ｉ制出单
晶硅生长结光电池ｉ １９５４年美国贝尔电话实验室研制出了第一个实用的硅太阳能 华南理工大学硕士学位论文
电池。自这一块太阳能电池问世以来，太阳能电池得到了飞速发展，仅仅经过４０ 多年的时间，目前已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊 领域的重要电源，已经被广泛应用于航天、农业灌溉、交通导航、微波中继、电 视转播、边远通讯、军事国防及偏僻山村和家庭等多个领域，并将进一步发展成 为２１世纪世界能源舞台上的主要成员之一。 太阳能电池发展现状：经过４０多年的努力，人们为太阳能电池的研究、发展 与产业化做出了巨大的努力。从本世纪７ ０年代中期开始地面用太阳能电池商品 化以来，全世界太阳能电池年产量以每年平均１８％的速度增加，两同时其生产成 本却以每年平均７．５％的速度下降ｕ１。由于晶体生长工艺的改进、对缺陷和杂质 的深入研究、应用吸杂等技术，使彳寻铸造多晶硅的效率得到了显著的提高。表卜ｌ 给出了地面用太阳能电池组件的成本与价格和商品太阳能电池组件效率的进展情 况（其中２０１０年为预计值）。 表１－１地面用太阳能电池组件的成本／价格（美元）和效率（％）【３ｌ
Ｔａｂｌｅｌ一１ Ｔｈｅ ｃｏｓｔ／ｐｒｉｃｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｆ Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｇｒｏｕｐｗａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄ 种 年
１９９０ １９９５ 份
‘２０００ 类
２０１０（预计） 成本／价格 成本／价格 效率 （％） 成本／价格 效率 （％） 成本／价格 效率 （％） ｃ－Ｓｉ
３．２５／５．４０ ３．００／５．００ ２．４０／４．００ ２．２５／３．７５ １５ １４
１．５０／２．５０ １．５０／２．５０ １８ １６
１．２０／２．００ １．２０／２．００ ２２ ２０ 多晶 硅
ａ－Ｓｉ
３．００／５．００
２．００／３．３３ ２．００／３．３３ ９ １０
１．２０／２．００ ｌＯ １２
０．７５／１．２５ １４ 薄膜 硅
ＣＩＳ ＣｄＴｅ １．２０／２．００ ０．７５／１．２５ １５
２．００／３．３３ １．５０１２．５０ ９ ７—９
１．２０／２．００ １＿２０／２．００ １２ １２
０．７５／１．２５ ０．７５／１．２５ １４ １５
在民用方面，近有报道：荷兰～家电力公司投资１３００万美元，要建造５００ 套装有Ｐｖ嵌板的住房。２００１年完工时，可从太阳得到１．３ＭＷ的功率，足以供给 该住房区能量需求的６０％，其余部分由电网承担。当地的日照比世界平均日照还 短，由上述Ｐｖ装置提供的电比电网供电约贵４倍。该公司和地方当局承诺对差额 给予补贴，旨在促进太阳能应用的发展。随着技术的进步，ＰＶ发电的价格可望降 低．太阳能的利用也将加速。有人预计在下５～１０年有可能将ＰＶ发电商业化，我 ２
国太阳能发电的工作还处于开发初期，特别是在西部大开发中，一些太阳能发电 的开发项目已经启动。一种有效利用太阳能充电的新一代手机电池板已经在上海
问世?它既可用一般电源充电，也能在缺乏电源或充电器的情况下通过太阳电池 充电。在太空应用方面，美国的“赫利俄斯”号太阳能飞行器创下目前非火箭驱 动飞行器飞行高度的新记录，达到２８．９５Ｋｍ。它实际上是一个翼长７５ｍ、利用太阳 能动力的单翼飞行器。它装有１４个由１４９１．４Ｗ的发动机推动的小螺旋桨．发动机 的动力来自飞翼上６．５×１０ ４个ｃ—Ｓｉ太阳能电池。研制它的目的主要是为了帮助
