1、2 太陽電池基礎(chǔ).txt35溫馨是大自然的一抹色彩，獨具慧眼的匠師才能把它表現(xiàn)得盡善盡美；溫馨是樂譜上的一個跳動音符，感情細膩的歌唱者才能把它表達得至真至純 本文由kbill1987貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 2太陽電池基礎(chǔ) 太陽能光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽電池。本章分別對太陽電池發(fā)展歷史、半導(dǎo)體 材料與理論、硅片的生產(chǎn)、太陽電池原理、太陽電池工藝、太陽電池理論分析、太陽電池 表征、太陽電池分類和太陽電池的發(fā)展等有關(guān)內(nèi)容進行介紹。鑒于目前占生產(chǎn)、市場和應(yīng) 用主導(dǎo)地位的是晶體硅太陽電池，本書按以上章節(jié)的編排順序，主要是對晶體硅太陽

2、電池 原理、工藝和發(fā)展進行比較系統(tǒng)、全面的描述。 2.1. 太陽電池發(fā)展歷史 從 1839 法國科學家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，太 陽電池已經(jīng)經(jīng)過了 160 多年漫長的發(fā)展歷史1。 從總的發(fā)展來看， 基礎(chǔ)研究和技術(shù)進步都起 到了積極推進的作用。對太陽電池的實際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實驗室三位科 學家關(guān)于單晶硅太陽電池的研制成功， 在太陽電池發(fā)展史上起到了里程碑的作用2。 至今為 止，太陽電池的基本結(jié)構(gòu)和機理沒有改變，太陽電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)， 如非晶硅太陽電池、CIS太陽電池、CdTe太陽電池和納米敏化太陽電池等，此外主要的是生 產(chǎn)

3、技術(shù)的進步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅太陽電池生產(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)工藝的高度自動化等。回顧歷史有利于我們了解光伏技 術(shù)的發(fā)展歷程，按時間的發(fā)展順序，將與太陽電池發(fā)展有關(guān)的歷史事件匯總?cè)缦拢?-1839 法國實驗物理學家 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

4、一起具有光敏特性；德國物理 學家愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文； -1918 波蘭科學家 Czochralski 發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝； -1921 德國物理學家愛因斯坦由于 1904 年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾 （Nobel）物理獎； -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”論文； W.Schottky 發(fā)表“新型氧化亞銅 (Cu2O) 光電池”論文； -1932 Audobert 和 Stora 發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)象； 33 -1933 L.O. Grondahl 發(fā)表“

5、銅-氧化亞銅 (Cu-Cu2O) 整流器和光電池”論文； -1951 生長 p-n 結(jié)，實現(xiàn)制備單晶鍺電池； -1953 Wayne 州立大學 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)換效率的第一個理論計算； -1954 RCA 實驗室的 P.Rappaport 等報道硫化鎘(CdS) 的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國無線電公司)； 貝爾 (Bell ) 實驗室研究人員 D. M. Chapin，C. S. Fuller 和 G. L. Pearson 報道 4.5%效率的單晶硅太陽電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月

6、后效率達到 6%。 -1955 西部電工 (Western Electric) 開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利。 在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman 電子推出效率為 2%的商業(yè)太陽 電池產(chǎn)品，電池為 14 毫瓦/片，25 美元/片，相當于 1785 USD/W ； -1956 P.Pappaport, J.J.Loferski 和 E.G.Linder 發(fā)表“鍺和硅 p-n 結(jié)電子電流效 應(yīng)”的文章； -1957 Hoffman 電子的單晶硅電池效率達到 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)； -1958 美

7、國信號部隊的 T. Mandelkorn 制成 n /p 型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻 射能力強，這對太空電池很重要；Hoffman 電子的單晶硅電池效率達到 9%；第 一個光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1 號發(fā)射，光伏電池 100 平方厘米，0.1 W，為 一備用的 5 毫瓦的話筒供電； -1959 Hoffman 電子實現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達到 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)星探險家 6 號發(fā)射，共用 9600 片電池列陣，每片 2 平方厘米,共約 20W； -1960 Hoffman 電子實現(xiàn)單晶硅電池效率達到 14%； -1962 第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星 Tel

8、star 發(fā)射，所用的太陽電池功率 14 W； -1963 Sharp 公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝 242 W 光伏電池列陣， 在當時是世界最大的光伏電池列陣； -1964 宇宙飛船“光輪發(fā)射” ，安裝 470 W 的光伏列陣； -1965 Peter Glaser 和 A. D. Little 提出衛(wèi)星太陽能電站構(gòu)思； -1966 帶有 1000 W 光伏列陣大軌道天文觀察站發(fā)射； 34 -1972 法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學校安裝一個硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電； -1973 美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅； -1974 日本推出光伏發(fā)電的 “陽光計劃” Tyco

9、實驗室生長第一塊 EFG 晶體硅帶， mm ； 25 寬，457 mm 長（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定邊喂膜生長） ； -1977 世界光伏電池超過 500 KW；D.E.Carlson 和 C.R.Wronski 在 W.E.Spear 的 1975 年控制 p-n 結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個非晶硅（a-Si）太陽電池； -1979 世界太陽電池安裝總量達到 1 MW； -1980 ARCO 太陽能公司是世界上第一個年產(chǎn)量達到 1 MW 光伏電池生產(chǎn)廠家；三洋電氣公司 利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計算器，接著完成了 a-Si 組件批量生產(chǎn)并進

10、行 了戶外測試； -1981 名為 Solar Challenger 的光伏動力飛機飛行成功； -1982 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 9.3 MW； -1983 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 21.3 MW；名為 Solar Trek 的 1 kW 光伏動力汽車穿 越澳大利亞，20 天內(nèi)行程達到 4000 公里； -1984 面積為 1 平方英尺（929 cm2）的商品化非晶硅太陽電池組件問世； -1985 單晶硅太陽電池售價 10 USD/W；澳大利亞新南威爾士大學 Martin Green 研制 單晶硅的太陽電池效率達到 20%； -1986 6 月，ARCO Solar 發(fā)布 G-4000世界首

