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新余学院
毕
业
设
计
（
论<
/p>
文
）
（
2011
届
）
题
目
：
硅太阳能电池研究
学
院：
新余学院
专
业：
光伏材料加工与应用技术
班
级
:
08
光伏
(7)
班
姓
名：
彭隆昌
学
号：
指导教师：
王昌中
完成日期
:
2011
年
5
月
14
日
摘
要
太阳能光伏技术是把太阳的光能转换成电能的主要方式。
目前主要的
太阳能
光伏转换器件有硅太阳电池，
砷化镓太阳电池，
染料敏化太阳电池和薄膜太阳电
池．其中，硅太阳电池是主要技术。硅太
阳电池中又可以分为单晶硅太阳电池，
多晶硅太阳电池和无定形硅太阳电池，
其中，
多晶硅太阳电池应用最广．
这是因
为单晶硅材料昂贵，
发电成本高；
无定形硅材料
虽然便宜，
但是光电转换效率太
低．
多
晶硅太阳电池是成本和效率之间的折中。
本文首先给出了各种硅太阳电池
的发电核心：
p-n
结的半导体物理学。这样可以从总
体上认识硅太阳电池的光电
转换原理。
从降低成本和提高效率两
个方面考虑，
本文分别研究了硅片的定边喂
膜
< br>(EFG)
制造方法，硅片的快速加热处理技术㈣，硅片的表面钝化方法和多晶硅
太阳电池的酸腐蚀绒面处理技术。
其中，
硅片的
EFG
制造方法和
RTP
处理技术直
接与成本有关；
硅片的表面钝化
技术和多晶硅太阳电池的酸腐蚀绒面处理技术直
接影响到电池的效率。
< br>这些研究是对硅太阳电池技术发展的总结，
在硅太阳电池
的研究中具有科学上的和工程技术上的参考价值。
最后，
基于一
定的物理模型和
假设条件，
对硅太阳电池的光电流与硅片参数之
间的关系以及单层减反射膜时的
硅太阳电池的平均反射系数进行了计算机仿真，
这对于验证和发现硅太阳电池的
基本性质是有益的。
【关键词】
光伏技术．
硅太阳能
电池．
光电转换效率．
p-n
结，
定边喂膜法．
快速热处理．
钝
化．绒面。计算机仿真
目录
第
1
章
引言
第
2
章
硅基类薄膜太阳能电池
2.1
非晶硅薄膜太阳能电池……………………………… ……
2.2
多晶硅薄膜太阳能电池……………………………… ……
2.3
微晶硅薄膜太阳能电池
………………………………
……………
第
3
章
提高薄膜硅太阳能电池效率的措施
3
.1
提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收
………………………
3.1.1
前透明导电氧化物薄膜（
TCO
）的研究
………………………
3.1.2
减反层的研究
< br>………………………
3.1.3
窗口层的研究
………………………
3.2
薄膜硅电池叠层技术
……………………………
3.3
微晶硅电池开路电压的研究
………………………
…
3.4
中间层技术的研究
…………………………
第
4
章
总结
参考文献
………………………………………………………………………
致谢……
………………………………………………………………
…
第一章
引言
在全球气候变暖、
人类生态环境恶化、
常规能源短缺并造成环境污染的形势
下，
可持续发展战略普遍被世界各国接受。
光伏能源以其具
有充分的清洁性、
绝
对的安全性、
资源
的相对广泛性和充足性、
长寿命以及免维护性等其它常规能源
所
不具备的优点，
被认为是二十一世纪最重要的新能源。
当前基于
单晶硅或者多
晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达
90%
，
但是，
晶体硅电池本身生产成
本较高，
组件价格居高不下，
这为薄膜硅太阳
能电池的发展创造了机遇。
薄膜硅
太阳能电池的厚度一般在几个
微米，
相对于厚度为
200
微米左右的
晶体硅电池来
说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低
廉，
因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。
但是
当前大规模产业化的
薄膜硅太阳能电池转换效率只有
5%-7%
，
是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，
这在一定程度上限制了它的应用范围，
也增加了光伏系统的成本。
为了最终实现
光伏发电的平价上网，
必须进一步降低薄膜硅
太阳能电池的生产成本，
因此必须
对薄膜硅太阳能电池开展持续
的研究，
利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电
池的成本。<
/p>
本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太
阳能电池的研究现状
。
第
2
章
硅基类薄膜太阳能电池
2.