设计未来用于火星场合的飞行器，有助于对火星进行勘测。由于太阳能飞行器可 以连续飞行，无须补充燃料，即使是在地球环境中也可用作广播和通信中继或气 象预测。
随着相关科学技术的发展和其他太阳能电池工艺的日趋成熟，太阳能电池的 成本将成为制约太阳能电池发展的主要因素。在太阳能电池的研制历程中曾使用 过各种半导体。硅是其中最重要的～种。硅是单元素半导体，无毒，废弃硅对环 境没有污染。在各种硅太阳电池中，晶体硅电池一直占据着最重要的地位。在硅 太阳电池中，目前发展较为成熟的有单晶、非晶及多晶硅太阳电池，但由于制作工 艺复杂．使得生产成本一直居高不下。经过几十年的研究
后。大块晶片型太阳能 电池的成本仍然太高，产品太贵．造成太阳能发电系统产生的电力无法与传统的 电力相竞争１４－７］。因而．由于成本问题和抗辐射能力，单晶体太阳能电池的应用 受到限制。多晶硅薄膜电池由于具有较高的转换效率和大幅度降低成本的潜力而 逐渐成为人们研究的热点［Ｚ－ＩＯＩ。然而即便如此，硅太阳能电池的成本还是一直居 高不下，从工商业产品发展的角度考虑，低成本、高效率、大面积的薄膜太阳能 电池的开发工作才有实际意义的。因此薄膜太阳能电池由于其成本相对较低而成 为今后太阳能电池的主要发展方向ｐ”。在滓膜太阳能电池中，ＣｕｌｎＳｅ，／ｃｄｓ电池 以其廉价、高效、近于单晶硅太阳电池的稳定性和较强的空间抗辐射性能而得到 各国光伏界的重视，成为最有前途的新一代太阳电池。在ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电 池的各种制备方法中．磁控溅射和硒化退火方法更能满足制备Ｃｕ—ｒｉｃｈ和Ｉｎ—ｒｉｃｈ 双层结构的要求，同时该方法还适合于大面积的生产，因此，研究磁控溅射和硒
化工艺制备高效率的ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池，并实现商业化生产，是 ＣｕＩｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池发展的必然趋势。
由于现在国内对ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池的研究还处于试验阶段．都在大力 探索规模化生产的工艺。因此，谁能抢先占领这个制高点，谁就能抢先占领这个 ＣｕＩｎＳｅ，／ＣｄＳ太阳能电池巨大的市场。所以研究适合ＣｕｌｎＳｅ ２／ＣｄＳ太阳能电池的 规模化生产的磁控溅射和硒化工艺势在必行，这必将极大地促进我国太阳能产业 的发展。而目前我国在太阳能电池的开发利用上远远落后于国际水平．整体处于 产量小、应用面窄、产品单一、技术较落后、太阳能电池平均转换效率不高的初 华南理工大学硕士学位论文
级阶段。因此，应该积极开展太阳能电池的研究与开发。在提高太阳能电池的转
换效率的同时，降低成本．实行大规模生产。努力将科研成果转换为社会经济效 益，这对我国国民经济的发展具有重要的意义。 １．２太阳能电池的简介 迄今为止，已经研制出了很多种类的太阳能电池。太阳能电池按结晶状态可 分为结晶系膜式和非结晶系膜式两大类，两前者又分为单结晶型和多结晶型。按 材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型，化合物半导体薄膜型 又分为非结晶型（ａ—Ｓｉ：Ｈ，ａ—Ｓｉ：Ｈ：Ｆ）、ＩＩＩ～Ｖ族（ＧａＡｓ，］ｎＰ）、ＩＩ一Ⅵ族（ＣｄＳ
