绍了提高产品质量、生产效率及降低了本钱的新途径;概述了工艺技术的最新开展，关健产业设备在高速化、自动化及智能化方面的显著进步和晶体硅太阳电池产业技术的开展趋势。关键词：晶体硅 太阳电池晶体 硅材料 制造技术 器件结构Crystalline silicon solar cell photoelectric characteristics research and devel

5、opment prospects Abstract: the crystalline silicon solar battery industrialization production technology matures, laboratory efficient battery technology also gradually used in large-scale industrialization. In order to deal with the energy crisis and environmental pollution, new energy already is t

6、he focus of attention of the world, the solar energy because of its clear clean environmental protection especially been concerned. Solar cell industry in recent years with an average annual growth rate of 30% speed rapid development. In front of people is subject to improve conversion efficiency, r

7、educe the cost to the cost of solar cells and conventional energy reduced to a level. In recent years, our country solar pv industry to double speed rapid development, with one action as the worlds largest solar producer. However, at present our country of the sun can application market development

8、is slower abroad, influence solar cells than policy application the reasons, if the Lord because of its cost is too high. Therefore, further reduce manufacturing cost is solar cell mass should be the key to use.This paper introduces the current situation of the development of the photovoltaic indust

9、ry as well as the relevant crystalline silicon solar cell industry technology development condition, crystalline silicon solar cells from materials, manufacturing technology are introduced in this paper improve product quality, production efficiency and reduce the cost of the new approach; Summarize

10、s the latest development of the technology, key industrial equipment in the fast pace, automation and intelligent aspects of the remarkable progress and crystalline silicon solar cell industry technology development trend.Keywords: crystalline silicon solar cell crystalline silicon materials manufac

11、turing technology device structure 1 引言2 太阳能电池的工作原理及其结构2.2 系统设计思路22.3 系统设计框图23 系统硬件设计3.1 AT89C52单片机33.1.1 功能特性描述33.1.2 管脚描述33.2 数字式温度传感器DS18B2053.2.1 功能特性描述53.2.2 管脚描述63.3 压力传感器83.3.1 功能特性描述83.3.2 工作原理93.4 模数转化器93.4.1 功能特性描述93.4.2 管脚描述93.5 数码管113.5.1 数码管结构113.5.2 数码管的分类和显示114 系统软件设计4.1 PROTEUS(ISIS)

12、简介114.2 KEIL简介124.3 PROTEUS(ISIS)和KEIL联调134.4 程序设计195 结论23参考文献24致谢25 晶体硅太阳电池的光电特性研究及其开展前景 1.引言处处阳光处处电人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电本钱从最初的几美元/KWh减少到低于25美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏PV发电本钱将会进一步降低

13、，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。 大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的开展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料本钱，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电本钱，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造本钱，通过合理的机制建立优秀的技术团队、防止人才的不合理流动、充分保证技术的持续创新是未来光伏企业开展的核心竞争力所在！1.硅类太阳能电池结构与工作原理及制作过程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下：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。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅

14、晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下列图： 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Ppositive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泼，形成Nnegative型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下列图。 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。 当P型和N型半

15、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。到达平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。太阳能电池的工作原理 由于太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。1.3 硅太阳能电池的制作过程 “硅是我们这个星球上储藏最丰量

16、的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。2太阳能发电方式2.1光 热电转换 光 热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而本钱很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.

17、一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1KW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。2.2 光电直接转换方式 光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的根本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，

18、具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比较的太阳能发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。从上世纪70年代中期开始太阳能电池商品化以来，晶体硅作为根本的电池材料占据着统治地位。以晶体硅材料制备的太阳能电池,从工艺技术方法又可分为：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，非晶体硅太阳能电池和薄膜晶体硅太阳能电池。单晶硅电池

19、具有电池转换效率高，稳定性好，但是本钱较高；非晶硅太阳电池那么具有生产效率高，本钱低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；多晶硅太阳能电池那么具有稳定的转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能现在还只能处在研发阶段。硅系太阳能电池目前单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的导地位，其中单晶硅和多晶硅的比例已超过80%以当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告能源问题日益成为制约国际社会经济开展的瓶时，越来越多的国家开始实行“阳光方案，开发阳能资源，寻求经济开展的新动力。欧洲一些高平的核研究机构也开始转向可再生能源。截至2年底，太阳能光伏发电制造能力已达56万KW际装机容量近400万KW

