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太阳能光伏毕业论文太阳能光伏毕业论文目录摘要.IIIABSTRACT.IV1绪论.-1-1课题研究背景.-1-1.2太阳能的特点及优势.-2-2太阳能电池原理及结构.-4-2.1 太阳能电池基本原理.-4-2.2 太阳能电池基本结构.-6-2.3 太阳能电池主要特性.-6-2.3.1 光谱响应特性.-7-2.3.2 温度特性.-7-2.4 影响太阳能电池转换效率的因素.-8-2.5 提高太阳能电池转换效率的各种技术.-9-3太阳能电池的分类.-13-3.1 按材料分类.-13-3.2 按形态结构分类.-16-4太阳能级硅材料的制备工艺.-19-4.1 高纯多晶硅制备的传统工艺.-19-4.1.1 改良西门子法.-19-4.1.2 硅烷法.-19-4.2 单晶硅生产工艺.-20-4.2.1 切客劳斯基法(Czochralski method).-20-4.2.2 悬浮区熔法.-20-4.3 太阳能级硅制备的化学法新工艺.-21-5太阳能电池的生产工艺.-22-6太阳能电池的应用.-24-I太阳能光伏毕业论文谢辞.-28-参考文献.错误！未定义书签。29II太阳能光伏毕业论文摘要随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高，寻找洁净的替 代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生清洁能源，并可持续利用，因此有着 广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注。为了能使光伏产品得到普及，进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。提高太阳能电池转换效率，降低成本，关键是提高太阳能的利用率。本文在详细介绍太阳能电池工作原理、基本结构及主要特性 的基础上，研究了太阳能电池的加工工艺。具体内容如下:分析了太阳能电池的转换效率及 影响因素，并研究了提高太阳能电池转换效率的主要技术，如减少反射损失技术、减少载 流子损失技术和减少光透射损失技术等。关键词：太阳能；太阳能电池；转换效率III太阳能光伏毕业论文The Principle and Processing of Solar Cell Technology ResearchABSTRACTWith the increasing depletion of fossil energy,environmental protection awareness of the importance and the constant increase,look for clean alternative energy issues become more urgent.Solar energy as a renewable clean energy,and sustainable use,it has broad application prospects,photovoltaic power generation teclmology is more and more attention.In order to make photovoltaic products have been popular,and further improve efficiency,reduce costs is the development trend of photovoltaic cells.Improve solar cell conversion efficiency,reduce costs,the key is to improve the utilization of solar energy.This article describes in detail the working principle of solar cells,the basic structure and main features,based on studies of the solar cell processing technology.Details are as follows:analysis of the solar cell conversion efficiency and the impact factors and research to improve solar cell conversion efficiency of the major technologies,such as technology to reduce reflection losses,reduce the loss of carrier technologies and reduce the loss of light transmission technology.Key words：solar energy;solar cells;conversion efficiencyIV太阳能光伏毕业论文1绪论1.1 课题研究背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展,能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题,更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统计2005的统计数据,以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应 67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可 开发能源总储量约占世界总量的101。