11、例商用薄膜電池“動力組件” ； -1987 11 月，在 3100 公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV-動力 汽車競賽上，GM Sunraycer 獲勝，平均時速約為 71 km/h； -1990 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 46.5 MW； -1991 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 55.3 MW；瑞士Gr?tzel教授研制的納米TiO2染料敏化 太陽電池效率達到 7%; -1992 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 57.9 MW； -1993 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 60.1 MW； -1994 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 69.4 MW； -1995 世界太陽電

12、池年產(chǎn)量超過 77.7 MW；光伏電池安裝總量達到 500 MW； -1996 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 88.6 MW; -1997 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 125.8 MW； 35 -1998 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 151.7 MW；多晶硅電池產(chǎn)量首次超過單晶硅； -1999 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 201.3 MW； 美國 NREL 的 M.A.Contreras 等報道銅銦錫 （CIS） 電池效率達到 18.8%；非晶硅電池占市場份額 12.3%； -2000 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 287.7 MW，安裝超過 1000 MW，標志太陽能時代到來； -2001 世界太陽電池年產(chǎn)量超過

13、399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等報道碲化鎘 （CdTe）電池效率達到 16.4%；單晶硅太陽電池售價約為 3 USD/W； -2002 世界太陽電池年產(chǎn)量超過 540 MW；多晶硅太陽電池售價約為 2.2 USD/W； -2003 太陽電池年產(chǎn)量超過 760 MW；德國 Fraunhofer ISE 的 LFC（Laserfired contact） 晶體硅太陽電池效率達到 20%; -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到 20.3%; 非晶硅電池占市場份額 4.4%,降為 1999 年

14、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)電達到 12.5%； -2020 太陽電池發(fā)電成本與化石能源相接近，德國可再生能源占 20%； -2030 太陽電池發(fā)電達到 10-20%；德國將關(guān)閉所有的核電站； -2050 世界太陽能利用將占有世界能源總能耗 30-50%份額。 -2100 以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類主要利用太陽能、氫能、 風能和生物質(zhì)能等潔凈可再生能源。人類從利用“昨日陽光”完全過渡到利用 “今日陽光”3。 我國太陽電池發(fā)展簡史：19

15、58 年我國開始研制太陽電池，1959 年中國科學院半導(dǎo) 體研究所研制成功第一片有實用價值的太陽電池；1971 年 3 月在我國發(fā)射的第二顆人 造衛(wèi)星-科學實驗衛(wèi)星實踐 1 號上首次應(yīng)用由天津電源研究研制的太陽電池；1973 年 天津港的海面航標燈上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制太陽電池，航標燈上應(yīng)用 14.7 W 的太陽電池；1979 年我國開始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽電池； 1980-1990 年期間我國引進國外太陽電池關(guān)鍵設(shè)備和成套生產(chǎn)線及技術(shù)，先后建立單 晶硅電池生產(chǎn)企業(yè)，如寧波太陽能電源廠、開封半導(dǎo)體廠、云南半導(dǎo)體廠、秦皇島華 美太陽電池廠等。 到上世紀 80 年代后期，

16、我國太陽電池生產(chǎn)能力達到 4.5 MW/年， 初步形成我國太陽電池產(chǎn)業(yè)。目前有些企業(yè)關(guān)閉，有些得到發(fā)展擴大了生產(chǎn)規(guī)模和能 力，出現(xiàn)了一些新廠，還有些企業(yè)正在籌建。2004 年我國太陽電池產(chǎn)量超過印度，年 36 產(chǎn)量達到 50 MW 以上。預(yù)計在 2005-2006 年期間，我國大陸包括正在建設(shè)的太陽電池 或太陽電池組件產(chǎn)量可達到 10 MW 以上的廠家有：無錫尚德，保定天威英利，寧波太 陽能，南京中電光伏，上海太陽能科技，云南天達和常州天合等。我國將成為世界重 要的光伏工業(yè)基地之一，特別是長江三角洲太陽電池與組件生產(chǎn)、河北、遼寧硅片與 太陽電池生產(chǎn)、天津非晶硅電池、四川多晶硅材料，珠江三角洲光

17、伏應(yīng)用產(chǎn)品、包括 非晶硅、晶硅電池等，將在我國初步形成一個光伏工業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。 我國的“可再生能源法”的頒布，將有力促進我國太陽能工業(yè)發(fā)展，特別是光伏 行業(yè)，可以預(yù)見，從現(xiàn)在起，我國光伏工業(yè)發(fā)展將進入一個新的高潮，在 3-5 年內(nèi)我 國在太陽電池研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)將在東部沿海地區(qū)形成一個世界級的產(chǎn)業(yè)基 地，將在國際太陽能光伏工業(yè)占有重要的地位。 2.2. 半導(dǎo)體材料與理論 太陽電池是以半導(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，占絕對主導(dǎo)市場的太陽電池也是以硅材料為主的。為了全面、 系統(tǒng)了解太陽電池，有必要對半導(dǎo)體材料，特別是硅材料作必要的了解。 按

18、導(dǎo)電性強弱，材料一般可分為三大類，即導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的電阻 率一般在 10-4 ?cm以下，如金、銀、銅、鋁等金屬和合金材料；絕緣體是不易導(dǎo)電的 物質(zhì)，如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等，電阻率一般在 109 ?cm以上；而半導(dǎo)體的電阻 率一般在 10-4 -109 ?cm之間，如鍺、硅、砷化鎵等。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能具有以下 一般基本特性4-6： - 摻雜特性：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； - 溫度特性：溫度也能顯著改變半導(dǎo)

