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1、物理前沿知识讲座主讲人：王怡、赵昶、李东临等第一讲：太阳能光伏技术1太阳能概况太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美
2、国贝尔实验室研制出6的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划。1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧
3、共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。施正荣光伏界的“比尔盖茨”出生于196
4、3年2月1983年毕业于长春理工大学(原长春光学精密机械学院)，获学士学位。1986年毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所，获硕士学位。1988年留学于澳大利亚新南威尔士大学，师从国际太阳能电池权威、2002年诺贝尔环境奖得主马丁格林教授。1991年以优秀的多晶硅薄膜太阳电池技术获博士学位。后任该中心研究员和澳大利亚太平洋太阳能电力有限公司执行董事，个人持有10多项太阳能电池技术发明专利。2000年，回国创办无锡尚德太阳能电力有限公司，现任无锡尚德电力控股有限公司董事长兼CEO。2005年10月，荣获第十五届国际光伏科学与工程大会（PVSEC-15）国际光伏科学与工程特别贡献奖。2006年，
5、在福布斯杂志“全球富豪榜”上，无锡尚德太阳能电力有限公司董事长兼CEO施正荣以22亿美元排名第350位。远超福布斯2005年中国首富荣智健的16.4亿美元与胡润百富榜首富黄光裕的140亿元人民币，成为中国新的首富。2006年8月8日被纽约证券交易所聘任为国际顾问委员会成员，成为30位纽交所国际顾问唯一的中国大陆顾问。创业之路2000年，带着技术和在澳洲两年的薪水40万美元，施正荣回国创办尚德太阳能电力有限公司2002年9月，第一条生产线投产运行，尽管产品性能优异，产品仍然卖不出去，坚持数月后，跟随他的几位骨干相继离开。2004年，尚德产值翻了十倍，利润接近2000万美元。2005年，在无锡市委
6、书记的帮助下成功完成企业私有化，原先占尚德股份75%的国有股获益十几倍后，相继退出。同年底，VC和PE齐助阵，共同募集8000万美元，成为2005年私募之最，襄助尚德电力成为中国大陆首家登陆纽交所的民营企业，由此，施正荣个人也荣登中国富豪榜首。2008年3月，尚德电力对外宣布，将连续8年，向韩国东洋制铁化学株式会社提供多晶硅，合同金额为6.31亿美元。4月，尚德电力打入日本市场，收购日本最大的光伏组件制造商之一的MSK公司，并且向Soco-voltaic系统公司供应230MSK光伏玻璃板，用于设计、制造和设置一体化光伏（BIPV）系统。多晶硅的风险愈演愈烈，施正荣再度掌舵方向，进入薄膜太阳能领
7、域。2007年5月9日，总投资3亿美元的电池基地落户上海，这是全球首个硅薄膜电池基地。相比硅片太阳能电池，它的转换效率略低，却很具成本优势，每瓦太阳能电池成本可从2.5美元降至1.2美元，但同时也面临资金、技术的门槛。2光伏效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。热平衡态下的P-N结P-N结的形成：同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量E很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子
8、的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。热平衡下P-N结模型及能带图P-N结能带与接触电势差：
9、在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、E之间的关系与结形成前状态相同。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：qUD=EFN-EFP得UD=(EFN-EFP)/q
10、q：电子电量UD：接触电势差或内建电势对于在耗尽区以外的状态：UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。光照下的P-N结P-N结光电效应：当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）漂移到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生
11、电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命p的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命n的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴
12、对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效无贡献。光照下的P-N结电流方程：与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流相同，一般IpI0。此时令Ip=SE，则开路电压Uoc：光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：短路电流Isc：光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Is
13、c与E有线性关系。a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc.不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。3太阳能电池太阳的光辉普照大地，它是明亮的使者，太阳的光除了照亮世界，使植物通过光合作用把太阳光转变为各种
14、养分，供人们食用，产生纤维质供人们做衣服，生长木材给我们建筑房屋以外，太阳的光还可以通过太阳能电池转变为电。太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应”，因此太阳能电池又称为“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，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是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，按固定轨道围绕原子核转动。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，并在原来的位置上留下一个“空穴”。在纯净的硅
15、晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动当太阳能电池受到阳光照射时，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型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏特效应”如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流
16、通过，如此形成的一个个电池元件，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。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转换效率的成果。太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目。这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池完全满足这些要求1958年，美国的“先锋一号”
