第一章晶體硅太陽電池的基本原理和制造工藝流程效應工作的器件經過半個世紀的改進和演變，發展成為具有多種幾何結構和相應的制造流程的一類太陽電池產品。到目前為止，盡管被稱為“第二代光伏器件”的薄膜太陽(CdTe、CIS、非晶硅、微晶硅、多晶硅、硅-鍺合金)電池也取得了進展，但在短期內仍然無法替代晶體硅太結太陽電池的基本工作原理到一般的制造工藝流程的順序進行介紹。1.晶體硅太陽電池的器件結構的歐姆接觸電極以及正面減反射膜構成。HHdrmisdtudA背甜金慝電核翅化層randrearcell結背面點接觸太陽電池PERL(passivatedemitter,rearlocally-diffused)cells，鈍化發射極背面全擴散太陽電池PERT(passivatedemitter,reartotally-diffused)cells，具有本征層的(a-Si)/(c-Si)異質結太陽電池(HITTM電池)，(BuriedContactSolarCellwithV-groovedsurface)，背面接觸電極太陽電池(BacksideContactSolarCell)等等。這些高效率晶體硅太陽電池,的因素，在器件結構上進行了仔細的設計。圖2.、主要特點是充分考慮到引起光電轉換效率損失m啊疊屬m啊疊屬viatheg白*plha?1lh?d叩苗I尬金屬鎖層out-diffu^ionofPstom^intothega：§pba*向外擴散進入氣相目前商業化生產的大多數晶體硅太陽電池，采用1970年代開發出的絲網印刷電極結構，見圖4。這種結構的太陽電池具有制造過程簡單，設備產能較高的優點。缺點是采用絲網印刷的正面電極在解決金屬一半激光刻槽埋柵電極太陽電池，見圖5，是澳大利亞新南威爾士大學光伏研究中心MartinA.Green教授及其研究團組，在1980年代將實驗室高效晶體硅太陽電池技術低成本應用于商業生產的一個范例。這種太陽電池的優點是正面兼有輕摻雜的受光區域和重摻雜的電極接觸區域(激光刻槽)，因此，在改善金屬一半導體接觸電阻時，不必犧牲正面受光區域的半導體接觸電阻時，不必犧牲正面受光區域的較低。□zlde“誓橫雜擴散------營樓雜擴散絲網印刷選擇性發射極太陽電池，在器件結構上與激光刻槽埋柵電極太陽電池相似，在制造工藝上更加簡X103kg，這一質量損失通過愛因斯坦關系(E=mc2)轉變為4X1012J的能量。此能量主要作為從紫外m前約為2X1030kg，估計有近乎恒定輻射能輸出的相當穩定的壽命要超過100億年。在日一地平均距離的自由空間內的同樣輻射強度定義為太陽常數，其值[4][5]為1353W/m2。當陽光到達地表時，大氣層要使陽光減弱，主要原因是在紅外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧層吸收，以及受飛塵和懸浮微粒的散射。大氣層對地表處接收到的陽光的影響程度定義為“大氣質量”。太陽與天頂夾角的正割 (secB)稱為大氣質量，用以度量大氣層路程與太陽正當頂時最短路程的相對值。圖5.示出了與太陽光譜輻照度[5](單位波長單位面積的功率)相關的四條曲線。上部的曲線代表地球大氣層以外的太陽光譜，是大氣質量為零的狀態(AM0)。此狀態可用5800K的黑體近似。AM0譜是與人造衛星和宇大氣質量1.5的狀態(太陽與地平線成情形單位時間單位面積的單位能量光子數變成光子能量，我們應用了下述關系C1.24uCmv*(eV)45°角)代表地面應用的滿意的加權能量平均值。AM1.5(1)2AM1.5情形的總入射功率為844W/m。^E*s7^E*smsH-r0賽WAVELENGTHm4M圖5.與太陽光譜相關的四條曲線(引自Thekaekara的參考文獻[5])導體材料的帶隙、理論光電轉換效率(引自Henry的參考文獻[6])要進行太陽能發電，還必須了解在不同地點預計全年有多少太陽能。當波長為入的單色光入射到太陽電池正面時，光電流和光譜響應(在各波長下每個入射光子所收集的載流子數)可推導如下。在距半導體表面x處的電子一空穴對產生率示于圖8.(a)，表達式可rr射率[2]。硅的光吸收系數見圖9.oR(-)為這些光子的表面反oo亠a」aw)Bq亠EflJEo0,20,40.暫O.B1.01.2Wavelength,morons在小注入條件下，對p型半導體中的電子，一維穩態連續性方程為n1dJp_np0Gn_5qdx'_0Pn一Pn01dJp0Gp■JqdxdnpJn=q」nnpEqD對于結每側為恒定摻雜的突變p—n結太陽電池，在圖有n型正面和p型底面的p-n結的情形，可將方程(2)、Dp豊:F(1_R)exp(-：x)_Pn_Pn0=0dxp此方程的一般解為8.(b)和(c)耗盡區以外沒有電場，在 (4)、(6)聯立解得到接上側的表達式:Pn-Pno=AchxLpBshxLp有兩個邊界條件。