19、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； - 環(huán)境特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象） 。此外，半 導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會隨所處環(huán)境的電場、磁場、壓力和氣氛的作用等而變化； 8 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性可用半導(dǎo)體的能帶理論來說明7 。物質(zhì)由原子組成，而原子 37 為一帶正電的原子核和一定數(shù)量的繞核運動的帶負電的電子組成。原子核的正電荷數(shù) 與核外電子的電荷數(shù)相同。如典型的半導(dǎo)體材料硅的原子核有 14 個正電荷，核周圍有 14 個電子。不同軌道電子離原子核的距離不同，則

20、所受的引力也不同，因而能量也不 同。離原子核近的電子所受的約束力強，電子自身具有的能量?。欢钔鈱榆壍离娮?受約束力最弱，電子具有的能量大，因此容易受到外界作用，而掙脫原子核的約束成 為自由電子。 硅原子的最外層有四個電子?？蓪⒚恳浑娮託涌醋饕粋€電子能級。最里層的有 2 個量子態(tài)，其次層有 8 個量子態(tài)，最外層也有 8 個量子態(tài)。但硅最外層只有 4 個電 子，故還有 4 個空量子態(tài)或空能級。一旦內(nèi)層電子得到能量就可能躍遷到這些空能級 上去。 硅材料通常是晶體，從晶體能帶可見，由于晶體中原子的電子軌道的交迭和電子 的共有化運動，使孤立原子的N個相同能級在晶體中分裂成N個能量略有差別的不同能 級

21、，從而形成能帶。各個能帶與單個原子的各個能級相對應(yīng)。能量較低的能帶常被電 子填滿。凡是被電子填滿的能帶成為滿帶。滿帶中能量最高的，即價電子填滿的能帶 成為價帶?？諑е心芰孔畹偷模措x價帶最近的能帶稱為導(dǎo)帶。各能帶間存在的能帶 區(qū)域稱為禁帶。通常所說的禁帶是導(dǎo)帶底與價帶頂間的能量間隔，它們的能量差稱為 禁帶寬度(Eg), 簡稱帶隙，它反映了使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的能量。從能帶 理論來看，金屬的禁帶很窄或價帶與導(dǎo)帶重疊，而絕緣材料的禁帶很寬，一般在 5 eV 以上，而常用的半導(dǎo)體材料的禁帶一般在 5 eV以下。 純硅是半導(dǎo)體，即是與具有良好導(dǎo)電性的金屬（銀、銅，鋁等）相比導(dǎo)電率很低 的材料。

22、這種材料的導(dǎo)電性非常明顯的與溫度有關(guān)。硅原子在外電子層具有四個電子， 即本質(zhì)上決定物理和化學性能的價電子。在晶體中每個硅原子通過四個價電子和四個 相鄰的原子鍵合形成結(jié)合，即共價鍵。由于鍵合外層電子被固定在相對有序的狀態(tài)， 在晶體中不能用于傳輸電荷。在絕對零度附近，即 0 K = -273 ，純硅是絕緣體。通 過輸入能量（如熱量，光）電子結(jié)合可被破壞，以至于在較高的溫度時電子被釋放并 在晶體中在一定范圍移動，可在晶體中形成電流。 通過用雜質(zhì)原子，如加入硼或者磷有控制的摻雜，就可達到改變純硅導(dǎo)電性的目 的。一個晶體硅片在一面要用磷原子，如以一個磷原子對一百萬個硅原子的比例關(guān)系 進行摻雜。磷原子在外

23、電子層有 5 個電子，在與硅晶體鍵合僅需要四個電子。第 5 個 38 電子是準自由的，在晶體中能夠移動而形成電流。通過有目的的改變摻雜的濃度，載 流子的數(shù)目和由此引起的摻雜硅的導(dǎo)電性將在本質(zhì)上由晶體中雜質(zhì)的數(shù)目來確定。因 為此時負的(negative)載流子（電子）移動形成電流，所以用磷或其它的 5 價原子摻 雜的硅被稱為 n 型硅。 相對類似的硅片的另一面應(yīng)當用硼來摻雜：硼是 3 價的原子，在外電子層只有 3 個電子。硼原子在硅晶格中缺少一個電子與第四個相鄰硅原子結(jié)合。這個空缺的位子 的被稱為“空穴”或“缺陷電子” 。一個空穴或缺陷電子的行為與 n 型導(dǎo)電硅中的多余 電子完全類似：它在晶體中

24、移動并形成電流。嚴格地講，當然不是空穴移動，而是一 個電子從相鄰鍵合處跳到空穴處，而在它原來的位子形成一個空穴。那么這個空穴的 運動方向與電子相反，因而空穴被稱為正的（positive）載流子。類似地人們稱這樣 摻雜的硅為 p 型硅。將 p 型硅與 n 型硅結(jié)合在一起，形成了所謂的“p-n 結(jié)” ，p-n 結(jié) 附近的電子和空穴的將發(fā)生擴散運動：n 型區(qū)域中的電子向 p 型區(qū)域擴散相對于 p 型 區(qū)域的空穴向 n 型區(qū)域擴散。p-n 結(jié)是半導(dǎo)體器件也是太陽電池的核心，在以下的章 節(jié)中將會進一步解釋。 根據(jù)太陽光譜實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的需求，由理論分析得知，一般太陽電池最常用的半 導(dǎo)體材料的帶隙在 1-2