系）和磷化锌（Ｚｎ、Ｐ，）等。除了以上介绍的单面太阳能电池以外，美国科学家 最近研制出一种双面太阳能电池，其每平方米的发电量可达２７２Ｗ。这种双面太阳 能电池使用了单晶硅材料，正反两面都采用了用以捕捉光线的ＰＮ结结构，因此两 面都能把太阳能转换成电能。这种双面太阳能电池正面的光电转换效率为２１．３％， 背面则为从各个角度反射过来的太阳反射光，其光电转换效率为１９．８％。假定只 有］／３的太阳光能够通过反射照到太阳能电池上，那么双面太阳能电池整体的光 电转换效率可达２７％【１”。 硅薄膜型太阳能电池从单晶硅太阳能电池发展到非晶硅太阳能电池、多晶硅 太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池，以及后来发展的化合物半导体薄膜型太阳 能电池，其制造工艺不断创新，成本也大幅度降低。 下面主要从材料方面来介绍太阳能电池的种类。 １．２．１单晶硅太阳能电池 作为商业用的太阳能电池，晶体硅太阳能电池从技术、工艺上讲都最成熟? 产量也最大。澳大利亚新南威尔士大学光伏器件及研究中心是这一研究领域中最 突出的代表，他们研制的电池，效率高达２４％邮’。美国、德国、日本等国高效电 池的效率也都超过２０％１１４－１６］。这些研究成就的意义不仅为降低晶体电池成本提供 了更大可能，同时对开发高效薄膜多晶电池，从而大幅度降低电池成本具有重要 意义。
但由于单晶硅太阳能电池制做工艺复杂，使得生产成本一直居高不下，远不 能达到大规模推广应用的要求。因而由于成本问题和抗辐射能力，单晶硅太阳能 电池的应用受到限制。 ４
一一一． 苎二兰堕丝
１．２．２非晶硅太阳能电池
为了改善单晶硅太阳能电池成本高这一缺点，人们开始研究非晶硅（ａ—ｓｉ） 太阳能电池，非晶硅太阳电池成本低，便于大规模生产，正是由于这种经济上的 优势使非晶硅太阳能电池在整个太阳能电池领域中的地位迅速升高，成为～些发 达国家能源计划的重点。
自１９７６年制备出第一个（ａ—Ｓｉ）太阳电池实验样品（ＲＣＡ公司）后，１９８０ 年在日本便诞生了ａ—ｓｉ太阳电池商品化产品（三洋公司等），到１９８７年，ａ—ｓｉ 太阳电池的产量就占到世界光伏产品总量的３０％以上。然而，自１９８７年以后ａ—Ｓｉ 太阳电池的市场出现徘徊，其产量虽然也逐年有所增加，但增加的速度远小于晶 体硅太阳电池。至今ａ—Ｓｉ太阳电池的应用仍主要在消费品类型方面。而更广大的 应用市场，即作为能源的功率型应用市场尚未完全打开。影响功率型应用的主要 问题是ａ—Ｓｉ太阳电池的光致不稳定性。近年来，世界上许多公司竞相研发半透明 太阳电池、弱光太阳电池、柔性太阳电池，并取得了很大的进展［ｔ ＴＩ。 非晶硅太阳能电池的稳定效率一般为６～９％，由于其中存在有大量的Ｈ（约 １０％），随着时间的推移，电池的性能将不可避免地要退化．电池的寿命会因此而 大大缩短，通常小于单晶硅和多晶硅太阳能电池的一半，即约１０年左右。因此． 非晶硅太阳能电池作为一种廉价的半导体光电转换器件受到人们的普遍重视，但 其本身存在的稳定性问题却成了推广应用的主要障碍。 １．２．３多晶硅太阳能电池
多晶硅代替单晶硅可降低太阳电池的成本．但多晶硅材料中存在大量的晶界 缺陷和由于生产过程中的应力等因素造成的晶粒内部缺陷。这些缺陷形成了有害 的电复合中心，从而影响多晶硅太阳电池中光生载流子的传输，导致电池性能下 降。
近年来，在晶体硅太阳电池提商效率和降低成本方面取得了巨大成就和进展。 埋栅电池是其中最成功的范例之一，它具有规模化生产的前景，是一种较实用的 低成本高效电池技术。埋栅技术具有栅线阴影面积小、接触电阻损失少、较高的 电流收集效率等优点，机械刻槽还便于实现机械化生产。这项工作已经取得了一