1
非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅薄膜太
阳能电池是用非晶硅半导体材料在玻璃、
特种塑料、
陶瓷、
不
锈钢等为衬底制备出来的一种目前公认环保性能最好的太阳能电池
。
1976
年美
国
RCA
实验室的
Carlf
；
on
等
[21
对非
晶硅进行研制并首次报道了非晶硅薄膜太
阳能电池，
引起了全世
界的关注。
非晶硅薄膜太阳能电池之所以受到人们广泛关
注，是
因为它有如下优点
∞]
：质量轻且光吸收系数高，开路电压高，
抗辐射性能
好，耐高温，制备工艺和设备简单，能耗少，可以淀积在任何衬底上且淀积温
度
低、时间短，适于大批量生产。非晶硅虽然是一种很好的电池材料，但是还存在
一些不足：
(1)
光学禁带宽度为
1
．
7eV
，使得材料本
身对太阳辐射光谱的长波区
域不敏感，从而限制了其光电转换效率。
(2)
光电转换效率会随着光照时间的延
长而衰减，即所谓
的光致衰退
(S-W)
效应，使得电池性能很不稳定。近年来国
内
外对其的研究主要在于提高光电转换效率和光致稳定性，
并得
到了一些改进的方
法：采用有不同带隙的多结迭层；降低表面光反射；使用更薄的
i
层。经过这些
努力，使得非晶硅薄膜太阳能
电池的光致衰减率从
30
％下降到了
1
5
％，同时光
电转换效率也得到了一定程度的提高。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有反溅
射法、低压化、学气相沉积法
(LPcvD)
、等离子体增强化学气相沉积法
(PECVD)
和热丝化学气相沉积法
(HWCVD)
。西班牙巴塞罗那大学的
Villar
．<
/p>
F
等
[43
在温
度低于
150
℃的条件下利用
HWCVD
方法制备出转换效率为
4
．
6
％的非晶硅薄
膜光电
池。日本三菱重工
(MHI)
制成了
1
．
4m×
1
．
1m
世界上面积最大的高效非
晶硅薄膜
太阳能电池，其转换效率达到
8
％
[5
]
。目前，稳定的单结非晶硅薄膜太
阳能电池的光电转换效率最
高达到
9
．
5
％
[6]
。我国对非晶硅薄膜太阳能电池的
研究在
20
世纪
80
年代中期达到高潮，
并取得了一些成果：
研制出面积
为
lcm×
lcm
和
< br>30crux30cm
的单结非晶硅薄膜太阳能电池的实验室转换效率分别达到<
/p>
11
．
4
％
和
6
．
2
％。
2000
年以双结非晶硅薄膜太阳能电池为
重点的硅基薄膜太阳能电池
研究被列为国家重点基础研究发展计划
“973”
项目。鉴于非晶硅薄膜太阳能电池
良好的发展前景
，我国将在四川崇州市建全国最大的非晶硅太阳能薄膜生产基
地，建成后预计年生产量达
30MW[¨
。如果能解决非晶硅薄膜太阳能电池的稳定
性差和转换效率低等问题，则其将在未来的光伏产业中占有越来越重要的地位。
2
．
2
多晶硅薄膜太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池既具有晶体
硅太阳能电池的高效、稳定、无毒
(
或毒
性很小
)
及材料资源丰富的优势，又具有薄膜太阳能电池省材
料、低成本且光照
稳定性强等优点，是目前公认的高效率、低能耗的理想太阳能电池。<
/p>
晶体硅太阳能电池通常由厚度为
350
～
450
的高质量硅片制得，这种硅片
从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成，因此实际消耗的硅材料很多。为了节省材料，
人们从
20
世纪
70<
/p>
年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，
但是由于生长
的硅晶粒较小，
未能制成有价值的多晶硅薄膜太阳能电池。
为了获得大尺寸的多
晶硅薄膜，
人们一直没有停
止过研究，
并提出了很多制备多晶硅薄膜太阳能电池
的方法，如
PECVD
、
LPCVD
、
HWCVD
、快速热化学气相沉积法
(RTCvD)
、液
相外延法
(LPE)
、溅射沉积法等。
日本
Kaneka
公司采用
PECvD
技术在玻璃衬底上制备出具有
p-i
—
n
结构、
总厚度约为
2
脚的多晶硅薄膜太阳能电池，光电转换效率达到了
12
％。德国
Gall
．
S
等
[8]
认为以玻璃为衬底制备出
来的多晶硅薄膜光电池具备光电转换效率
将达到
15
％的潜力。日本京工陶瓷公司研制出面积为
