liuzhidong 1LOGO第五章硅太阳能电池的制造方法liuzhidong 2太阳能电池的工作原理liuzhidong3第一节太阳能电池的工作原理一、半导体材料 二、载流子 三、禁带宽度 四、光电效应 五、PN结六、光能转化为电能 七、太阳能电池的结构liuzhidong4一、半导体材料图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

硅晶体应用于半导体材料时一般都会在其中掺入其他的杂质（磷、硼等），以增加载流子的数量提高材料的导电性能。

纯硅晶体liuzhidong5N 型半导体掺入磷原子正电荷表示硅原子，负电荷表示四个电子,黄色的表示磷原子，红色的表示自由电子 其整体显中性，不带电liuzhidong6P 型半导体掺入硼，硅晶体中存在着一个空穴。

正电荷表示硅原子，负电荷表示电子。

而黄色的表示掺入的硼原子。

蓝色的空穴。

整体显中性，不带电。

liuzhidong 7二、载流子载流子就是运载电流的“粒子”。

不管在N型还是P 型半导体中，都会同时存在电子和空穴载流子。

在给定的温度下，每种半导体的电子载流子和空穴载流子数的乘积是个常数。

例如，对于硅来说，在室温下这个常数是1021/厘米3。

N型高导性硅，电子载流子可达1017/厘米3，而空穴载流子是104/厘米3。

这就是多数载流子与少数载流子的区别。

liuzhidong 8三、禁带宽度单一原子中，电子都有分明的能级，当形成晶体时，由于原子的影响，单一的能级就变成了具有一定幅度的能带。

受到原子束缚的电子能量很低，其所处的能带叫做满带，也叫价带。

自由电子的能量很高，其所处的能带叫做导带。

在满带与导带之间有一个空隙，叫做禁带。

liuzhidong 9 金属导带与满带重叠在一起，没有禁带； 绝缘体的禁带很宽；半导体的禁带宽度在导体与绝缘体之间。

禁带具有一定的能量，叫做禁带宽度，用Eg表示。

不同的半导体材料有不同的禁带宽度，例如，锗0.7eV,硅1.12eV,硒1.5eV。

liuzhidong 10四、光电效应通常所说的光电效应是指外光电效应，即物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象。

另一种光电效应叫内光电效应，是太阳能电池利用的效应，它是物体在光的照射下，内部原子中的一部分束缚电子变为自由电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的导电性加强。

半导体发生内光电效应的条件是，光子能量ε大于等于半导体的禁带宽度Eg。

liuzhidong 11 当硅半导体处于光照时，能量大于禁带宽度的光子，激发半导体内部的束缚电子，使之成为自由电子，同时产生等量的空穴。

这一数量对于少数载流子来说，可以增加很多个数量级；而对于多数载流子来说，数量却微乎其微。

liuzhidong 12五、PN 结P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，P区与N区的结合过渡区就是PN结。

下面我们将讨论PN结形成的原因。

在P型与N型半导体接触时，多数载流子会发生扩散运动。

liuzhidong13在未扩散前P 区和N 区都不带电，都显中性liuzhidong14扩散后，P区空穴吸引N型号电子，形成空间电荷，从而产生内建电场。

扩散运动与漂移运动方向相反，当两运动的速度相同时，内建电场稳定，形成PN结。

如果环境不变，这个平衡也就不变，空间电荷的厚度也不再增加。

liuzhidong15六、光能转化为电能收集阳光照射电池表面产生电子-空穴对电子-空穴对在PN 结作用下分开引出导线,接上负载输出功率liuzhidong16由于光的照射，具有PN结结构的半导体材料中的扩散运动与漂移运动的动态平衡将被打破。

在N型区和P型区因为内光电效应都会产生光生电子-空穴对。

PN结会将产生的电子-空穴分开，P型区内的少数载流子电子被驱向N型区；N型区的少数载流子空穴被驱向P型区。

其结果是N型区一侧有过剩的电子积累；P型区一侧有过剩的空穴积累。

liuzhidong 17 负载电阻R L =0，过剩载流子都可以穿过结，会产生最大可能的光生电流，即短路电流I SC ，而电动势为零。

负载电阻R L =∞，则被PN结分开的过剩载流子会积累在PN 结附近，并以最大补偿势垒，于是产生最大可能的光生电压，即开路电压V OC ，其电流为零。

负载电阻R L ，则过剩载流子部分用于降低PN结势垒用于建立工作电压V m ，部分用来产生工作电流I m 。

liuzhidong 18七、太阳能电池的结构liuzhidong 19太阳能电池的结构原理图liuzhidong 20太阳能电池发电原理liuzhidong 21太阳能电池发电原理由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。

但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（梳状电极），以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。

为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5％甚至更小。

一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

liuzhidong 22太阳能电池发电原理普通发电主要是利用电磁感应原理发电，需要马达，燥声会很大，如果是火力发电，还会产生大气污染。

太阳能发电既不需要马达，也不会排出气体。

它是绿色能源，不仅是指其利用的太阳能是没有污染的，而且其发电的过程中也是不会有任何污染的。

liuzhidong 23第二节硅太阳能电池的制造过程 原材料的制备 切片处理 表面织构 扩散去背边PN结 电极印刷及烧结 减反射膜制备测试组件封装太阳能发电系统各个环节的利率比较 太阳能电池的两大难点liuzhidong 24硅太阳能电池制造流程liuzhidong 25工艺流程liuzhidong 261. 原材料的制备砂子（石英岩）还原为冶金级硅 SiO 2+ 2C →Si + 2CO 纯度约98-99% 1美元/公斤左右liuzhidong 27原材料的制备低成本的冶金级硅提纯高纯块状多晶硅，纯度为6个9。