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占 58.8%,原油占3.4%,天然气占1.3%,水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的 资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由 人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%,而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题的 日益严重，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切 需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发 电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践 表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公 认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问 题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国 际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世 界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。如图1.1 所示是世界能源发展趋势图山，从图中我们可以看出，可再生能源的比重将逐渐上升，尤 其太阳能发电的应用将占到很大比重。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济 发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可 再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可 再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表 的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度 均达到30%以上。西班牙2003年风力发电机占到全国发电机总量的4%,德国在过去11 年间，风力发电增长21倍，2003年占全国发电量的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在 其能源消费结构中高达15%以上。-1-太阳能光伏毕业论文(卅、3幅旺超典料就相图L1世界能源发展趋势10021地跳 X它可内生亚源B太阳能独到闻O光伏和太郎敲热发电 Att及代生物质能的电生发，鳗力,南 传$天收五联合国气候变化框架条约缔约国签订的京都议定书在2005年2月16日生效,签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主要反映了人类应对地球变暖 这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工业国（发达国家）在2008-2012年期间将 二氧化碳等6种温室气体排放量从1990年的水平进行削减。全球削减温室气体排放的京 都议定书重新引起了世界范围内对可再生能源的重视。我国拥有丰富的新能源与可再生 能源可供开发利用，近十年来的高速经济增长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源 的开发利用，以解决能源短缺问题，保障能源供应安全。1.2 太阳能的特点及优势太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒 钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。在目前的 几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能 光化学利用，太阳能生物利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围 得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨 资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用阳。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发电方式，太阳能电 池单元是光电转化的最小单位，是太阳能发电系统的核心，其开发、生产直接影响到太阳 能发电的普及和发展。将太阳能电池单元进行串并联并封装后可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的-2-太阳能光伏毕业论文功率输出。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性：（1）取之不尽，用之不竭太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳像目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射辐 射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。也就是说太阳能至 少还可像现在这样有60亿年可以稳定地被利用。（2）就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡 造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的 地，给交通运输造成压力。（3）分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于5.04xl06kJ/m2,就有实际利用价值，若每年辐射量大于 6.3xl06kJ/m2,则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。虽然 太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的 一种能源。