太陽能電池的結(jié)構(gòu)工作原理和制造技術(shù)近幾年來，受世界太陽能電池發(fā)展“熱潮”的影響，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展空前高漲，本文收集了太陽能電池的一些有關(guān)技術(shù)，以供讀者參考。

（一）太陽能電池的發(fā)展歷史：

太陽能電池是產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)（簡稱光伏效應(yīng)）的半導(dǎo)體器件。因此，太陽能電池又稱為光伏電池，太陽能電池產(chǎn)業(yè)又稱為光伏產(chǎn)業(yè)。

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當(dāng)時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了20倍，今后10年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展。

世界太陽能電池的發(fā)展歷史如表1所示：

表1世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點

年份重要節(jié)點

1954美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6％

1955第一個光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明GaAs太陽能電池

1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8％。

1959第一個單晶硅太陽能電池問世。

1960太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到18％。

1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世

1978美國建成100KW光伏電站

1980單晶硅太陽能電池效率達到20％，多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％

1986美國建成6.5KW光伏電站

1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”

1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32％。

1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃

日本提出“新陽光計劃”

1998單晶硅太陽能電池效率達到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃”

2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池。

（二）、太陽能電池的種類

（三）、硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

硅太陽能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1?；静牧蠟閜型單晶硅，厚度為0.3—0.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個pN＋結(jié)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N＋區(qū)和p區(qū)形成歐姆接觸，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。

當(dāng)入發(fā)射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，pN＋結(jié)空間電荷區(qū)和p區(qū)中激發(fā)出光生電子——空穴對。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過耗盡區(qū)，就對發(fā)光電壓作出貢獻。光生電子留于N＋區(qū)，光生空穴留于p區(qū)，在pN＋結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光伏電池兩端接一負(fù)載后，光電池就從p區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N＋區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出。

太陽能電池各區(qū)對不同波長光的敏感型是不同的?？拷攨^(qū)濕產(chǎn)生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的5－10％（隨N＋區(qū)厚度而變），pN＋結(jié)空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5％左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對紅外光敏感，占80－90％，是光生電流的主要組成部分。

（四）、太陽能電池的制造技術(shù)

晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖2。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流。

1、具體的制造工藝技術(shù)說明如下：

（1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。

（2）清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。

（3）制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。

（4）磷擴散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進行擴散，制成pN＋結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。

（5）周邊刻蝕：擴散時在硅片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層。

（6）去除背面pN＋結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面pN＋結(jié)。

（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TIO2，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、pECVD法或噴涂法等。

（9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。

（10）測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。

由此可見，太陽能電池芯片的制造采用的工藝方法與半導(dǎo)體器件基本相同，生產(chǎn)的工藝設(shè)備也基本相同，但工藝加工精度遠(yuǎn)低于集成電路芯片的制造要求，這為太陽能電池的規(guī)模生產(chǎn)提供了有利條件。

（五）、太陽能電池的芯片尺寸：

規(guī)?；a(chǎn)太陽能電池的芯片尺寸分別為（103×103）mm2、（125×125）mm2、（156×156）mm2和（210×210）mm2的方片。目前的主流仍是（156×156）mm2，2007年將過渡到（210×210）mm2為主流芯片。最近德國已推出了代表國際最先進的（210×210）mm2硅片全自動生產(chǎn)設(shè)備。

芯片的厚度也愈來愈薄，從→300→270→240→210→180um，目前晶體硅片主要使用厚度為210—240um。

（六）、太陽能電池的芯片材料及轉(zhuǎn)換效率：

1、晶體硅（單晶硅和多晶硅）太陽能電池：

2004年晶體硅太陽能電池占總量的84.6％，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。在光伏產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著統(tǒng)治地位。

對于高效單晶硅太陽能電池，國際公認(rèn)澳大利亞新南威爾士大學(xué)達到了最高轉(zhuǎn)換效率為24.7％，目前世界技術(shù)先進產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率為19－20％。對于多晶硅太陽能電池澳大利亞新南威爾士大學(xué)多晶硅電池效率已突破19.8％，技術(shù)先進產(chǎn)品的效率為15－18％。