主要有改良西门子法（气相沉淀反应方式）、四氯化硅（硅甲烷）热分解方式、流化床方式，一般是化学方法。

Si + 3HCl →SiHCl 3+ H 2西门子改良法 SiHCl 3+ H 2→Si + 3HCl 冶金硅成本50倍liuzhidong 28原材料的制备liuzhidong 29多晶硅铸锭炉liuzhidong 30多晶硅坩埚切割机liuzhidong 31多晶硅多线破锭机床liuzhidong 32原材料的制备¾多晶硅进一步生长为半导体单晶硅，纯度9个9以上（也可以通过控制掺杂浓度可生长成适合于太阳能用的单晶硅）主要有直拉单晶法（CZ）、区域熔化提纯法（FZ）、物理提纯定向结晶（DSS）等。

¾冶金硅成本的2000倍。

liuzhidong 33原材料的制备最常用的柴可拉斯基拉Czochralski生长单晶仪图解liuzhidong 34原材料的制备¾太阳能级单晶硅纯度只要6个9；¾太阳能级晶体硅的实际生产并不多；¾单晶硅以高纯的单晶硅棒、半导体加工的头尾料、废次单晶硅材料；¾多晶硅硅片以多晶块料、单晶硅头尾料、及锅底料，加人适量硼硅，放入浇铸炉。

liuzhidong 35原材料的制备¾高纯硅提炼具有较高的技术壁垒，7大厂家05年的总产量约占世界总产量95%以上，他们分别是Hemlock，REC ，Wacker ，Tokuyama ，MEMC ，Mitsubishi ，Sumitomo，SolarWorld。

¾除REC（Solar Grade Silicon LLC）以外，都没有专门用于生产太阳能级晶体硅的生产线。

liuzhidong 36单晶硅与多晶硅的区别¾多晶硅晶向小范围内一致，大范围不同¾单晶硅大范围内晶向一致¾多晶硅可作为拉制单晶硅的原料¾多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。

liuzhidong 37单晶硅与多晶硅的区别liuzhidong 38单晶硅与多晶硅电池光电转换率比较liuzhidong 39高纯硅及太阳能电池制备liuzhidong 40超大晶粒准单晶硅片技术直拉单晶的优点是单一晶向，低缺陷，电池效率高；缺点是单次投料少，操作复杂，成本高。

而多晶硅铸锭的优点是原材料来源广、纯度要求低，生产效率高，投料量大，操作简单，低成本；缺点是内部存在大量的晶界、较高的位错密度和杂质使得多晶硅太阳能电池的转换效率低于单晶硅。

虽然近年来对多晶硅铸造工艺及内部缺陷和杂质做了深入的研究，并提出了多种改进的方法，但其转换效率仍低于单晶硅太阳电池1-2%。

如何将单晶硅与多晶硅的优势相结合一直是光伏界所追求的目标，在这种背景下准单晶技术应运而生。

liuzhidong41准单晶的特征准单晶也称为铸造单晶硅，是通过铸锭的方法获得外观和电学性能均类似于单晶硅的晶体硅。

简言之，准单晶技术就是用多晶硅的成本生产出单晶硅的技术。

一般对铸造单晶硅的要求是在一定尺寸的硅片上，单个晶粒面积大于硅片面积的50%。

这种硅片的晶界数量远小于传统的铸造多晶硅片。

多晶硅中存在大量的晶界和位错。

晶界是晶粒间的过渡区，结构复杂，原子呈无序排列，并存在不完全键合原子，产生大量的悬挂键，形成界面态，有很大的复合性，特别是被金属杂质玷污后其复合强度会提高，大大降低了多晶硅太阳能电池的转换效率。

同时由于多晶硅是由许多晶向不同的晶粒组成，因而制绒后不能形成“金字塔”形貌，这也严重影响其光伏性能。

liuzhidong42准单晶与铸造单晶的比较(a)铸造多晶硅(b)铸造单晶硅两种硅片的表面形貌liuzhidong43准单晶与铸造单晶的比较(a)铸造多晶硅(b)铸造单晶硅两种硅片腐蚀后的表面形貌liuzhidong 44超大晶粒准单晶铸造方法用生产多晶硅铸锭技术，得到直拉单晶硅的高品质；用60元的成本生产出原本需要160元才能生产的东西？准单晶铸锭最大的优势是可以使用多晶硅铸锭方法制备，不需要使用昂贵的直拉单晶硅方法制备。

准单晶铸锭加工需要在坩埚底部铺上一层具有较高厚度的单晶籽晶，即先把籽晶、硅料及掺杂元素放置在同一坩埚中，籽晶位于坩埚底部。

然后加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融化。

最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长，而成为准单晶。

目前量产的铸锭准单晶技术主要为有籽晶的铸锭。

该技术由晶龙实业集团有限公司麾下“东海晶澳太阳能科技有限公司”首先提出。