15cm×
15cm
的光电池，其
转换率达到了
17
％。
值得一提的是，北京太阳
能研究所自
1996
年开展多晶硅薄膜太阳能电池的
研究以来，
在重掺杂抛光单晶硅衬底上制备出的多晶硅薄膜太阳能电池，<
/p>
其效率
达到
13
．
6 o
／
6
r9]
。
多晶硅薄膜的晶粒尺寸、<
/p>
晶粒形态、
晶粒晶界、
膜厚以及基体中有
害杂质的
含量及分布方式严重影响着其对太阳光的吸收和载流子的复合，
从而影响着光电
转换效率。
所以，
以后的研究方向在于进一步提高制工艺以及衬底物质和沉积方
式的选择。
2
．
3
微晶硅薄膜太阳能电池
自从
1979
年日本的
Usui
等
[10]
采用
PECVD
技术，通过加入氢气制备出掺
杂微晶硅以后，人们才逐步开展微晶硅在太阳能电池中应
用的研究。
1994
年
Meier
等
[11]
采用甚高频一等离子体化学气相
沉积
(VHF-PECvD)
技术和微量硼掺
< br>杂的方法制备出厚
1
．
7pm<
/p>
、面积为
0
．
2
5eraz
的微晶硅
p-i-n
光电池
，其转换效
率为
4
．
< br>6
％，
掀起了微晶硅太阳能电池的研究热潮。
2009
年日本的
Y
．<
/p>
Sobajima
等
u23
在高压沉积的条件下使得微晶硅的沉积速率达到
8
．
inm
／
s
。
光电转换效
率也达到
6
．
3
％。德国的
T
．
Chen
等
[13]
采
用
HWCVD
法制作了厚度仅为
1
／
an
、转换效率达
8
．
o
％的微晶硅薄膜电池。
v
．
Smimov
等
口
4]
使串联的微晶硅
薄膜太阳能电池
的转换效率提高到了
11
．
3
％。我国南开大学采用
VHF-PECVD
技术
获得了沉积速率为
1
．
2nm
／
s
的微晶硅薄膜太阳能电池，转换效率达
6
．
3
孵
15
。研究表明，微晶硅薄膜太阳能电池的制备技术能与现有非晶硅薄膜
电池
的制备技术兼容，
而且微晶硅薄膜电池几乎不存在光致衰退
效应。
但微晶硅薄膜
太阳能电池吸收系数低、沉积速率较慢、带
隙较窄。目前，微晶硅薄膜太阳能电
池的沉积速度都还不是很快。
努力提高微晶硅薄膜太阳能电池的沉积速率将是未
来的研究方向
Ll
引。对硅基类太阳能电池材料来讲，由于硅是一种间接带隙材
料，
在带隙对应的波长附近
(A
一
扎
=1
．
107pm)
对光子仅有非常低的吸收系数．
尤
其是在
800
～
1100nm
的波
长范围，
对光子的吸收长度达到
10#m
～
3mm
，
远超出
< br>了薄膜太阳能电池中核心吸收层
(
硅薄膜
)
的厚度，因此在此光谱范围对光子的吸
收系数不高。
当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有
5
％～
8
％，
其中硅材料在近红外波段的吸收系数
不高是一个重要因素，
这在一定程度上限制
了薄膜硅太阳能电池
的应用范围，
也增加了光伏发电系统的发电成本。
因此对薄
膜硅太阳能电池开展持续的研究，
利用新的技术与工艺降低薄膜硅太
阳能电池的
成本，从而进一步降低薄膜硅太阳能电池的发电成本显得非常必要和迫切。<
/p>
第
3
章
提高薄膜硅太阳能电池效率的措施
3.1
提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收
对
于单结薄膜硅太阳能电池，
提高其对光的吸收将提高电池的电流密度，
< br>对
电池效率将产生直接的影响。
Berginski
等人通过实验结合模拟给出了提高电池
对光的吸收途径，
如图
1
所示：
可以看出薄
膜硅电池的前电极对光的吸收、
折射
率的错误匹配、
窗口层对光的吸收、
背反电极吸收损失以及玻璃反射都会减少电
池对光的吸收，因此提高电池的光吸收可从这几个方面着手。图
1
在织构
ZnO
表面沉积单结微晶硅薄膜太阳能
电池
（本征层厚度为
1
微米）
的
QE
、
吸收
1-Rcell
以及影响电池吸收的因素。
<
/p>
3.1.1
前透明导电氧化物薄膜（
TC
O
）的研究
当前采用具有一定绒度的
TCO
薄膜是提高薄膜硅太阳能电池效率的有效途
径，这是因为入射光线在
TCO
绒面或背反射电极处
被散射，由于散射光在薄膜
中具有更长的光程，因此被吸收的几率更大。目前大规模商业
化的
TCO
是使用
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