（4）不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如SO2,CO2等，使人类 赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其它新能源中水电、核能、地热能等，在开发 利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来 污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。（5）周而复始，可以再生在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可 再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按 照这个消耗速度，在儿十亿年时间里所生成的矿物能源将在儿个世纪内就被消耗掉。-3-太阳能光伏毕业论文2太阳能电池原理及结构2.1 太阳能电池基本原理如图2.1所示为典型太阳能电池的简单示意图。该电池受光面为高浓度掺杂的狭窄N 区。耗尽层（宽度叼一直延伸到P区，并在耗尽层形成一内建电场E。把连接N区的电极 做成栅形或指形以提高光的吸收率和减小电池的表面电阻，在电池表面镀一层减反射膜以 提高太阳光的利用率。当光照射在电池上时，由于N区（宽度乙）比较狭窄，能量大于禁带宽度Eg的大部分光 子在耗尽层和P区（宽度上p）被吸收，产生光生电子一空穴对（EHPs）o在耗尽层的光生EHPs 立即被内建电场所分离，电子漂移到达N区形成负极性区域，同时空穴漂移到达P区形成 正极性区域，于是通过接线在PN结两端形成了开路电压匕,。如果连接了负载，那么N 区的大量电子经过外电路工作，然后到达P区与大量空穴复合。其中，内建电场对分离光 生EHPs，在N区积累大量电子，在P区积累大量空穴起了关键作用-。因为没有电场的缘故，在P区被吸收的长波长光子激发的EHPs只能扩散到一定的区 域。则电子的平均扩散长度上可由（2.1）表示，其中A为电子在P区的扩散系数。4二12限（2.1）离耗尽层的距离在及范围内的那些电子能扩散到内建电场，并在内建电场的作用下漂 移到N区，因此在P区产生的光生EHPs中，只有那些离耗尽层距离在上范围内的的少数图2.1太阳能电池工作原理-4-太阳能光伏毕业论文载流子(电子)才对光伏效应起作用。一旦电子被扩散到耗尽区域，它将被E。扫到N区，增 加该区的负电荷，空穴留在P区增加该区的正电荷。而那些离耗尽层的长度大于心的光生 EHPs都被复合损失掉了。正因为此，少数载流子的扩散长度上要尽可能的长，又由于在 半导体硅中电子的扩散长度要比空穴长，所以这里选择了以P区产生的电子为少数载流子 的硅PN结。同样，在N区由短波长光子激发产生的EHPS中只有那些离耗尽层距离小于 扩散长度心的少数载流子(空穴)能到达耗尽层并被内建电场分离到P区。因此，对光伏效 应起作用的EHPs的产生发生在这样个区域：十4。如图2.2所示，在N区大量的 电子通过外电路流到P区与空穴中和，这种由光生载流子的流动产生的电流叫光电流/ph。要注意的是，在PN两端形成光生电动势后，相当于在PN结两端加上了正向电压匕 具有 普通PN结的二极管特性，正向电流为4，因此通过电池的总电流：1=(2.2)图2.2光电流产生区域由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势，他们应该满足以下三个条 件：(1)半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数。，即要求入射光子的能 量hv大于或等于半导体材料的禁带宽度Eg,使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非 平衡的电子空穴对。(2)图2.3为一些材料的吸收曲线。可以发现GaAs和非晶硅的吸收系数比单晶硅大 得多，透入深度(1/a)只有lm左右，即儿乎全部吸收入射光。所以这两种电池都可以做成 薄膜，节省材料。而硅太阳能电池，对太阳光谱中长波长的光，要求较厚的硅片(约100-300wm)才能充分吸收;对于短波长的光，只在入射表面附近区域内就己充分吸收了。(3)具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了 两种不同电荷的光生非平衡载流子，在P区积累了非平衡空穴，而在N区积累了非平衡电-5-太阳能光伏毕业论文子。产生了一个与平衡PN结内建电场相反的光生电场，于是在P区和N区间建立了光生 电动势（或称光生电压）。图2.3不同半导体材料的吸收系数与入射波长的关系2.2 太阳能电池基本结构典型的太阳能电池的结构如图2.4所示。硅的PN接合处，被夹在上、下两个金属接触 层之间。上金属接触层是栅格状的，以容许光线射到PN接合之上。PN接合的顶部有一层 防反射薄层，以减少从光亮的硅表面反射出来的光线。这就是太阳能板的表面看起来很暗 淡的原因WH。隹接至夕俄电路图2.4太阳能电池结构图2.3 太阳能电池主要特性-6-太阳能光伏毕业论文太阳能电池的特性可大致分为:光伏器件特性，如光谱特性、照度特性;半导体器件特性,特性曲线如输出特性、温度特性、二极管特性等。太阳能电池的输出特性通常是指伏安（包 括开路电压、短路电流、填充因子）。以下就太阳能电池的光谱响应特性、温度特性及主要 参数作简单介绍。2.3.1 光谱响应特性光谱响应表示不同波长的光子产生电子一空穴对的能力。也就是说，在阳光照射激发 作用下，太阳能电池所收集到的光生电流与到电池表面上的入射波氏有着直接的关系。光 谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时的短路电流及。；然后依次 改变单色光的波长，再重新测量电流。光谱响应曲线有时候称为量子效率（外量子效率）曲线,也可以用收集效率（内量子效率）曲线来表示。二者并不一致，一般来说，量子效率（外量子 效率）是指入射多少光子数产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子产生的电子一 空穴对或少数载流子的数目;而收集效率（内量子效率）是指吸收多少光子产生多少电子的比 率，即在电池中被吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。能量转换效率 是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电 子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都 是可以测量或计算的。