20、，太阳能电池组件本钱下降到3.5美元/WP,2021年光伏组件的价将下降到1美元/WP以下。3 晶体硅太阳电池的开展前景3.1国内外研究概况及开展趋势：3国际太阳能的开展状况20世纪80年代以来，其他兴旺国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏开展方案，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。美国于1988年开始实施PVUSA方案，建立集中型光伏并网发电系统(1 MWp-1 OM Wp);1995年实施与屋顶结合的PVBONUS方案;1997年又宣布美国百万太阳能屋顶方案，总光伏安装量将到达3025MWp; 1990年德国提出1000屋顶发电方案，所发出的

21、电由电力部门收购。1998年进一步提出10万屋顶方案。1999年的光伏上网电价为每度电马克，极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场;日本继“阳光方案之后，1994年提出朝日七年方案，方案到2000年推广万套太阳能光伏屋顶，1997年又宣布了7万光伏屋顶方案，到2021年安装7600MWp太阳电池。此外，意大利、印度、瑞士、荷兰、西班牙都有类似的方案。图是近几年世界各国太阳能电池产量;从世界范围来讲，光伏发电已经完成了。图1.7：全球年装机量与累计量MW11数据来铆:Solar Generation V一2021, EPIA and Greenpeace初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模

22、化应用开展。从最早作为小功率电源开展到现在作为公共电力的并网发电，全球年装机量及累计装机量都迅速上升，如图所示。32 我国太阳能开展史及现状：我国太阳能电池的开展历史和现状 我国于1958年开始太阳能电池的研究，1971年首次成功地应用于我国发射的第二颗人造卫星上，1973年开始地面应用【8】，1979年开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳能电池，使太阳能电池的本钱明显下降，翻开了地面应用的市场。当时太阳能电池面积小，采用真空蒸镀银铝的方法制作太阳电池的电极。80年代中期，引进国外太阳能电池生产线和关键设备，使我国太阳电池生产能力到达。单晶硅太阳电池采用丝网印刷工艺制作电极，明显地提高了生产

23、效率。 受国际市场拉动，我国太阳能电池产量同期也出现了迅猛增长。2002年以来我国太阳能电池产量的年均增长速度超过了100%, 2021年太阳能电池产量已突破2000M W，继2007年之后继续保持全球市场份额第一的地位，多晶硅产量也已突破了4000吨【9】。一批太阳能级硅及光伏企业快速成长为行业的领头羊，薄膜太阳能电池等新技术的研发和产业 图1.8: 我国未来十年的开展路线103.3 我国未来十年太阳能光伏开展路线图10化崭露头角，太阳能电池生产线和局部多晶硅生产用关键设备已能自主研发和生产，上下游产业链外乡化进程日益加快。与此同时，太阳能电池产业已成为全国许多地区的开展重点和投资热点，即使

24、是在当前国际金融危机的大环境下，投资和开展的热情依然不减，且有方兴未艾之势。图所示为我国未来十年太阳能光伏开展路线图。 值得注意的是，我国太阳能电池产业虽然开展很快，但技术进步却不明显，创新能力不强，自主创新的核心技术很少，产品的总体质量不如欧美日等兴旺国家和地区，包括设备制造在内的总体技术水平与兴旺国家有比较明显的差距。于是，一个严峻的问题就非常现实地摆在了我们的面前:面对产业蓬勃开展、大批企业和大量资金流向太阳能电池产业的形势，面对因国际金融危机引发的市场需求萎缩、自身核心技术的缺失、循环经济水平的薄弱和盲目无序建设等产业开展中暴露出来的问题，如何才能科学地、理性开展我国的太阳能电池产业，

25、使我国太阳能电池产业走上可持续开展的健康轨道，是当前需要解决的一个重要问题。3.4单晶硅太阳能电池的研究现状： 自从贝尔实验室于1954年开发出效率为6%的单晶硅光电池，现代硅太阳电池时代从此开始【11】。随后单晶硅太阳能电池得以充分开展，转化效率也得到了大大提升。并且在Efficiency(%)图1.9:晶体硅太阳能电池的实验室效率和工业化效率开展趋势图随后10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改良，电池设计逐步定型。这是硅太阳电池开展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背外表场【12】、浅结外表扩散【13】和外表织构化【14】开始引人到电池的制造工艺中，太阳电池