在表面，有復合速度為的表面復合:Dd(pn—pn0)=Sp(pn_pn0)pdx在方程(8)中代入這些邊界條件，得到空穴密度為GF(1_R)EPna 最終得到耗盡區邊緣的空穴光電流密度為77SLpsh?Le)(SpLp/Dp(SpLp/Dp)sh(Xj/Lp)ch(Xj/Lp) 假定該p-n結太陽電池的正面區域在壽命、遷移率和摻雜濃度等方面都是均勻的，在給定波長下，這一光電流就可以從電池的正面被收集到。為了求得從電池底面收集到的電子光電流，要采用方程式(為：2)、(3)、(5)，其邊界條件WdnpSnnp-npSnnp-np0n-_方程(13)說明，在耗盡層邊緣，過剩少數載流子密度接近于零，而方程14)說明，背表面復 引用這些邊界條件后，在均勻摻雜p型底面的電子分布為np-npo2L2_[=^^exp—(XjW)1_e_e_-z"W)*nnSn!snn=qDn"壘Jdx必紳=qc<F2TR)SexpLo(Xj+W)】xWdhdh+nnSL方程(16)是在假定底面區域在壽命、遷移率和摻雜濃度都是均勻分布的情況下推導出來的。若這些量是距離在耗盡區內也產生一些光電流。該區內的電場通常很高，光生載流子在能夠復合之前就受到加速而被掃出耗進電流等于被吸收的光子數。于是，在給定波長下的總光電流為方程(15)、(16)、(17)之和:J(J=Jp(JJn(')JdrO(18)對于從外部觀察到的光譜響應，此光譜響應(譜SR)等于方程(18)除以qF;對于內部光譜響應，光響應等于方程(18)除以qF(1-R)。 1(如圖9.(a)的點劃線所示)。對于Sin/p太陽電池，計算得到真的內部光譜響應示于圖9.(a)，此光譜響應在高光子能量下大大偏離理想化階躍函數[2]。此圖還示出了三個區域各自對光譜響NDxcmNA.5X1016cm3,Tp=0.4卩s,Tn=10卩s,Xj=0.5卩m,H=450m,S(正面)=104cm/s和S(背面)=?當光子能量低時，由于硅的吸收系數低，在底面區域產生大部分載流子，當光子能量增加到2.5eV以上，正面區域的載流子產生占優勢，超出3.5eV致與理想光譜響應的很大偏離。當：丄卩1并且：*j…1時，光譜響應趨近于漸近值(即從方程 電流得到的值)SR___1+Sp/aDp__________________二SLDshXLchXLpppjpjp表面復合速度Sp在光子能量高時對光譜響應尤有顯著的影響，對于與圖9.(a)有同樣參數(只是Sp從102變化到106cm/s)的器件，表面復合速度效應示于圖9.(b)。隨著Sp的增加，光譜響應劇烈下降。方程(20)還表明，當Sp給定時，可通過增加擴散長度Lp來改善光譜響應。一般來說，為了增加有用旳3旳3DJQhl*lev)⑹參考文獻[2])結太陽電池經計算得到的內部光譜響應，圖中示出了三個區域各自的貢獻(點劃線是對于理想(b)Sip-n結太陽電池當有不同的表面復合速度時經計算得到的內部光譜響應(引自Hovel的一旦得知光譜響應，從圖5.所示的太陽光譜分布F(入)得到的總光電流密度為JL=q.('0TT2.2.3I-V特性晶體硅太陽電池的等效電路可以表示成圖10.所示的形式。Rse表示來自電極接觸、基體材料等歐圖10.晶體硅太陽電池的等效電路根據等效電路，可以寫出p—n結太陽電池的I—V特性方程如RhenkTenkT-1代入方程(22)可以得到輸出電流為:q(V卅Rse)V0Rsh并聯電阻引起的旁路電流可以忽略不記時。輸出功率可以表示為：..nkTILT■P=IV=1|——ln——+1-q<10丿eIVIpmVpmSCOC光電轉換效率定義為V表示輸出端負載電阻無窮大一即輸出端開路狀pmEff二Pm二FFIVscoc(27)PPininRse硅片表面化學腐蝕硅片表面化學腐蝕腐蝕去除寄生p-n結面銀鋁電極L流。提高Isc的途徑是提高太陽電池對陽光的吸收效率，提高非平衡少數載流子壽命，減小復合電流損失。Amps(APower,W4.00-2.00st：25.9deg.CCorrectedIsc-0.50-0.50VA3.晶體硅太陽電池的制造工藝流程印刷電極晶體硅太陽電池的制造工藝流程如圖12.所示。大體上可以劃分為硅材料制造和硅晶體生長、硅片制造、太陽電池片制造、組件封裝等4部分。FF尸rr廣、切割制造硅片切割制造硅片切割制造硅片切割制造硅片硅片硅片表面化學腐蝕硅片表面化學腐蝕」L/*[腐蝕清洗去除PSG5腐蝕去除寄生p-n結PECVD生長Si3N4膜印刷背面銀鋁電極JL氣腐蝕去除寄生p-n結J腐蝕清洗去除PSGLLVrJ-k._______________________________________組裝裝外框組裝檢驗測試MartinA.Green,PresentandFutureofCrystallineSiliconSolarCells，TechnicalDigestofthe