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在 被吸收时产生电子一空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子 一空穴对（它们只是使材料变热）。这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率（长波限）。并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在0.8“m以 上，包括从红色到紫色全部可见光。每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲 线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度（光电转换能力）。太阳能电池的光谱响应特性在很 大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。使用滤光 膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而 变化。2.3.2 温度特性太阳能电池的开路电压兀C。随着温度的上升而下降，大体上温度每上升1,电压下 降2-2.3m匕短路电流小。则随着温度的上升而微微地上升;电池的输出功率P则随着温度的 上升而下降，每升高1,约损失0.35%0.45%。温度对太阳能电池的影响:载流子的扩散 系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此,-7-太阳能光伏毕业论文光生电流也随着温度的升高有所提高。但是/随温度的升高指数增大，而匕c随温度的升高 急剧下降。当温度升高时，/-。曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而 降低。效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池 效率，即使用聚光技术。效率又随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温 度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温 过高使电池转换率下降甚至损害电池，止匕外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装 置。2.4 影响太阳能电池转换效率的因素前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。而太阳能电池 在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。以PN 结硅电池为例，卜面我们来分析影响太阳能电池转换效率的主要因素。(1)光生电流的光学损失太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。反射损失就是从空气(或真空)入射到半导体材料的光的反射。以硅为例，在工作范围内的太 阳能光谱中，超过30%的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反 射膜SiNo栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分 比。对一般电池来说，c约为415%。透射损失就是如果电池厚度不足够大，某些能量合 适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。间接带隙半导 体要求材料的厚度比直接带隙的厚。(2)光生载流子的收集效率由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流 子消失掉。光照射PN结激发出来的电子一空穴对不一定会全部被PN结的自建电场所分离。我们把受激产生的电子一空穴对数目与被PN结势垒所分离的电子一空穴对数目之比叫做 收集效率。半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子-空穴的 移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平 衡状态的倾向。人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在电子一空穴对从产生 的地方分别向PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会 被PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。这样，收集效率就由过剩载流子的寿 命和PN结的位置来决定。(3)影响开路电压的实际因素-8-太阳能光伏毕业论文决定开路电压Lc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散 长度越短，P也就越低。体复合和表面复合都很重要。在P-Si衬底中，影响非平衡少子 总复合率的三种复合机理是:复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。总复合率主要取决 于三种复合中复合率最大的一个。对于高质量的单晶硅，当掺杂浓度高于10晨加3时，则 俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。通常，电池表面还存在表面复合，也会降低忆成值。（4）辐射效应应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下 降，影响其使用寿命。（5）电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。2.5 提高太阳能电池转换效率的各种技术针对2.3.3节分析的影响太阳能电池转换效率的因素，研究总结了相应的几种提高其转 换效率的方法，见表2.1。