25、 eV 之間，而在 1.4 eV 左右可獲得最高的光電轉(zhuǎn)化效率。半導(dǎo) 體材料分為直接帶隙和間接帶隙。直接帶隙的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底與價帶頂對應(yīng)相同的動 量值，為此，電子從導(dǎo)帶向價帶的躍遷無需動量的變化。直接帶隙半導(dǎo)體材料的光吸 收系數(shù)大，而間接帶隙的光吸收系數(shù)小，通俗地講就是，吸收同樣多的太陽光，間接 帶隙的半導(dǎo)體材料的厚度要求比直接帶隙要厚的多。如對于直接帶隙的半導(dǎo)體砷化鎵 而言，吸收全部的太陽光僅需要微米級的厚度，而晶體硅材料必須 100 m 以上才有可 能。 晶體硅材料是間接帶隙材料，帶隙的寬度(1.12 eV)與 1.4 eV 有較大的差值，嚴 格來說，硅不是最理想的太陽電池材料。但是，硅是

26、地殼表層除了氧以外的豐度排在 第二位的元素，本身無毒，主要是以沙子和石英狀態(tài)存在，易于開采提煉，特別是借 助于半導(dǎo)體器件工業(yè)的發(fā)展，晶體硅生長、加工技術(shù)日益成熟等等因素，晶體硅成了 太陽電池的主要材料。盡管如此，人類一直沒有放棄尋找和合成更合理更價廉的材料。 高純硅材料的制備過程耗能耗時，特別是晶體硅生長技術(shù)要求高，導(dǎo)致硅材料價格昂 貴。從太陽電池的實際要求來看，不需要像半導(dǎo)體集成電路或分立器件那樣對硅材料 39 的純度和結(jié)晶有那樣高的要求。 理想的太陽電池材料應(yīng)當具有以下條件： - 直接帶隙，帶隙寬度在 1.1 eV-1.7 eV 之間，接近 1.4 eV 可達到最大光電轉(zhuǎn)換效率； - 無毒

27、，在地球上豐度高； - 較好的力學性能，便于加工； - 較高的光電轉(zhuǎn)換效率； - 性能穩(wěn)定，耐候性好，具有較長的使用壽命； - 便于制備，特別是能適合大面積、薄膜化生產(chǎn)。 2.3. 硅片的生產(chǎn) 太陽電池產(chǎn)品需要高純的原料，對于太陽電池要求硅材料的純度至少是 99.99998%，即在 1 千萬個硅原子中最多允許 2 個雜質(zhì)原子存在。而對半導(dǎo)體技術(shù)要求 的純度還要高幾個數(shù)量級。硅材料是用二氧化硅（SiO2）作為生產(chǎn)原料，將此熔化并 除去雜質(zhì)就可制取粗級硅也稱冶金級硅7。類似于半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)品，必要的材料提 純處理相當昂貴和生產(chǎn)成本很高：金屬合金需要的冶金級硅（雜質(zhì)約 1-2%）大約 8-10 元/

28、kg，而太陽電池用的硅材料價格要高幾十倍。一片 100 mm x 100 mm的太陽電池要 用硅材料約 10 g左右，對應(yīng)的太陽電池的電功率為 1.3-1.5 W，這樣的話，1 MW太陽 電池需要 13 噸左右的硅材料?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是不管是單晶還是多晶硅太陽電池，都 使用大尺寸、超薄的硅片，如 125 mm x 125 mm，150 mm x 150 mm, 而厚度開始從 330 m向 240 m、220 m甚至可減少到 100 m以下。德國太陽能系統(tǒng)研究所使用 40 m 超薄硅片，制作的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率也達到 20%。這些技術(shù)的推廣使用將節(jié)省大量 的硅材料，可明顯降低太陽電池生產(chǎn)成本，有

29、利促進太陽電池工業(yè)的發(fā)展。 從二氧化硅到適用于制作太陽電池用的硅片，要經(jīng)過漫長的生產(chǎn)過程，涉及多個 生產(chǎn)工藝和過程。一般可大致分為：二氧化硅 冶金級硅 高純?nèi)葰涔?高 純多晶硅原料 單晶硅棒或多晶硅錠 硅片 太陽電池 電池組件。以下對 各個生產(chǎn)過程作一簡要描述。 高純的二氧化硅（SiO2）是硅材料的原料。我國高氧化含量的石英和硅石藏量豐 富，分布很廣，全國各地幾乎都發(fā)現(xiàn)有高品位的含氧化硅礦，SiO2的含量大都在 99% 以上。工業(yè)上是通過電弧爐，將SiO2 通過與還原劑碳反應(yīng)形成初級硅-也稱冶金級硅 40 8-9 。其基本反應(yīng)為： SiO2 + 2C = Si + 2CO 在高溫下，二氧化硅

30、與焦碳反應(yīng)，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時鐵作為催 化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開孔可將液相硅收集，凝固后可通過機 械粉碎，得到冶金級硅粉，冶金級硅粉的純度一般在 97-98%左右，其中含有大量的金 屬雜質(zhì)，如鐵、鎳、銅、鋅等等。冶金級硅的電能消耗為 12000 冶金級硅主要用于冶金或化學工業(yè)。 為了得到高純的硅材料，工業(yè)上是將冶金級硅經(jīng)過破碎研磨后成為硅粉，可通過 酸洗，再通過化學反應(yīng)變成硅的氯化物或氫化物，然后通過化學或物理提純方法純化 氯化物或氫化物。 最后采用氫還原法或熱分解法，將高純的硅的氯化物或氫化物轉(zhuǎn)變 成高純硅。 高純硅早期的生產(chǎn)是用四氯化硅（SiCl4）作為硅源