17、人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星.空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍。现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“翅膀”，使它们能够在太空中长久遨游。我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。以太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工作几天。空间应用范围有限，当时太阳电池造价昂贵，发展受到限制。70年代初，世界石油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光电转换效率提高，成本大幅度下降。时至今日，光电转换已展示出广阔的应
18、用前景。太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。另外，太阳能汽车也发展很快。在建造太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。1985年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用108个太阳板，256个光电池模块，年发电能力300万度。用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1收集起
19、来，足够全世界的所有能源消耗。德国1990年建造的小型太阳能电站，光电转换率可达30多，适于为家庭和团体供电。1992年美国加州公用局又开始研制一种“革命性的太阳能发电装置”，预计可供加州13的用电量。在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎
20、。当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。4多晶硅及其他光电转换材料光伏效应现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发电具有环保等优点，而且不必考虑其
21、安全性问题。所以在发达国家得到了高度重视，欧洲联盟国家计划在年太阳能光电转换的电力占所有总电力的1.5，美国启动了“百万屋顶”计划。在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率地利用太阳能尤为重要。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。常规太阳电池简单装置如图1所示。当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。从本世纪70年代中期开始了地
22、面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，
23、材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因。因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外，寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与
24、晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。5晶体硅太阳电池及材料1839年，法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出SeCuO光电池。有关硅光电池的报道出现于1941年。贝尔实验室Chapin等人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。硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改进，电池设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引人到电池的
25、制造工艺中，太阳电池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年代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。80年代初，硅太阳电池进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应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，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大。在太阳电池的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，如肖特基（Ms）电池，MINP电池；异质结电池（如ITO（n）Si（p），a-Sic-Si，GeSi）等，其中同质p-n结电池结构自始至
26、终占主导地位，其它结构对太阳电池的发展也有重要影响。以材料区分，有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜铟硒（CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二大元素(26.3%)，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。1晶硅电池的技术发展11地面应用推动各种新型电池的出现和发展晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。例如：（1）背表面电场（BSF）电池在电池的背面接触区
27、引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电池的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。（2）紫光电池一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（01一02m）密栅（30cm）、减反射（Ta2O5短波透过好）而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。（3）表面织构化电池也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。这种技术后来被高效电池和工业化电池普遍采用。（4）异质结太阳电池即不同半导体材料在一起形成的太阳电池如SnOSi，In20Si，（1n203十SnO2Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2
28、O3SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO2、In2O3、（1n2O3SnO2）是许多薄膜电池的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。（5）M1S电池是肖特基（MS）电池的改型，即在金属和半导体之间加入15一30nm绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。其中1层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有20一40m的SiO2膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作用是：保护电池；作为减反（ARC）；降低薄膜复合速度：在p-型半导体一
29、侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。（6）MINP电池可以把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。（7）聚光电池聚光电池的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。12晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅电池在过去20年里有了很大发展，许多新技术的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，如背表