26、转换效率有了较大提高。与此同时，硅太阳电池开始在地面应用，而且不断扩大，到70年代末地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使本钱不断降低。80年代初，硅太阳电池进入快速开展的第三个时期。这个时期的主要特征是把外表钝化技术【15】、外表V型槽和倒金字塔技术【16，17】改良陷光效应【18】引入到电池的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅度提高，商业化生产本钱进一步降低，应用不断扩大。如下图为晶体硅太阳能电池的实验室效率和工业转化效率的开展趋势图【19、20】。从图中可以看出，大面工业化电池的转化效率与实验室的转化效率之间仍然存在巨大差距。为了获得高效率的太阳能电池，光学性能和电学

27、性能必须被优化，以下将介绍几种主要的高效电池。4太阳能电池的分类4.1 硅太阳电池太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池 三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，在实验室里最高的转换效率为 24.7%，规模生产时的效率为 15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但是唯 一缺点是单晶硅本钱价格较高。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,本钱低廉，而效率高于非晶硅薄膜电 池，其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多晶 硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池本钱低，转换效率较高，便于大规模生产，有极大

28、的 潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的 实际应用。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开展产品之一。4.2 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐， 其主要包括砷化镓 III-V 族化合 物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。4.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。 由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，本钱底等优势，从而对大规模 利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究 仅仅刚开始，

29、不管是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相 比。能否开展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。4.4 纳米晶体太阳能电池纳米晶体化学能太阳能电池是新近开展的， 优点在于它廉价的本钱和简单的 工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10以上，制作本钱仅为硅太阳电池的 1/51/10寿命能到达 20 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估 计不久的将来会逐步走上市场。4.5 有机太阳能电池有机太阳能电池是由有机材料构成核心局部的太阳能电池。 大家对有机太阳 能电池不熟悉，这是情理中的事。如今产业化的太阳能电池里，95以上是硅基 的，而剩下的不到 5也是由其它无机材料制

30、成的。所以有机材料电池尚处于研 究阶段。量转换效率最高。 增加 p-n 结数目相当于电池的串联， 多层 p-n 结电池各层材料应使其各自不 同的禁带宽度匹配可见光中不同的频段，增大了电池对光子的响应范围，形成更 多的电子空穴对，增加了电池效率。5太阳能电池特性研究5.1晶体硅太阳能理论根底1.理想晶体硅太阳能电池 2.短路电流Isc3.开路电压Voc 4.填充因子FF 5.转化效率Eta6.晶硅太阳能性能影响因素5.2晶体硅太阳能电池丝网印刷和烧结工艺2欧姆接触原理 3.烧结温度和带速对太阳电池输出性能的影响 4.硅片掺杂浓度对性能影响 5晶体硅太阳能的理想根底太阳电池是一种能够直接将太阳辐射

31、能转化 为电能的电子器件。晶体硅太阳电池是目前市 场上应用最为广泛的一种太阳电池。对P型或 n型硅衬底进行相反类型的源掺杂，形成n+或 n n+ p+型发射区，经电子扩散之后形成内建电场， 可将光照条件下产生的光生载流子进行别离。 常规晶体硅太阳电池结构及工作原理 如下列图1-1所示图1-1太阳电池理想IV特性方程，即工作状态电流电压关系式， 如式 I=Iph I0expqv/nkT)11-1其中，q为电子电量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I。 为二极管饱和电流，Iph为光生电流，n为二极管理想因子。 一般晶体硅太阳电池I-V曲线如图12所示，纵坐标表示电流， 最大值为短路电流Isc，横坐

32、标表示电压，最大值为开路电压 Isc Voc。图125.1.2短路电流ISC当太阳电池的输出电压为0，即外接电路短路时，流经太阳电池体内的电流 为短路电流Isc，对于理想太阳电池，短路电流就等于光生电流Iph，所以短路 电 流的大小和以下几个因素相关联：(1)太阳电池的面积。通常在分析时利用短路电流密度概念Jsc，即单位 面积上流过的电流，单位为Acm2。 (2)光照强度以及光谱分布。(3)太阳电池的减反射、陷光效果和前外表栅线的遮挡面积。 (4) 电子收集效率。这主要取决于外表钝化效果以及少子寿命。如在非常 好的外表钝化和一致的电子空穴对产生率条件下，短路电流密度 为：JSC=qG(Ln+L