31、。SiCl4純化方法主要采用精餾 法和固體吸附法。精餾法是利用SiCl4 混合液中各種化學組成的沸點不同，將SiCl4同 其它組分分離。固體吸附法是根據(jù)化學鍵的極性來對雜質(zhì)進行分離。 硅烷（SiH4）也是一種硅源。SiH4是硅化鎂和氯化銨反應(yīng)得到一種氣體，濃度高時 在空氣中易燃易爆，因此，使用時必須稀釋，即用高純氮氣或氫氣稀釋到 3-5%沖入鋼 瓶使用。SiH4可通過減壓精餾、吸附和預(yù)熱分解等方法進行純化。 采用流化床工藝，可將硅粉與氯化氫反應(yīng)生成三氯氫硅（SiHCl3）液體，由于液 體可通過蒸餾去除雜質(zhì)，工業(yè)上采用蒸餾塔，經(jīng)過多重精餾，可得到 12 個 9 純度的三 氯氫硅，這是半導(dǎo)體和太陽

32、電池工業(yè)的高純多晶硅材料的原料。 理論上講，可采用三種方法制取高純多晶硅材料：即SiCl4, SiHCl3還原法和SiH4熱 分解法，具體的反應(yīng)過程如下： SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl SiHCl3 + H2 = Si +3HCl SiH4 = Si + 2H2 （1100-1200 ） （900-1100 ） （800-1000 ） kWh/t，即 12 kWh/kg。 從中可見SiCl4法溫度比SiHCl3高，制取SiH4時氯氣消耗量大，此種方法現(xiàn)已少用。 而SiH4法由于消耗金屬鎂等還原劑，以及SiH4法本身易燃、易爆等，在一定程度上受到 限制。但此法去除硼雜質(zhì)很有效，

33、無腐蝕性，生產(chǎn)的硅質(zhì)量高，多用于外延生長。 41 圖 2-1 西門子法生產(chǎn)高純多晶硅的示意圖 用SiHCl3生產(chǎn)高純硅時的反應(yīng)溫度要比用SiH4低。目前，高純多晶硅生產(chǎn)，工業(yè)上 廣泛采用SiHCl3還原法，也稱西門子法（圖 2-1） ，即將高純SiHCl3液體通過高純氣體 攜帶入充有大量氫氣的還原爐中，SiHCl3在通電加熱的細長的硅芯表面反應(yīng)，導(dǎo)致硅 沉積在硅芯表面，通過一周或更長的反應(yīng)時間，還原爐中的 8 mm硅芯將生長到 150 mm 左右。這樣得到的硅棒可作為區(qū)熔法生長單晶硅的原料，也可破碎后，作為直拉法生 長單晶硅的原料。 通過高純硅原料的熔化可用提拉法(Czochralski 工藝

34、)制取單晶硅棒，直徑約為 100-300 mm，長度可達 1 m 以上。單晶硅中的硅原子按確定的方式排列。通過多線鋸 可將單晶棒切成 200 -300 m 厚的硅片。一般在切割時會有 30-50%左右的硅材料損失。 由于硅片在太陽電池成本中占有很大的份額，現(xiàn)在人們發(fā)展薄片切割技術(shù)。有些廠家 已經(jīng)在用 200 m 左右的硅片制作太陽電池，實驗室也在開發(fā) 40-80m 硅片的太陽電 池生產(chǎn)技術(shù)。硅片厚度的確定是綜合兩個方面的折衷的結(jié)果：一方面材料消耗要盡可 能小的，另一方面硅片要有足夠的材料強度，由于硅片很脆，要避免在進一步的加工 過程中硅片斷裂發(fā)生。 現(xiàn)在多晶硅片廣泛用于制備太陽電池，主要是多晶

35、硅片生產(chǎn)的成本較低，并且多 晶硅片產(chǎn)量更大。用多晶硅澆鑄爐可一次得到重達 270 公斤的多晶硅錠，采用定向凝 固法可得到垂直于晶面的晶界。將硅錠可用線鋸切成邊長為 100-150 mm 不同規(guī)格的硅 磚，如重量為 240-270 kg，尺寸為 690 mm x 690 mm 的多晶硅錠，切成 100 mm x 100 mm 規(guī)格，可得到 36 塊硅磚;125 mm x 125 mm 規(guī)格為 25 塊硅磚，150 mm x 150 mm 規(guī) 42 格為 16 塊硅磚。 硅磚再通過多線切割可得到各種尺寸的多晶硅片。多晶硅片為真正的正方片，用 多晶硅片制作的太陽電池更有利于緊湊型的太陽電池組件加工。

36、 非晶硅薄膜太陽電池在消費品和建筑材料方面也得到比較多的應(yīng)用。非晶硅薄膜的制 備多用硅烷作為原料，主要可通過化學氣相沉積工藝。目前生產(chǎn)非晶硅太陽電池多采 用等離子增強化學氣相沉積，可用單室，也可多室沉積。摻雜氣體主要有硼烷和磷烷。 與晶體硅太陽電池不同， 非晶硅薄膜太陽電池在制備過程中可實現(xiàn)單體電池的內(nèi)連接， 即非晶硅電池可直接制成所需的電參數(shù)的組件形式。 2.4. 太陽電池原理 太陽電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能10-12。 在晶體中電子的數(shù)目與總是與核電荷數(shù)相一致，所以p型-硅和n型-硅對外部來說是電 中性的。如將p型-硅或n型-硅放在陽光下照射，僅是被加熱，

37、外部看不出變化。盡管 通過光的能量電子從化學鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對，但在很短的時間內(nèi)（在 s范圍內(nèi)）電子又被捕獲，即電子和空穴“復(fù)合” 。 當 p 型-材料和 n 型-材料相接，將在晶體中 p 型-和 n 型-材料之間形成界面，即 一個 p-n 結(jié)。此時在界面層 n 型材料中的自由電子和 p 型材料中的空穴相對應(yīng)。由于 正負電荷之間的吸引力，在界面層附近 n 型材料中的電子擴散到 p 型材料中，并且將 在原子作用力允許范圍內(nèi)，與 p 型材料中的電子缺乏實現(xiàn)平衡。與此相反，空穴擴散 到 n 型材料中與自由電子復(fù)合。這樣在界面層周圍形成一個無電荷區(qū)域。在之前 p 型 和 n 型材料是電中