2、非晶體硅太陽能電池：

α－Si（非晶硅）太陽能電池一般采用高頻輝光使硅烷分解沉積而成。由于分解溫度低（250－5000C），可在薄玻璃、陶瓷、不銹鋼和塑料底片上沉積1um厚的薄膜，且易于大面積化。非晶硅太陽能電池多數(shù)采用pIN結(jié)構(gòu)，有時還制成多層疊層式結(jié)構(gòu)。

非晶硅太陽能電池大量生產(chǎn)的大面積產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為10－12％，小面積產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率已提高到14.6％，疊層結(jié)構(gòu)電池的最高效率為21％。

3、砷化鎵（GaAs）太陽能電池：

GaAs太陽能電池多數(shù)采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備，GaAs太陽能電池的效率可高達29.5％，一般在19.5％左右。產(chǎn)品具有耐高溫和抗輻射特點，但生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)量受限，主要用作空間電源。以硅片為襯底，擁MOCVD方法制造GaAs/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池是降低成本很有希望的方法，最高效率23.3％，GaAs疊層結(jié)構(gòu)的太陽能電池效率接近40％。

4、其他化合物半導(dǎo)體太陽能電池：

這方面主要有CIS（銅銦硒）薄膜、CdTe(碲化鎘)薄膜和Inp(磷化銦)太陽能電池等。這些太陽能電池的結(jié)構(gòu)與非晶硅電池相似。但CIS薄膜一般厚度為2－3um，已達到的轉(zhuǎn)換效率為17.7％。CdTe薄膜很適合于制作太陽能電池。其理論轉(zhuǎn)換效率達30％，目前國際先進水平轉(zhuǎn)換效率為15.8％，多用于空間方面。2004年世界各種太陽能電池產(chǎn)量的種類分布如表2

表22004年世界各種太陽能電池產(chǎn)量的種類分布

序號太陽能電池種類總產(chǎn)量（MW）百分比（％）

1單晶硅平板電池314.428.6

2多晶硅平板電池669.256.0

3非晶硅（室內(nèi)室外）47.13.9

4帶硅電池41..03.4

5CdTea（碲化鎘）電池13.01.1

6CIS(銅銦硒)3.00.25

7非晶硅/單晶硅電池80.06.7

總量1195.2100

（七）、提高太陽能電池效率的特殊技術(shù)：

晶體硅太陽能電池的理論效率為25％（AMO1.0光譜條件下）。太陽能電池的理論效率與入射光能轉(zhuǎn)變成電流之前的各種可能損耗的因素有關(guān)。其中，有些因素由太陽能電池的基本物理決定的，有些則與材料和工藝相關(guān)。從提高太陽能電池效率的原理上講，應(yīng)從以下幾方面著手：

1、減少太陽能電池薄膜光反射的損失

2、降低pN結(jié)的正向電池（俗稱太陽能電池暗電流）

3、pN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度減少，幷減少空間電荷區(qū)的復(fù)合中心。

4、提高硅晶體中少數(shù)載流子壽命，即減少重金屬雜質(zhì)含量和其他可作為復(fù)合中心的雜質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)缺陷等。

5、當(dāng)采取太陽能電池硅晶體各區(qū)厚度和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

目前提高太陽能電池效率的主要措施如下，而各項措施的采用往往引導(dǎo)出相應(yīng)的新的工藝技術(shù)。

（1）選擇長載流子壽命的高性能襯底硅晶體。

（2）太陽能電池芯片表面制造絨面或倒金字塔多坑表面結(jié)構(gòu)。電池芯片背面制作背面鏡，以降低表面反射和構(gòu)成良好的隔光機制。

（3）合理設(shè)計發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)，以收集盡可能多的光生載流子。

（4）采用高性能表面鈍化膜，以降低表面復(fù)合速率。

（5）采用深結(jié)結(jié)構(gòu)，幷在金屬接觸處加強鈍化。

（6）合理的電極接觸設(shè)計以達到低串聯(lián)電阻等。

（八）、太陽能電池的產(chǎn)業(yè)鏈

（九）、上海太陽能電池產(chǎn)業(yè)概況：

上海對于光電轉(zhuǎn)換器件的研究起步于1959年。當(dāng)時在中科院技術(shù)物理研究所和上?？萍即髮W(xué)等單位作為光電探測器件課題進行研究。上世紀(jì)八十年代，上海儀表局所屬的上海半導(dǎo)體器件八廠等單位生產(chǎn)小功率的蘭硅光電池在市場上銷售。八十年代后期，受世界太陽能電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的影響，上海開始建立專業(yè)的太陽能電池芯片生產(chǎn)企業(yè)和專業(yè)的研究機構(gòu)。近10年多來，隨著我國太陽能電池“熱潮”的到來，制造太陽能電池組件的企業(yè)紛紛建立，而且隨著單晶硅和多晶硅材料供應(yīng)緊張，許多小型的硅單晶企業(yè)也蜂涌而至。從上世紀(jì)九十年代以來，上海的太陽能電池產(chǎn)業(yè)逐步形成規(guī)模。

