電信學(xué)院光電池的制備方法與應(yīng)用系 部：電子信息工程系專 業(yè)：光電子技術(shù)班 級(jí)：光電 09303設(shè) 計(jì) 者：彭超指導(dǎo)教師：宋露露日期：2012 年 3 月光電池的制備方法與應(yīng)用摘要：光電池又名太陽能電池。太陽能（光能）是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。本論文的書寫旨在掌握當(dāng)前光電池的種類以及主流電池的制備方法、光伏發(fā)電的背景、光伏發(fā)電的原理，在此基礎(chǔ)之上了解相關(guān)的光電池的社會(huì)應(yīng)用。本論文設(shè)計(jì)確定了如下的基本思路：1.硅光電池特性研究；2.光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的背景；3.光伏發(fā)電的原理；4.光電池的制備方法；5.光電池的社會(huì)應(yīng)用；由于本人水平有限，加之時(shí)間緊迫，不妥之處、疏漏的地方是難免的，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正，謝謝。關(guān)鍵詞：硅光電池；光伏發(fā)電；太陽能電池目 錄1 光電池的基礎(chǔ) .11.1 光電池發(fā)展歷史 .11.2 半導(dǎo)體材料與理論 .21.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能 .32 硅光電池特性研究 .42.1 硅光電池的基本原理 .42.2 硅光電池的主要特性 .52.2.1 硅光電池的主要參數(shù)和照度特性 .52.2.2 硅光電池的負(fù)載特性 .52.2.3 硅光電池的光譜特性 .62.2.4 硅光電池的溫度特性 .62.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn) .72.3.1 測量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性 .72.3.2 測量硅光電池的負(fù)載特性 .93 光電池的制造 .113.1 表面絨面化 .113.1.1 絨面受光面積 .113.1.2 絨面反射率 .123.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 .123.3 SiN 鈍化與 APCVD 淀積 TiO2.123.4 PECVD 淀積 SiN.133.5 共燒形成金屬接觸 .133.6 電池片測試 .143.6.1 光電池的測試原理 .144 光電池的應(yīng)用 .164.1 光電池的運(yùn)用范圍 .164.2 光電池的種類 .174.2.1 硅 光 電 池 .174.2.2 多 元 化 合 物 薄 膜 光 電 池 .174.2.3 聚 合 物 多 層 修 飾 電 極 型 光 電 池 .184.2.4 納 米 晶 光 電 池 .184.2.5 有 機(jī) 光 電 池 .184.3 光電池家庭化的應(yīng)用 .184.4 光電池的市場與應(yīng)用 .194.5 我國光電池的發(fā)展?fàn)顩r與新進(jìn)展 .20總結(jié) .22參考文獻(xiàn) .23致謝 .2401 光電池的基礎(chǔ)1.1 光電池發(fā)展歷史從 1839 法國科學(xué)家 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏現(xiàn)象）算起，光電池已經(jīng)經(jīng)過了 160 多年漫長的發(fā)展歷史。從總的發(fā)展來看，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用。對(duì)光電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家關(guān)于單晶硅光電池的研制成功，在光電池發(fā)展史上起到了里程碑的作用。至今為止，光電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒有改變，光電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)， 如非晶硅光電池、 CIS 光電池、CdTe 光電池和納米敏化光電池等，此外主要的是生 產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅光電池生產(chǎn)工藝的成功開發(fā)，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等。具體的發(fā)展時(shí)段如下：-1839 法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng),簡稱為光伏效應(yīng)；-1877 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒 (Se) 的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽電池；-1883 美國發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽電池的原理；-1904 Hallwachs 發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅 (Cu/Cu2O) 結(jié)合在一起具有光敏特性；-1918 波蘭科學(xué)家 Czochralski 發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝；-1921 德國物理學(xué)家愛因斯坦由于 1904 年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎(jiǎng)； -1930 B. Lang 研究氧化亞銅/銅 (Cu/Cu2O) 太陽電池，發(fā)表“新型光伏電池”1論文；-1932 Audobert 和 Stora 發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)象；-1953 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich 博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各 類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算；-1954 RCA 實(shí)驗(yàn)室的 P.Rappaport 等報(bào)道硫化鎘(CdS) 的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國無線電公司 )；-1957 Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； D. M. Chapin，C.S.Fuller 和 G.L.Pearson 獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)；-1959 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到 10%， 并通過用網(wǎng)柵電極來顯著 減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6 號(hào)發(fā)射，共用 9600 片電池列陣，每片 2 平方厘米,共約 20W；-1972 法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電；-1997 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 125.8 MW；-2001 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等報(bào)道碲化鎘 （CdTe）電池效率達(dá)到 16.4%；單晶硅太陽電池售價(jià)約為 3 USD/W ；-2003 太陽電池年產(chǎn)量超過 760 MW；-2004 太陽電池年產(chǎn)量超過 1200 MW； 德國 Fraunhofer ISE 多晶硅太陽電池效率達(dá) 20.3%; 非晶硅電池占市場份額 4.4%,降為 1999 年的 1/3， CdTe 占 1.1%; 而 CIS 占 0.4%；-2010 通過技術(shù)突破，太陽電池成本進(jìn)一步降低，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德國可再生能源發(fā)電達(dá)到 12.5%；1.2 半導(dǎo)體材料與理論 2光電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件。