38、性的，這樣通過界面層周圍的電荷交換形成兩個帶電區(qū)：通過電子 到p 型材料的遷移在 n 型區(qū)形成一個正的空間電荷區(qū)和在 p 型區(qū)形成一個負空間電荷 區(qū)。 至今為止，大多數(shù)太陽電池廠家都是通過擴散工藝，在 p 型硅片上形成 n 型區(qū)， 在兩區(qū)交界就形成了一個 p-n 結(jié)（即 n+/p） 。太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平 面 p-n 結(jié)。由于在結(jié)區(qū)附近電子和空穴的相互擴散，從而在結(jié)區(qū)形成一個由 n 區(qū)指向 p 區(qū)的內(nèi)建電場。 太陽電池在無光照時，在界面層附近的相反的空間電荷相互作用，使載流子的繼 續(xù)交換停止。在界面層附近的空間電荷區(qū)的厚度一般為 0.5 -1 m 左右。 對于太陽電 43 池來說

39、，界面層應(yīng)當處于硅片表面的附近位置。 如果光線照射在太陽電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在 p 型硅和 n 型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以至產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子 和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的 n 區(qū)和 空穴向帶負電的 p 區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在 p 區(qū)和 n 區(qū)之間產(chǎn)生一個向 外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅電池來說， 開路電壓的典型數(shù)值為 0.5-0.6 V。用一個電流表也可測量電流的強度。通過光照在 界面層產(chǎn)生的電子-空穴對愈多，電流愈大。界面層吸收的光能愈多和界面層即電池

40、面 積愈大，在太陽電池中形成的電流也愈大。 對于太陽電池來說，光能到電流的轉(zhuǎn)換僅是在界面層附近才是有效的。這取決于 光線在界面層周圍被吸收和盡可能地將能量傳輸給晶體。因此，太陽電池的光線入射 的一面應(yīng)該相應(yīng)做得薄一些，以便光線可幾乎無衰減的到達界面層。 總而言之，在光照條件下，只有具有足夠能量的光子進入 p-n 結(jié)區(qū)附近才能產(chǎn)生 電子-空穴對。對于晶體硅太陽電池來說，太陽光譜中波長小于 1.1 m 的光線都可產(chǎn) 生光伏效應(yīng)。對不同材料的太陽電池來說，盡管光譜響應(yīng)的范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn) 換的原理是一致的：如圖 2-2 所示，在 p-n 結(jié)的內(nèi)建電場作用下，n 區(qū)的空穴向 p 區(qū) 運動，而 p

41、區(qū)的電子向 n 區(qū)運動，最后造成在太陽電池受光面（上表面）有大量負電 荷（電子）積累，而在電池背光面（下表面）有大量正電荷（空穴）積累。如在電池 上、下表面做上金屬電極，并用導(dǎo)線接上負載，在負載上就有電流通過。只要太陽光 照不斷，負載上就一直有電流通過。 圖 2-2 晶體硅太陽電池原理示意圖 （ 代表電子、 代表空穴、光子能量 h ) 44 2.5.太陽電池工藝 這里主要介紹晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程13-15。以單晶硅電池為例：首先拉制 p型單晶硅棒，通過切片設(shè)備將單晶硅棒切成約 300 m左右的硅片，硅片要進行腐蝕、 清洗，然后將硅片置于擴散爐石英管內(nèi)，用三氯氧磷在硅片上擴散磷原子，以在p

42、型硅 片上形成深度約 0.5 m左右的n型導(dǎo)電區(qū)，在界面形成p-n 結(jié)，接著在受光面上制作 減反射薄膜，并通過真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷制作上下電極。在受光面采用柵線電極，以 便最大限度地采光。下面就太陽電池的主要制造過程：去除硅片表面損傷層、擴散制 結(jié)、等離子邊緣腐蝕、去除磷硅玻璃、沉積減反射膜、制作上下電極等工序,作一具體 說明。 硅片腐蝕：首先用NaOH腐蝕硅片，以去除硅片表面機械切痕與損傷, p型硅片每面 腐蝕深度可為 5-10 m。用Na2CO3溶液進行硅片表面絨化，現(xiàn)在常用的硅片的厚度為 200-300 m左右。去除硅片表面損傷層是太陽電池制造的第一道常規(guī)工序，目前主要 是通過化學腐蝕，此

43、法可有效地消除由于切片造成的表面損傷，同時還可以制作絨面 表面構(gòu)造，從而減少光反射。化學腐蝕常用堿腐蝕方法： Si2NaOH H2O Na2SiO32H2 具有100晶向的單晶硅片由于在化學腐蝕中表現(xiàn)的擇優(yōu)性能， （100） （111） 即 和 的腐蝕速率不同，而在表面出現(xiàn)金字塔構(gòu)造，即形成多個（111）小面，從而形成一個 陷光的表面絨面構(gòu)造，光線經(jīng)過這樣的表面至少會有 2 次機會與硅表面接觸，這樣可 有效地減少太陽光在硅片表面的反射。硅的折射率達 3.84(波長 6.5m)，光線一次與 表面接觸可高達 30%的反射，但由于金字塔構(gòu)造，第二次接觸時光線的反射就可降到 9%以下。在通過蒸鍍一層減

44、反射薄膜，甚至可將硅片表面反射率降到 1%以下。但化學 腐蝕的絨面效果對于多晶硅片不明顯，這是由于多晶硅的表面是多重取向的?，F(xiàn)在正 在研究用等離子刻蝕的方法替代化學腐蝕，也稱活性離子刻蝕，也可將多晶硅片的表 面刻蝕成比較理想的金字塔表面絨面構(gòu)造。 擴散制結(jié)：多數(shù)廠家都選用p型硅片來制作太陽電池，那么一般用POCL3液態(tài)源作 為擴散源。擴散設(shè)備可用橫向石英管或鏈式擴散爐,進行磷擴散形成n 型層。擴散的最 高溫度可達到 850-900。這種方法制出的結(jié)均勻性好，方塊電阻的不均勻性小于 10 ，少子壽命可大于 10 Ms。擴散過程遵從如下反應(yīng)式： 45 4POCL3 3O2（過量） 2P2O52CL

