太陽能電池的結(jié)構(gòu)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(shí)用化太陽能電池在美國貝爾實(shí)驗(yàn)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(jī)，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(hù)以及資源可再生性等優(yōu)點(diǎn)更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達(dá)國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實(shí)施龐大的光伏工程計(jì)劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機(jī)遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(kuò)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(diǎn)年份重要節(jié)點(diǎn)1954美國貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達(dá)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(dá)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(jì)劃”1995咼效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達(dá)32%。1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃日本提出“新陽光計(jì)劃”

1998單晶硅太陽能電池效率達(dá)到24.7%，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計(jì)劃”2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計(jì)劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池。二）、太陽能電池的種類單晶硅衣陽能電池*晶體硅衣陽能電池7多晶硅衣陽能電池*非晶硅衣陽能電池h按基本材料分糞多晶硅薄膜末陽能電池*h按基本材料分糞多晶硅薄膜末陽能電池*徴晶硅薄膜衣陽能電起納米晶硅薄膜衣陽能電池衣陽能電起+-GaAs衣陽能電池*-CIS（硒、錮、銅）衣陽能電池*-CdTe衣陽能電池1-InP衣陽能電池硒光電弛化合物衣陽能電想有機(jī)半導(dǎo)體衣陽能電池注：*者為目前主要的衣陽能電起——空間衣陽能電池）、按用途分 地面衣陽能電起 伏傳感器—平板衣陽能電池按工作方式分糞 光衣陽能電起—分光衣陽能電池（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?；静牧蠟镻型單晶硅，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(jìn)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)出光生電子一空穴對。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(xiàn)。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。2cm1cmlrr-住常耳?1cmlrr-住常耳??惜電tKai?太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及工作原理（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。圖2：晶體硅衣陽能電也的制造工藝流程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。制備絨面：用堿溶液對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。磷擴(kuò)散：采用涂布源(或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源)進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN+結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。周邊刻蝕：擴(kuò)散時在硅片周邊表面形成的擴(kuò)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(kuò)散層。去除背面PN+結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN+結(jié)。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,AI2O3,SiO,Si3N4,Ti02,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。、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(103x103)mm2、(125x125)mm2、(156x156)mm2和(210x210)mm2的方片。目前的主流仍是(156x156)mm2,2007年將過渡到(210x210)mm2為主流芯片。最近德國已推出了代表國際最先進(jìn)的(210x210)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。、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(dá)到了最高轉(zhuǎn)換效率為24.7％,目前世界技術(shù)先進(jìn)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(jìn)產(chǎn)品的效率為15－18％。2、 非晶體硅太陽能電池：a—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(dá)29.5％，一般在19.5％左右。產(chǎn)品具有耐高溫和抗輻射特點(diǎn)，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(dá)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(dá)30％，目前國際先進(jìn)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314.428.62多晶硅平板電池669.256.03非晶硅（室內(nèi)室外）47.13.94帶硅電池41..03.45CdTea（碲化鎘）電池13.01.16CIS（銅銦硒）3.00.257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(xiàng)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(jī)制。（3） 合理設(shè)計(jì)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(qiáng)鈍化。（6） 合理的電極接觸設(shè)計(jì)以達(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)口電子級多晶硅每公斤為22—25美元，而2006年進(jìn)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(dá)4至5個之多。上海通用硅有限公司和上?？返た斯荆ê腺Y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（