33、p) 其中G为电子空穴产生率，Ln、Lp分别为电子和空穴扩散长度。5.1.3开路电压VOC当太阳电池外接电路开路时可得到太阳电池的 有效最大电压，即开路电压Voc。在开路状态下，流经 太阳电池的净电流为0。在方程(1-1)中，令I-0，可得到： VOC=nkT/q)ln(Iph/I0+1)。，从中可以看出，Voc的大 小与以下因素相关： (I)光生电流Iph可以看出， Iph的改变量有限，其对Voc的大 ， 小影响也较小。 (2)反向饱和电流I0。在太阳电池中，I0的变化通常可达几 个数量级，所以它 对Voc的影响非常大。而I0决定于太阳电池的各种复合 机制，所以通常 Voc的大小可以用来检测

34、太阳电池的复 合大小。5.1.4填充因子FFVoc和Isc是太阳电池所能到达的最大电压和电流值，但是， 从IV特性曲线上可以看出，此时的输出功率为0。填 充因子表示最大功率点处功率与VocXIsc的比值。根据 理想I-V特性方程，可求得最大功率点处Vmp解微分方 程可得到一个超越方程非常复杂，只是Vmp和Voc的关 系。 一般计算FF可用经验公式： FF=【vocln(voc+0.72)】/(voc+1) voc为归一化Voc Voc=Voc q/(nkT) 高的开压可得到高的填充因子。5.1.5转化效率ETA太阳电池转换效率Eta是表示单位面积上将辐照 能量转换为多少电能的量。通常定义为 E

35、ta=Pmp/Pin=VocIscFF/Pin Pin表示入射光功率 转换效率越高，表示在单位面积上单位辐照强 度下能产生更多的电能。其大小与Voc、Isc、 FF息息相关。5.1.6晶体硅太阳能电池性能影响因素 1、特征电阻Rch 特征电阻表示在最大功率点条件下太阳电池的 负载电阻。当负载电阻等于特征电阻时，太阳 能电池的最大功率加载到负载上，同时电池也 运行在最大功率条件下。 Rch=Vmp/Imp 可近似表示为Rch=Voc/Isc 所以一般电流电压关系可表示为I=V/Rch串联电阻(RS)和并联电阻(RSH)太阳电池的自身电阻的存在消耗了太阳电池的功 率，降低填充因子和转换效率，通常指

36、串联电阻和并 联电阻，如图15所示。由于电阻的值与面积密切相 关，通常在分析时采用“归一化电阻(normalizedresistance)概念，其单位为 cm2，根据欧姆定律， 将I值以J值替代，得到：R( cm2)=VJ I J R( cm2)=V J(4)多晶体或薄膜的晶体界面的局部漏电。图1-5太阳电池串联电阻和并联电阻示意图 串联电阻主要来自于以下四个方面： (1)晶体硅的体电阻和发射区电阻，即pn结两侧 P区和n区材料的电阻。 (2) 电极用的金属与硅外表层的接触电阻，即正 面和反面的金属与半导体外表 之间的接触电阻，也包括pn结深度、杂质浓度 和接触面积大小的影响， 这是串联电阻最

37、大的局部。 (3)器件内部和外部线路互相连接的引线接触电阻。 (4) 电极接触用的金属本身和它们的互联电阻。并联电阻主要与晶体硅材料质量和太阳电池制造 过程中引入的缺陷和杂质有关，并联电阻使光生 电流产生反向分流，降低工作电压，严重影响FF. 其主要来自四局部。(1)太阳电池周边因扩散p-n结时会引入p-n结完全 或局部的短路。(2)非理想的p-n结或p-n结内部不完善局部的漏电 短路。(3)衬底和薄膜层及pn结之间的局部漏电。温度对太阳电池的影响如同多数半导体器件一样，太阳电池的运行状态对温度 的变化也比较敏感。 温度的升高，可使硅材料的禁带宽度降低，电子具有更 低的能量就可从价带越过 禁带