30、面场，浅结，绒面，氧化膜钝化，TiPd金属化电极和减反射膜等。后来的高效电池是在这些早期实验和理论基础上的发展起来的。121单晶硅高效电池单晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池（PCC），新南威尔士大学（UNSW）的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL以及德国Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究，并取得了可喜结果。近年来硅电池的一个重要进展来自于表面钝化技术的提高。从钝化发射区太阳电池（PESC）的薄氧化层（10nm）发展到PCCPERCPER1电池的厚氧化层（110nm）。热氧化钝化表面技术
31、已使表面态密度降到10-cm2以下，表面复合速度降到100cms以下。此外，表面V型槽和倒金字塔技术，双层减反射膜技术的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的反射和对红外光的吸收。低成本高效硅电池也得到了飞速发展。（1）新南威尔士大学高效电池（A）钝化发射区电池（PESC）：PESC电池1985年问世，1986年V型槽技术又被应用到该电池上，效率突破20。V型槽对电池的贡献是：减少电池表面反射；垂直光线在V型槽表面折射后以41”角进入硅片，使光生载流子更接近发射结，提高了收集效率，对低寿命衬底尤为重要；V型槽可使发射极横向电阻降低3倍。降低发射极电阻可提高电池填充因子。在发射结磷扩散后的
32、Al层沉积在电池背面，再热生长10nm表面钝化氧化层，并使背面Al和硅形成合金，正面氧化层可大大降低表面复合速度，背面Al合金可吸除体内杂质和缺陷，因此开路电压得到提高。早期PESC电池采用浅结，然而后来的研究证明，浅结只是对没有表面钝化的电池有效，对有良好表面钝化的电池是不必要的，而氧化层钝化的性能和铝吸除的作用能在较高温度下增强，因此最佳PESC电池的发射结深增加到1m左右。值得注意的是，目前所有效率超过20的电池都采用深结而不是浅结。浅结电池已成为历史。PESC电池的金属化由剥离方法形成Ti-pd接触，然后电镀Ag构成。这种金属化有相当大的厚宽比和很小的接触面积，因此这种电池可以做到大于
33、83的填充因子和208的效率。填充因子FF%：评估太阳电池负载能力的重要因素。FF=(ImVm)/(IscVoc)其中：Isc短路电流，Voc开路电压，Im最佳工作电流，Vm最佳工作电压；（B）钝化发射区和背表面电池（PERC）：铝背面吸杂是PESC电池的一个关键技术。然而由于背表面的高复合和低反射，它成了限制PESC电池技术进一步提高的主要因素。PERC和PERL电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代替PESC电池的整个背面铝合金接触，并用TCA（氯乙烷）生长的110nm厚的氧化层来钝化电池的正表面和背表面。（C）钝化发射区和背面局部扩散电池（PERL）：在背面接触点下增加一个浓硼扩散
34、层，以减小金属接触电阻。由于硼扩散层减小了有效表面复合，接触点问距可以减小到250m、接触孔径减小到10m而不增加背表面的复合，从而大大减小了电池的串联电阻。PERL电池达到了702mV的开路电压和235的效率。（D）埋栅电池：UNSW开发的激光刻槽埋栅电池，在发射结扩散后，用激光在前面刻出20m宽、40m深的沟槽，将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PESC相同，由于刻槽会引进损伤，其性能略低于PESC电池。电池效率达到196。（2）斯坦福大学的背面点接触电池（PCC）点接触电池的结构与PER1电池一样，用TCA生长氧化层钝化电池
35、正反面。为了减少金属条的遮光效应，金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔（绒面）结构。位于背面的发射区被设计成点状，50m间距，10m扩散区，5m接触孔径，基区也作成同样的形状，这样可减小背面复合。（2）斯坦福大学的背面点接触电池（PCC）衬底采用n型低阻材料（取其表面及体内复合均低的优势），衬底减薄到约100m，以进一步减小体内复合。这种电池的转换效率在为223。（3）德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池（LBSF）LBSF的结构与PERL电池类似，也采用TCA氧化层钝化和倒金字塔正面结构。由于背面硼扩散一般造成高表面复合，局部铝扩散被用来制作电池的表面接
36、触，2cmX2cm电池电池效率达到233（Voc=700mV，Isc413mA，FF一0806）。（4）日本SHARP的C一Sic-Si异质pp+结高效电池SHARP公司能源转换实验室的高效电池，前面采用绒面织构化，在SiO2钝化层上沉积SiN，后面用RF-PECVD掺硼的c一Si薄膜作为背场，用SiN薄膜作为后表面的钝化层，Al层通过SiN上的孔与cSi薄膜接触。5cmX5cm电池效率达到214（Voc669mV，Isc40.5mA，FF=079）。（5）我国单晶硅高效电池天津电源研究所在国家科委“八五”计划支持下开展高效电池研究，其电池结构类似UNSW的V型槽PE SC电池，电池效率达到2
37、04。北京市太阳能研究所“九五”期间在北京市政府支持下开展了高效电池研究，电池前面有倒金字塔织构化结构，2cmX2cm电池效率达到了198，大面（5cmX5cm）激光刻槽埋栅电池效率达到了186。13多晶硅高效电池多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电池的工艺改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。近年来吸杂工艺再度受到重视，包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。吸杂工艺也在微电子器件工艺中得到应用，可见其对纯度达到一定水平
38、的单晶硅硅片也有作用，但其所用的条件未必适用于太阳电池，因而要研究适合太阳电池专用的吸杂工艺。研究证明，在多晶硅太阳电池上，不同材料的吸杂作用是不同的，特别是对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电池的背场。近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于
39、硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电池的效率，近年来在晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果多晶硅太阳电池的表面由于存在多种晶向，不如（100）晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cmX10cm面积硅片的工序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。多孔硅作为多晶硅太阳电池的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所
40、得多晶硅电池的效率也能达到13.4。我国北京有色金属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅材料，因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力，因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重视。近10年来多晶硅高效电池的发展很快。（1）GeogiaTech电池Geogia工业大学光伏中心使用电阻率0.65cm、厚度280m的HEM（热交换法）多晶硅片制作电池，n+发射区的形成和磷吸杂结合，采用快速热过程制备铝背场，用lift一off法制备TiPdAg前电极，并加双层减反射膜。1cm2电池的效率达到