目前，上海地區(qū)從事太陽能電池芯片、組件、硅材料和設(shè)備生產(chǎn)和技術(shù)研究的單位共20余個。

其中，太陽能電池芯片制造的主要企業(yè)有上海太陽能科技有限公司、上海泰陽公司等。2006年中芯國際（上海）公司Fab10建成投產(chǎn)，利用8英寸硅單晶硅片制造太陽能電池芯片，開創(chuàng)了上海利用8英寸多晶硅片制造太陽能電池的新范例。目前，上海太陽能電池芯片的產(chǎn)量在30－40MW左右。上海太陽能電池組件的生產(chǎn)企業(yè)共有10個左右。主要企業(yè)仍有上海太陽能科技有限公司和上海泰陽公司（與上海交通大學(xué)合作）等。目前上海太陽能電池組件的產(chǎn)量為50－70MW左右。由于太陽能電池組件生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備要求較為簡單，因此，太陽能電池組件生產(chǎn)企業(yè)中，有多家為民營企業(yè)。由于國內(nèi)太陽能電池芯片供應(yīng)不足，這些企業(yè)往往采用進口芯片組裝后絕大部分返銷境外，僅少數(shù)投放國內(nèi)市場。

近幾年來，由于可提供太陽能電池芯片生產(chǎn)的硅單晶片和硅多晶硅片嚴(yán)重短缺，價格不斷大幅度上升，例如2003年進口電子級多晶硅每公斤為22－25美元，而2006年進口同樣多晶硅的價格上升200％至300％，有些經(jīng)銷商轉(zhuǎn)手倒賣時，價格甚至抬高5至8倍。在這種情況下，許多中小型的硅單晶生產(chǎn)企業(yè)蜂涌而至。從上世紀(jì)九十年代以來，在上海及周邊地區(qū)建立中小型太陽能電池硅單晶（或硅多晶）的生產(chǎn)企業(yè)達4至5個之多。上海通用硅有限公司和上海卡姆丹克公司（合資企業(yè)）是其中有代表性的企業(yè)。它們各具有許多直拉單晶爐，可以拉制5.5″，6″，6.5″和8″直徑的硅單晶，形成了可供年產(chǎn)25——30MW太陽能電池芯片的市場。但是由于多晶硅原材料供應(yīng)不足，這些企業(yè)拉制的硅單晶原材料只能供給生產(chǎn)20MW太陽能電池芯片所用。因此，硅材料缺乏已成為抑制上海（乃至全國）太陽能電池產(chǎn)業(yè)封裝的瓶頸。因此，通過上海與外省市的合作發(fā)展多晶硅產(chǎn)業(yè)已是涉及到微電子產(chǎn)業(yè)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略問題。

（十）中芯國際（上海）的經(jīng)驗：

中芯國際（上海）為國內(nèi)集成電路（或半導(dǎo)體器件）芯片制造企業(yè)開展太陽能電池芯片或組件生產(chǎn)走出了一條成功之路，從中芯國際（上海）Fab10投產(chǎn)的實踐來看，證明了以下事實，即集成電路（或半導(dǎo)體器件）芯片制造企業(yè)太陽能電池芯片具有許多有利條件：

●基本工藝相同；

●廢舊硅圓片可充分利用，有利于降低制造成本；

●生產(chǎn)線設(shè)備基本上可用進口設(shè)備或國產(chǎn)設(shè)備節(jié)省投資；

●太陽能電池芯片制造若延伸至組件制造，更有利于企業(yè)獲得較好效益。

但由于集成電路（或半導(dǎo)體器件）芯片制造企業(yè)的可利用的單晶硅片數(shù)量有限，因此當(dāng)太陽能電池芯片生產(chǎn)規(guī)模擴大時必須考慮其他晶體硅的來源。