至今為止，與集成電路一樣，占絕對(duì)主導(dǎo)市場的光電池也是以硅材料為主的。為了全面、系統(tǒng)了解太陽電池，有必要對(duì)半導(dǎo)體材料，特別是硅材料作必要的了解。按導(dǎo)電性強(qiáng)弱，材料一般可分為三大類，即導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。1.2.1 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能（1）雜特性：摻入微量的雜質(zhì)（簡稱摻雜）能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。（2）溫度特性：溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具有正的溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。（3）環(huán)境特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象） 。（4）此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場、磁場、壓力和氣氛的作用等而變化。32 硅光電池特性研究2.1 硅光電池的基本原理光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，不用外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。它的種類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅、硫化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。它有一系列的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等。同時(shí)它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度最相近，所以，它在很多分析儀器、測量儀器、曝光表以及自動(dòng)控制監(jiān)測、計(jì)算機(jī)的輸入和輸出上用作探測元件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要地位。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的基本特性和簡單應(yīng)用作基本的了解和研究。硅光電池是一種 PN 結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)光照射到 PN 結(jié)時(shí)，由于光激發(fā)的光生載流子的遷移，使 PN 結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢，如果他與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將由光電流產(chǎn)生。RL+-硅 光 電 池 結(jié) 構(gòu) 圖光防 反 射 膜 （ siO )2硅 光 電 池 外 形 圖+-PNSiO2P-N結(jié)4（硅光電池原理結(jié)構(gòu)圖）硅光電池可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池，其中本實(shí)驗(yàn)中使用的2DR 型硅光電池屬于單晶硅光電池。下圖是常用的硅光電池的外形及結(jié)構(gòu)示意圖，為提高效率，在器件的受光面上進(jìn)行氧化，形成 SiO2 保護(hù)膜，以防止表面反射光，并且表面電極做成梳妝，減少光生載流子的復(fù)合機(jī)會(huì)。單晶硅光電池的轉(zhuǎn)換率一般在 10%左右，最高可達(dá) 15%20%。目前，使用較廣發(fā)的太陽能電池屬于多晶硅光電池，轉(zhuǎn)換率約為 7%。多晶硅光電池采用價(jià)格低廉的多晶硅作材料，而且可用簡單的真空涂鍍法制造，其大小不受晶體的大小限制，可制作大面積光電池。2.2 硅光電池的主要特性2.2.1 硅光電池的主要參數(shù)和照度特性開路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動(dòng)勢稱為開路電壓，開路電壓與入射光照度的特性曲線稱為開路電壓曲線。短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路時(shí)所輸出的光電流值稱為短路光電流。光電流密度與照度的特性曲線稱為短路電流曲線。圖 a 為硅光電池的開路電壓曲線和短路電流曲線，其中曲線 1 是負(fù)載電阻無窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線 2 是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x 時(shí)就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。 5圖 a 硅光電池的光電特性（ 1開路電壓特性曲線 2短路電流特性曲線）2.2.2 硅光電池的負(fù)載特性硅光電池的伏安特性與最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流 I和硅光電池兩端的電壓 U 相應(yīng)地變化，稱為硅光電池的伏安特性。當(dāng)負(fù)載電阻取某一值時(shí)，其輸出功率最大，這稱為最佳匹配，此時(shí)所用的電阻稱為最佳匹配電阻。硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻等于開路電壓除以短路電流?？梢杂^察到光照面積不同時(shí)，硅光電池的內(nèi)阻將發(fā)生變化。2.2.3 硅光電池的光譜特性在入射光能量保持一定的情況下，短路電流與不同的入射光頻率（波長）之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。圖 b 為硅光電池光譜特性曲線，從曲線可看出，硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 圖 b 硅光電池光譜特性2.2.4 硅光電池的溫度特性硅光電池的開路電壓、短路電流隨溫度變化的曲線表征了它的溫度特性。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。6圖 c 為硅光電池的溫度特性曲線，圖中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。圖 c 硅光電池溫度特性（1開路電壓 2短路電流）2.3 硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)儀器：實(shí)驗(yàn)用具：電位差計(jì)、硅光電池（2DR65 型，面積 =15nm2，光強(qiáng) 100mW/cm2,溫度為 20時(shí)，開路電壓大于 500mV，短路電流為3155mA，光譜峰值在 0.451.1um 范圍內(nèi)） ，光源，聚光透鏡，檢流計(jì)，濾色片，偏振片，開關(guān)等。2.3.1 測量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性 1.把入射光擋掉，把檢流計(jì)打到“1”擋，然后把檢流計(jì)調(diào)到零。2.點(diǎn)亮白熾