41、186。（2）UNSW电池UNSW光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PER1电池类似，只是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利Eurosolare提供，lcm2电池的效率,达到19.8，这是目前水平最高的多晶硅电池的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程的传统观念。（3）Kysera电池日本kysera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术，PECVDSiN膜既作为减反射膜，又作为体钝化措施，表面织构化采用反应性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。15cmX15cm大面积多晶硅电池效率达171。目
42、前日本正计划实现这种电池的产业化。（4）我国多晶硅电池北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作，目前10cmX10cm电池效率达到118。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究，1cm2电池效率达到145。我国中试生产的10cmX10cm多晶硅太阳电池的效率为10一11，最高效率为12。14多晶硅薄膜电池自70年代以来，为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电池，锑化镉（CdTe）电池，铜铟硒（C1S）电池等。特别是非晶硅电池，80年代初一问世，很快实现了商业化生产1987年非晶硅电池的市场份额超过40。但非晶硅电池由于效率
43、低、不稳定（光衰减），市场份额逐年降低，1998年市场份额降为13。CdTe电池性能稳定，但由于资源有限和Cd毒性大，近10年来市场份额一直维持在：13左右；C1S电池的实验室效率不断攀升：最近达到18，但由于中试产品的重复性和一致性没有根本解决，产业化进程一再推后，至今仍停留在实验室和中试阶段；与此同时，晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面，采用薄片硅技
44、术，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低成本的目的。严格说，后者不属于薄膜电池技术，只能算作薄片化硅电池技术。（1）CVD多晶硅薄膜电池各种CVD（PECVD-等离子体，RTCVD-快速热，Hot一wireCVD等）技术被用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要的结果。例如日本kaneka公司采用PECVD技术在550以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池，效率达到10；德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，用快速热化学气相沉积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶（ZMR）后
45、制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到93和11。北京市太阳能研究所自1996年开始开展多晶硅薄膜电池的研究工作。该所采用RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池，1cm2电池效率在达到13.6，目前正在向非硅质衬底转移。（2）多层多晶硅薄膜电池UNSW1994年提出一种多层多晶硅薄膜电池的概念和技术，1994年与PacificPower公司合作成立Kcificsolar公司开发这种电池。最近报道，该公司已经生产30cmX40cm的中试电池组件。薄膜采用CVD工艺沉积，衬底为玻璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据称，电池组件的主要成本是封装玻璃，商业化后的发电成本
46、可与煤电相比。2太阳电池用晶硅材料21现用太阳电池硅材料目前全世界光伏工业晶体硅太阳电池所用的晶锭的投炉料，都采用半导体工业的次品硅及其单晶硅的头尾料，其总量约占半导体工业生产硅料的110，约为10001200吨年。这种硅料的价格依其品位约在10一20美元kg。目前半导体工业用的投炉多晶硅料是采用三氯氢硅精馏法（西门子法）生产的，采用改进的西门子法并扩大规模进行生产是未来降低成本的有效措施之一。由于经费制约，我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学提纯是将纯度较高的冶金级硅（99）加工成细颗粒后，使用盐酸、王水、氢氟酸等进行酸洗革取，可将含铁量降到200ppm量级，然后再进行二次
47、定向凝固（早期使用二次直拉），将含铁量降到03ppm量级，但其纯度及成本均未能达到要求。我国具有纯度高的石英砂资源，并生产大量冶金级硅供应出口，采用冶金硅精炼的方法生产太阳级硅将来具有潜力。2 21 11 1单晶硅材料单晶硅材料单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。硅主要以SiO2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kwhkg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98一99，称为冶金级硅（MG一Si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业
48、。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10-10以下。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气，Si3HCISiHC13H2。由于SiHC13在30以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精馏使SiHC13与其它氯化物分离，经过精馏的SiHCl3，其杂质水平可低于10-10的电子级硅要求。提纯后的SiHC13通过CVD原理制备出多晶硅锭 基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si
49、粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。拉制单晶有CZ法（坩埚拉制）和区熔法两种。CZ法因使用石英柑蜗而不可避免地引入一定量的氧，对大多数半导体器件来说影响不大，但对高效太阳电池，氧沉淀物是复合中心，从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割（ID）法将硅锭切成硅片，该过程有50的硅材料损耗，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法，可以切出很薄（100Pm）的硅片，切割损失小（30），硅片表面切割损伤轻，有利于提高电池效率，切割成本低。2 21 12 2多晶硅材料多晶硅材料由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇
50、铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省（1）铸锭工艺 铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以熔融，然后将坩埚从热场中逐渐下降或从坩埚底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法（HEM），在坩埚底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片一般尺寸为10cmXl0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。铸锭法中需要解决的主要问题是：（1）盛硅容器的材质。国为