45、2（氣） ，2P2O55Si 5SiO 2 + 4P 近年來，SheI1 Solar 開發(fā)了新的擴散工藝，即采用紅外加熱的辦法，明顯提高 了工效，擴散速度可以達到每秒完成一片電池。 等離子邊緣腐蝕：擴散過程中，在硅片的周邊表面也形成擴散層，使電池短路， 必須除去。利用輝光放電中氟離子與硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物SiF4，可達到邊 緣腐蝕的目的。 去磷硅玻璃：用化學方法除去擴散層SiO2與HF生成可溶于水的SiF，從而使硅表面 的磷硅玻璃（摻P2O5的SiO2）溶解，化學反應(yīng)為： SiO2 6HF H2（SiF6）2H2O 減 反 射 膜 制 備 ： 采 用 等 離 子 體 增 強 化 學 氣

46、 相 沉 積 (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 技術(shù)在電池表面沉積一層氮化硅（SiNx）減反射膜，不 但可以減少光的反射，而且因為在制備 SiNx 減反膜過程中大量的氫原子進入，能夠 起到很好的表面鈍化和體鈍化的效果。這對于具有大量晶界的多晶硅材料而言，由于 晶界的懸掛健被飽和，從而降低了復(fù)合中心的作用。由于具有明顯的表面鈍化和體鈍 化作用，因此可以用比較差一些的硅材料來制作太陽電池。SiNx 薄膜起到增強對光的 吸收性的同時，氫原子對太陽電池起到很好的表面和體內(nèi)鈍化作用，從而提高了電池 的短路電流和開路電壓。 表面金屬化：太

47、陽電池制造的最后一道制作工序是印刷電極，最早是采用的真空 蒸鍍或化學電鍍技術(shù)，而現(xiàn)在普遍采用絲網(wǎng)印刷法，即通過特殊的印刷機和模板將銀 漿、鋁漿印制在太陽電池的正、背面，以形成正、負電極引線，再經(jīng)低溫烘烤、高溫 燒結(jié)，最終即可制成太陽電池。在電池的背面制作電極毫無問題，可在整個背面加上 一層薄的金屬層，為了容易焊接必要時要鍍上一層錫。但電池的正面必須保證對光線 透明，因此，電池的正面的電極呈梳子狀形式或絲網(wǎng)狀樹枝狀結(jié)構(gòu)。正面電極的形式 和厚度總是兩方面因素平衡的結(jié)果，一方面要有高的透過率，另一方面要保證柵網(wǎng)電 極有一個盡可能低的接觸電阻。對此，各生產(chǎn)廠家有許多不同的制作工藝。通常電池 片正面（負

48、極）的梳子狀電極結(jié)構(gòu)中，一般有 2 條或 3 條主電極粗線，以便于連接條 焊接，而背面往往以鋁硅合金作為背表面場，以提高開路電壓，背面（正極）也有 2 條或 3 條便于焊接的粗電極線，并往往還布滿細細的網(wǎng)格狀銀線。 絲網(wǎng)印刷技術(shù)近年來不斷改進，自動化程度不斷提高。先進的絲網(wǎng)印刷的模板采 46 用鎳板激光刻槽制成，以保證模板的耐久和柵格的精度。一般絲網(wǎng)印刷的正面電極對 光線有 7%左右的遮擋，采用先進的模板印刷工藝可減少對光的遮擋，同時接觸電阻又 有一定程度的降低，制造出的電池效率也會有所提高。 檢測分級：電極印刷后到高溫燒結(jié)結(jié)束，整個太陽電池制造過程也就完成了，在 太陽光下將太陽電池正、負極用

49、導(dǎo)線接上，就有電流通過了。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量得一 致性，通常要對每個電池測試，并按電流和功率大小進行分類，可根據(jù)電池效率，每 0.4 或 0.5 分級包裝。但要使太陽電池能很好的滿足用戶發(fā)電需要，還須將太陽電池 封裝成太陽電池組件。 2.6. 太陽電池理論分析 2.6.1. 太陽電池模型 太陽電池實際上就是一個大面積平面二極管，在陽光照射下就可產(chǎn)生直流電。實 際應(yīng)用中，太陽電池可處于四種不同的狀態(tài)： 無光照：無電壓、無電流； 有光照但短路：短路電流； 有光照但開路：開路電壓； 有光照和有負載：有電壓、有電流。 其中只有第四種狀態(tài)為有效的工作狀態(tài)。太陽電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電 路模型來說明。

50、圖 2-3 中IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強度，恒流源來自太陽輻射所激 發(fā)的過量載流子。Is是二極管飽和電流，RL是負載電阻。 圖 2-3 太陽電池的理想化等效電路模型 47 這種器件的理想 I-V 特性為 I = I S e qV / kT ? 1 ? I L ( ) （1） 式中 q 為電子電量，k 是波爾茲曼常數(shù)，T 是絕對溫度，由此可導(dǎo)出： IS ? 1 JS = = qN C NV ? A ? NA ? Dn ? ? ? ? ? ? n ? 1 2 1 + ND Dp ? ? ? p ? ? ? 1 2 ? Eg ? ? exp? ? ? ? kT ? ? ? ? ? ? （1a） 式

51、中A為p-n結(jié)面積，Nc、Nv分別為導(dǎo)帶和價帶的有效態(tài)密度，NA、ND分別為受主雜質(zhì)和 施主雜質(zhì)的濃度，Dn、Dp分別為電子和空穴的擴散系數(shù)，n 、p分別表示電子和空穴的 少子壽命，Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。根據(jù)上兩式可以畫出太陽電池的明、暗I-V特 性曲線（如圖 2.4） 。 當開路時，I=0，由（1）式得到開路電壓(open circuit voltage) VOC = Vmax = 輸出功率為 kT ? I L ? kT ? I L ? ln? + 1? ? q ln? I ? ? ? q ? IS ? ? ? S? （2） ? kV ? ? P = IV = I SV ?exp? ?