38、到达导带，短路电流会有提高。温度的变化，影响 最大的是Voc随温度升高，Voc降低，主要是由于反向饱和电流I0对 温度非常敏感。其中q为电荷，D为少子扩散系数，L为少子扩散长度 ，ND为掺杂浓度，nt为本 征载流子浓度，以上的几个参数中，根本上都是温度的函数。5.2晶体硅太阳能电池丝网印刷和烧结工艺 5丝网印刷和烧结工艺概术1975年，丝网印刷技术首次应用于太阳电池制备前、背电极【39】。目 前市场上85以上的晶体硅太阳电池都是采用丝网印刷技术制作电极 1401，通过丝网印刷设备将Ag浆料印制在太阳电池前外表氮化硅减反射 膜上，和将AI浆料印在背外表，再经过高温烧结工艺形成AgSi接触电极 和

39、Al背场。烧结工艺的主要功能：Ag浆料溶解氮化硅减反射膜，形成 AgSi电极接触；H原子由表层向内部扩散，钝化体内杂质和缺陷；形成 舢Si合金背外表场。 Ag浆料主要包含导电材料、玻璃料(Glass t臣it)、有机粘合剂、有机溶剂。 其中导电材料主要是大小为O1至十几微米的银颗粒，占浆料总重的60 80左右；玻璃料主要是氧化物(PbO、B203、Si02、Bi03、ZnO)粉末， 占总重的 510左右m，41421。 丝网印刷采用的网版丝网通常由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。 当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷浆料在刮刀的挤压 下穿过丝网中间的网孔，印刷到硅片上。丝网上的模版

40、把一局部丝网小 孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像局部能穿过，因此在承印物 上只有图像部位有印迹。标准烧结工艺需要经过低温、中温、高温、冷却四个 阶段。烧结炉低温温度一般在400“C以内，中温温度 为300700C，高温温度为700900C。在低温阶 段，浆料中的有机溶剂和有机粘合剂被蒸发或被燃烧。 在中温阶段玻璃料开始熔化，Ag颗粒开始聚合。在 高温阶段，Ag、sj及玻璃料成分发生反响，形成Ag Si接触；冷却时，Ag粒子在硅片外表结晶生长。高温 驱动外表H离予向硅片内部扩散。实际在硅片上发生 的反响温度远低于烧结炉设定温度，KyunghaeKim等 人研究Ag与Si的实际最正确反响温度

41、为605度远低于 Agsi共晶点温度835C，这可能是由于反麻体系中含 有多相成分(Ag、Si、Pb、Bi等)而使合金熔点降低。 实际的烧结炉各温区温度，需要综合考虑n层的扩散 浓度、浆料成分、减反射膜厚度等诸多因素来设定。5.2.2欧姆接触原理金属与半导体接触时可以形成非整流接触，即欧姆接触。欧姆接触是指这样 的接触：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发 生显著的改变。日前，在太阳电池中，主要是利用隧道效应的原理在硅外表上制 造欧姆接触。 在半导体理论中可知，重掺杂的pn结可以产生显著的隧道电流。金属和半 导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，那么势垒区宽度变的很薄，

42、电子可以通过 隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，隧道电流甚至超过热电子发射电流而 成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可虬 晶体硅太阳电池外表金属化工艺及性能研究 用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧 姆接触掺杂浓度越高，接触电阻Rc越小。半导体材料重 掺杂时，可得到欧姆接触。 太阳电池要得到好的欧姆接触，必须对太阳电池 发射区进行重掺杂。但是重掺杂同时会带来许多 负面效应。例如，增大外表复合速率、SiNx 外表钝化效果差，降低短波光谱响应等。正因为 如此，世界各研究机构积极开发选择性发射极太 阳电池，只在金属电极下面极小的区

43、域实现重掺 杂，而在非金属接触区域实行轻度掺杂。 常规丝网印刷工艺制各的太阳电池相对蒸镀电极 电池，性能显著下降，其中遮挡和重掺杂效应导 致的效率损失占到了085.2.3烧结温度和带速对太阳电池输出性能的影响 烧结工艺是太阳电池制备过程中最关键的工艺 之一。烧结工艺在实际生产过程中，受多种因 素的影响，要实现良好的金属-半导体接触， 针对硅片、浆料、掺杂浓度等不同必须进行工 艺优化。而对于烧结工艺本身，烧结温度、烧 结时间和升降温速率是影响烧结质量的几个最 重要因素。通过改变烧结最高温区温度和网带 速率(烧结时间及升、将温速率)，来进行烧结 工艺优化，井实现最正确的太阳电池性能。5硅片掺杂浓度