定的进展，在标准测量条件（ＡＭｌ．５，ｌＯＯｍＷ／ｃｍ ２，２５℃）下，４ｃｍ ２电池的转换效
率达１８．４７％㈣。 华南理工大学硕士学位论文
１．２．４多晶硅薄膜太阳能电池
单晶和多晶硅体太阳能电池的特点是转换效率高、寿命长和稳定性好，但成 本较高。对于单晶单晶硅和多晶硅太阳能电池，其成本的一半左右来自硅材料本
身。要降低电池的成本首先要降低材料所占的成本。尽管人们已能生产面积较大
（２５ｃｍＸ ２５ｃｍ）而又较薄的硅片，但由于生产操作和成品率的要求，要使目前的
硅材料的厚度从３００ ｕ
ｍ左右进一步降低的空间是非常有限的。
多晶硅薄膜太阳能电池是兼具单晶硅和多晶硅电池的高转换效率和长寿命等 优点的新一代电池。在多晶硅薄膜太阳能电池技术商业化研究开发方面，代表世 界最高水平的澳大利亚Ｐａｃｉｆｉｃ Ｓｏｌａｒ，于２００１年９月宣布研制成了转换效率超
过７％的多晶硅薄膜太阳能电池小组件。 多晶硅薄膜电池的转换效率已高于非晶硅薄膜电池的转换效率，不过躁单晶 硅和多晶硅电池比较起来，非晶硅电池的转换效率还有一定的差距。
１．２．５多晶薄膜太阳能电池
发展低成本的多晶薄膜太阳电池材料，有望解决日益严重的能源危机。用于 太阳电池的多晶薄膜材料主要有：ｐｃ－－Ｓｉ、ＣｕｌｎＳｅ，和ＣｄＴｅ。
ＣｄＴｅ基电池结构简单，容易实现规模化生产．成本相对低廉，是近年来国内 外的研究热点。其沉积技术有近空间升华法（ＣＳＳ）、电化学沉积法、物理气相沉 积法等。ＣｄＳ、ＣｄＴｅ薄膜的制备技术有真空蒸发法、溅射法、近空间升华法、元 素汽相化合法、电化学沉积法等““。 １．２．６纳米晶电池
纳米晶电池是一种光电化学式电池，是由Ｇｒａｔｚｅｌ在１９９１年首先提出来的”“， Ｇｒａｔｚｅｌ受到绿色植物光合作用的启发，研制出了一种纳米晶染料增感太阳能电 池，在某种意义上讲这种纳米晶电池可以说成是具有绿色植物光合作用的“人造 树叶”，有人将其称为分子电子器件?１。纳米晶电池的结构如图卜１所示； ６
第一章绪论
圈１—１纳米晶电池结构图 Ｆｉｇ．１—１
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＮＰＣ
纳米晶电池（ＮＰＣ）主要由以下几部分组成：镀有透明导电膜（掺Ｆ的ＳｎＯ，） 的导电玻璃、多孔纳米Ｔｉ ０：或Ｐｂ，Ｌａ。ＴｉＯ，膜、染料光敏化剂、固体电解质膜 以及起多重作用的铂电极。ＮＰＣ电池的工作原理同常规硅太阳电池有很大差别。 硅太阳电池的主要成分是Ｓｉ，它的带隙为１．２ｅＶ，在可见光范围内即可将它激发， 在蹦结电场作用下产生电流；而ＮＰＣ电池，由于Ｔｉ ０，的带隙３．２ｅＶ，可见光不 能将它激发，若在Ｔｉ ０，表面吸附特性良好的染料光敏化剂，则染料分子在可见 光的作用下通过吸收光能而跃迁到激发态，由于激发态不稳定，通过染料分子与 Ｔｉ
０，表面的相互作用。电子很快跃迁到较低能级的Ｔｉ Ｏ，导带。进入Ｔｉ ０，导带 的电子最终将进入Ｓｎ ０，导电膜，然后通过外回路产生光电流。纳米晶电池的原 理如图卜２所示。
图卜２纳米晶电池工作原理图
Ｆｉｇ．１—２ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃ［ｐｉｅ ｏｆ ＮＰＣ 华南理工大学硕士学位论文 １．２．７铜铟硒太阳能电池
铜铟硒太阳能电池（ＣＩＳ）是从２０世纪８０年代初发展起来的多晶薄膜电池。 它具有高效、廉价、稳定的特点。是本世纪最有发展前途的太阳能电池之一。在 众多光伏材料中，ＣＩＳ类材料以其低廉的造价，优良的户外稳定性以及高的光电 转换效率，成为未来太阳能电池的主选材料，受到世界各国的关注。ＣＩＳ是ＣｕＩｎＳｅ， 的缩写，是一种Ｉ—ＩＩ