52、 ? 1? ? I LV ? ? kT ? ? 由?P/?V=0 可得最大功率的條件為 （3） Vm = kT ? 1 + (I L / I S ) ? kT ? qVm ? ln ? ln?1 + ? ? VOC ? q ?1 + qVm / (kT ) ? q ? kT ? ? ? 1 ? ? I L ?1 ? ? ? ? qVm / (kT ) ? （4） qV ? ? qV I m = I S ? m ? exp? ? kT ? kT ? 而最大輸出功率則為 （5） kT ? qVm ? kT ? Pm = I mVm I L ?VOC ? ln?1 + ? q ? kT ? q ?

53、? ? 太陽電池的理想轉(zhuǎn)換效率為 kT ? qVm ? kT ? I L ?VOC ? ln?1 + ? q ? kT ? q ? I mVm ? ? = = Pin Pin FFI LVOC Pin （6） 或 = （7） 其中Pin是入射功率，對于地面應(yīng)用的太陽電池，太陽功率密度數(shù)值為 1000 W/m2（海平 面） ；對于空間中的太陽電池，大氣層外的太陽功率密度數(shù)值為 1350 W/m2。FF是填充 因子（fill factor） ，定義為： 48 FF I mVm kT ? qV ? kT = 1? ln?1 + m ? ? I LVOC qVOC ? kT ? qVOC （8） 填充

54、因子是最大功率矩形對ISC x VOC矩形的比例，若要得到最大效率，Pin不變時，要使 （7）式中分子最大（圖 2.4） 。 明特性曲線 暗特性曲線 圖 2-4 太陽電池的明、暗特性曲線 （陰影面積對應(yīng)太陽電池的最大輸出功率） 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是電池電功率和入射光功率的比值。由于材料只能最大限度 的吸收一定波長的太陽光輻射，而太陽光譜卻是一個寬的連續(xù)譜，以及在室溫下必然 存在晶格熱振動等散射機制，太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率不可能達到 100%。 對于實際太陽電池，影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素一個是串聯(lián)電阻RS，主要包括正面 金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻和電極電阻三部分；另外一 個

55、是并聯(lián)電阻RP，主要原因是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。由于光生 電動勢使p-n結(jié)正向偏置，因此存在一個流經(jīng)二極管的漏電流，該電流與光生電流的方 向相反，會抵消部分光生電流，被稱為暗電流ID。圖 2-5 中給出了實際太陽電池的單 二極管等效電路模型。 當 負 載 被 短 路 時 ， V=0 ， I=ISC ， ISC 即 為 太 陽 電 池 的 短 路 電 流 (short circuit current)。由于此時流經(jīng)二極管的暗電流非常小，可以忽略，根據(jù)式 q (V + IRS ) ? V + IRS I = I L ? I D ? I P = I L ? I S ?e kT ?

56、1? ? RP ? ? 可得 （9） 49 I SC = I L ? I SC RS ? I SC = I L /1 + RS / RP RP （10） 由此可知，短路電流ISC總小于光生電流IL。 圖 2-5 太陽電池的單二極管等效電路模型 在對太陽電池暗I-V特性曲線擬合的過程中， 人們發(fā)現(xiàn)僅使用單二極管模型無法獲 得滿意的結(jié)果。為此，人們使用兩個二極管疊加的辦法來擬合電池的暗特性。即將基 區(qū)、發(fā)射區(qū)和空間電荷區(qū)的載流子復(fù)合電流區(qū)分開來。用I01表示體區(qū)或表面通過陷阱 能級復(fù)合的飽和電流，所對應(yīng)的二極管理想因子為n=1；用I02表示p-n結(jié)或晶界耗盡區(qū) 內(nèi)復(fù)合的飽和電流，所對應(yīng)的二極管理想

57、因子為n=2。此時，太陽電池的I-V特性方程 可寫為： + ? q (VkTIRS ) ? ? q (V2+ IRS ) ? V + IRS ? 1? ? I 02 ?e kT ? 1? ? I = I L ? I 01 ?e RP ? ? ? ? （11） 由公式可見，I01和I02項主要決定太陽電池暗特性曲線中間部分的形狀。 綜上所述，太陽電池最重要的基本參數(shù)包括：短路電流ISC、開路電壓VOC、最大工 作電壓Vm、最大工作電流Im、填充系數(shù)FF、轉(zhuǎn)換效率 、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻RP。常 用的關(guān)系式為： 填充系數(shù)： FF=VmIm/VocIsc 轉(zhuǎn)換效率：=ImVm/P=FFIscVoc/P （P - 太陽輻射功率） 對于太陽電池來說，填充系數(shù) FF 是一個重要的參數(shù)，它可反映太陽電池的質(zhì)量。 太陽電池的串聯(lián)電阻越小、并聯(lián)電阻越大，填充系數(shù)越大，反映到太陽電池的電流電壓特性曲線上是曲線接近正方形，此時太陽電池可以實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率。 2.6.2. 太陽電池的效率 50 目前，單晶硅電池可將約 16-20%的入射光線轉(zhuǎn)換為電流。在實驗室最佳的條件下 制作的電池效率已經(jīng)接近 25%。從理論講，最大的轉(zhuǎn)換效率達到 30%甚至更高也是可能 的