44、对太阳电池性能影响前面提到，要形成良好的欧姆接触，必须在发 射区进行重掺杂，但重掺杂会带来许多的负面 影响，如外表、体内复合速率增大、钝化效果 差等。不光是发射区的重掺杂，硅衬底的掺杂 浓度也会对太阳电池的输出性能产生一些影响。 如掺杂浓度每提高一个数量级，可导致少子寿 命也下降近乎一个数量级。5浆料和扩散方阻对太阳电池输出性能的影响在发射区进行轻度扩散(实现高方阻)可以得到高的开路电压Voc、 短路电流Isc、填充因子FF和转换效率Eta。但是对于常规太阳电 池，直接在100 sq方块电阻上进行丝网印刷烧结，在技术实 现上还存在一些难度，如扩散方阻值越高，工艺越难控制，均 匀性较差，且目前市

45、场上还没有商用化的适用于如此高方阻的 Ag浆料，对于要适应于高方阻的浆料，必须要求浆料在高温状 态下有比较低的活性，Ag原子往发射区扩散较慢，但是低活性 浆料往往又不能烧穿SiNx薄膜。目前常规太阳电池一般使用的扩 散方块电阻在50 65 sq范围，而一般的开发的商用化Ag浆 料也只能适用于此类方阻范围的硅片。为了提高太阳电池转换 效率，各大生产企业都在尝试采用更高的扩散方阻硅片来制造 太阳电池，而浆料生产商也在积极开发能适用于更高方阻的Ag 浆料。在高方阻上串联电阻非常高，由于形成良好的 欧姆接触一般需要重掺杂(低方阻)，对于这种 高方阻欧姆接触形成困难，从而 使串联电阻过高。而在这种高方阻

46、上，扩散标 准偏差较高，p-n结局部非常浅， 导致烧结时Ag电极穿透结区，形成肖特基旁路 ，漏电流增大。6结论 本次毕业设计主要是对未来硅晶体太阳能电池的结构和原理以及未来开展状况的研究。经过这次的毕业设计我明白了能源对于我们人类的重要性，太阳能电池在未来很长的一段时间内，将对我们人类带来非常大的帮助。 尽管晶体硅太阳能电池的效率仍然要高很多，但是薄膜电池的潜在本钱要低得多，因此国际光伏业界对它的研究不断增长。预计到2021年，在非硅衬底上的薄膜晶体硅太阳能电池的制造本钱将低于1欧元/瓦特。现在还很难预测到底哪一种制造方法将最终胜出。每种方法都各有优缺点。对于外延薄膜硅太阳能电池，最近的结果非

47、常令人期待和鼓舞人心，但是在考虑批量生产之前，其效率必须到达14-15%的范围。此外，扩大外延层生长设备的规模，以及低本钱硅衬底的制造，对于将这种太阳能电池成功地投入量产都是必须的。而对于多晶薄膜太阳能电池，由于衬底本钱非常低，可以预期的超过7%的效率就已经在商业化所需的正确方向上了。这种电池需要克服的主要困难在于生产工艺的优化以及怎样将它们转化成标准的太阳能电池生产步骤。在基于提高转换效率和降低本钱是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低本钱上来，现有的高转换效率的太阳能

48、电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的局部。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的本钱就显得尤为重要。也是今后太阳能电池开展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以到达降低本钱的目的，效果还是比较现想的。 7 致谢 8参考文献1太阳能光伏产业开展战略研究报告R 2 张德.光生伏特效应.材料物理M.2021 第 1 版3信息产业部电子科技委?太阳能光伏产业开展战略研究?课题组中国集成电路 第 6 期J4J.北京:中国电力出版社,20035J.北京:能源出版社,1985 6J.天津：天津大学出版社,20007J.上海:上海交通大学出版社,20038 季秉厚 王万录. 多晶薄膜与薄膜太阳电池M. 太阳能学报, 特刊999 耿新华 孟志国 陆靖谷等. 低温n2c2S在大面积太阳电池的应用. 太阳能学报J, 1991, 1210 顶峰 孙成权 刘全根. 太阳能开发利用的现状及开展趋势M. 世界科技研究与开展, 2001