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1、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954 年 Chapn,uler 和 Peo研制成功硅 PN 结太阳电池以来,这一利用-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
2、构、硅-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。1.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，它由扩散法在表面形成的浅 P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 硅 PN结太阳电池基本结构 图 2.ER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EC(pasivatd eitter olar cel),钝化发射极和背面太阳电池PERC(ssivted emitt nd ar cell),钝化发射结背面点接触太阳电池PER(assited emiter,rear lclly-dff
3、use)cells，钝化发射极背面全扩散太阳电池ET（pavated mttr,ra totally-dffed)cls,具有本征层的(a-i)/(ci)异质结太阳电池(HITTM电池)，倾斜蒸发电极MIS-n+p 太阳电池ECO(oqel-eorate-cotact）,型机械刻槽埋栅电极太阳电池(red Cotac Soar Cel wth V-goove ufae),背面接触电极太阳电池(Bckside Conat a ell）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PRT太阳电池、PE太阳电池结构。
4、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97年代开发出的丝网印刷电极结构,见图。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 reen教授及其研究团组,在 190 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
5、,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 6111g的 H2转变为 H,净质量损失约为 4103g,这一质量损失通过爱因斯坦关系（E=m2）转变为 41012J 的能量。此
6、能量主要作为从紫外到红外和无线电频段(0.2至 3）的电磁辐射发射出去。太阳的总质量目前约为 21030kg,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45为 135W/m2。当阳光到达地表时,大气层要使阳光减弱，主要原因是在红外波段的水汽吸收,紫外波段的臭氧层吸收，以及受飞尘和悬浮微粒的散射。大气层对地表处接收到的阳光的影响程度定义为“大气质量”。太阳与天顶夹角的正割（c）称为大气质量，用以度量大气层路程与太阳正当顶时最短路程的相对值。图 5.示出了与太阳光谱辐照度5（单位波长单位面积的功率）相关的四条曲线。上部的
7、曲线代表地球大气层以外的太阳光谱，是大气质量为零的状态(AM0)。此状态可用 580K的黑体近似。AM0谱是与人造卫星和宇宙飞船应用相关的光谱。AM1谱代表太阳位于天顶时地表的阳光；入射功率约为925W/m2。AM2 谱是对于=而言的，其入射功率约为1W/m。大气质量5 的状态(太阳与地平线成 4角)代表地面应用的满意的加权能量平均值。AM1.情形单位时间单位面积的单位能量光子数6示于图.，图中还一并示出 AM0 的情形。为了将波长转变成光子能量,我们应用了下述关系 meVhC)(24.1 （1)AM15情形的总入射功率为 844 W/m。图.与太阳光谱相关的四条曲线(引自 Theaekar
8、的参考文献5)图 6.在0 和M.5 状态的太阳光谱与光子能量的关系及相关半 导体材料的带隙、理论光电转换效率（引自 Her的参考文献6)要进行太阳能发电,还必须了解在不同地点预计全年有多少太阳能。2.2.光谱响应3 当波长为的单色光入射到太阳电池正面时,光电流和光谱响应(在各波长下每个入射光子所收集的载流子数)可推导如下。在距半导体表面处的电子空穴对产生率示于图 8.（a)，表达式可以写成：)(exp)(1)()(),(xRFxG (2)图.(a)对于长波和短波光，电子空穴对产生率与到半导体表面距离的关系。（)太阳电池尺寸和少数载流子扩散长度。(c)太阳电池的假设突变掺杂分布。式中)(为吸收系数,)(F为单位带宽每m2每 s 的入射光子数,)(R为这些光子的表面反射率。硅的光吸收系数见图 9.。