表2.1太阳能损失原因及防止技术损失原因防止技术发面光反射1采用减反射膜2表面进行凹凸处理3合理设计电极载流子再结合1加一层钝化膜层2控制杂质浓度3加背面场4合理设计电极光透射1在底电极上加一层金属反射层2进行凹凸处理串联电阻合理设计电极（1）减少反射损失技术为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术：采用减反射膜。常用减反射膜有含氧量为1-2的硅氧化物（Si。*）与钦氧化物（TiOx）等。单-9-太阳能光伏毕业论文独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由TiCh和MgF2所组成的 减反射膜或由SiN和SiCb所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳膜或由SiN和SiO2 所组成的减反射膜等。经减反射处理过的太阳能电池表面，有很好的减反射效果。采用凹凸结构。如表面用腐蚀等方法处理成具有很多金字塔型的绒面状结构或具有 倒金字塔型的沟槽结构，或具有V型的沟槽结构。把太阳表面处理成凹凸结构时的光的入 射路径示于图2.11o由该图可见，各种方向入射的太阳光经过多次反射后都能进入到太阳 能电池中去，从而增加入射的太阳光量。采用这种结构，其光反射损失有的甚至可减到5%左右。未经过处理的光滑硅表面，反射率一般高达30%左右。(2)减少载流子损失技术减少载流子损失，主要是防止载流子的再结合损失。通常采用以下三种方法：加一层钝化层；控制杂质浓度；在底层上加一个背面电场。加有钝化层、杂质控制层、背面电场的高效太阳能电池的结构中钝化层可以使电池表 面的缺陷结构钝化，从而减少载流子的再结合中心。电池底层上采用高浓度掺杂法形成一 背面电场，可加速载流子的输运过程，减少载流子的再结合。背面电场电池指在基区底部 即电池背面附近，具有基体杂质浓度梯度的太阳能电池。杂质浓度梯度可以通过蒸铝烧结 或硼扩散的方法建立。目前高效率电池一般都具有背面电场。倒金字塔型沟槽结构在沟槽结构中的反射原理金字塔型纵面结构V组沟槽结构图2.5太阳能电池的结构以及减反射原理(3)减少光透射损失-10-太阳能光伏毕业论文在太阳能电池中，波长较长的入射光一般都能透射到电池的深层底电极，要充分利用 这种长波长的光，最好在底电极处再加一层反射率高的金属层。用ITO作底电极上的反射 层，效果很好。过去常规电池使用的铝电极是用ITO胶烧结法制成的。这时可形成铝的扩散层，这种 铝扩散对提高太阳能电池转换效率很有利，在保留原铝扩散层的条件下去掉合金层，换成 ITO电极层，结果它不仅能起电极作用，还能起反射层的作用，使转换效率在原来的基础 上又提高了 0.2%。(4)减少串联电阻损失合理设计和精细制作电极是减少电池内部电阻、提高太阳能电池转换效率的另一个有 效途径。一般认为电池表面所占的面积越小，太阳光利用率越高。但电极的表面积越小，电极内部的电阻越大，使电池的转换效率反而降低。过去认为电池表面的电流密度是均匀 的，所以单纯从电阻与转换效率的关系中优化电极形状，没有考虑到太阳能电池表面的电 流密度大小与电极形状之间的关系。夏普公司采用计算机模拟方法求出了电极表面上的电 流密度分布，发现电池表面各处的电流密度分布是不均匀的。为此根据其电流密度分布，设计了有利于收集载流子的电极形状，并采用激光加工技术，使电极面积细微化，既增加 入射光面积，又提高载流子收集效率，并使电池转换效率在原有的基础上进一步提高。(5)多层结构太阳能电池把多个具有不同光谱灵敏度特性的太阳能电池堆集起来所组成的太阳能电池叫作多层 结构太阳能电池。这种太阳能电池，把禁带宽度宽的材料所制成的太阳能电池放在入射光 的一侧，先让它吸收短波长的光，然后再制成用禁带宽度较窄的材料所组成的太阳能电池,让它吸收由前半部透射出来的长波长的光，这样可以充分地利用入射太阳光，提高其转换 效率。多层结构太阳能电池能更有效地利用各种波长的太阳光，从而提高电池转换效率。目前面积为0.25cn?的三层结构无定形硅太阳能电池效率已达到13%,面积为100 cn?的电 池效率已达到10.1%。多层结构太阳能电池，除了上述的无定形硅太阳能电池以外，还有由单晶硅和无定形 硅或由单晶硅和碑化稼太阳能电池所组成的多层结构太阳能电池，其实验室最高转换效率 已达到35%o(6)充电连接方法的改进传统的充电连接方法把太阳能电池与蓄电池全部串联起来如图2.6所示。而改进后的 连接方法上把太阳能电池及蓄电池分成若干个小组，先串联各个小组后再并联，改进后的-11-太阳能光伏毕业论文这种联接方法的好处是可降低充电回路的内阻，提高充电效率如图2.7所示。图2.6传统充电连接方法我负图2.7改进的充电连接方法提高太阳能电池转换效率的技术很多。除上述五种方法外，还可通过提高原材料的纯 度和质量，或采用聚光等方法。但无论哪种技术，若单独采用，所提高的转换效率幅度都 是很有限的。所以要想较大幅度地提高太阳能电池的转换效率，必须同时采用多种技术。-12-太阳能光伏毕业论文3太阳能电池的分类目前，太阳能电池的种类十分多，按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非 晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敏化电池等。为了提高效率降低成本,通过技术 改进按形态结构分主要有叠层电池、薄膜电池和聚光电池等。然而综合考虑材料的价格、环境保护以及转换效率等因素，以硅为原材料的电池是太阳能电池最重要的成员口 6H网。3.1按材料分类(1)单晶硅太阳能电池硅是一种良好的半导体材料，禁带宽度为l.leV,是间接迁移型半导体，因储量丰富，且晶体硅性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。单 晶硅太阳能电池是开发得最早也是最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺己定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。单晶硅太阳能电池的基本结构为N+/P型，多以P型单晶硅片作为基片，电阻率的范围为 1-30.cm,具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可达到12%-16%,而实验 室记录的最高转换效率为24.4%0单晶硅太阳能电池的颜色多为黑色或灰色，其光学、电 学、力学性能均匀一致，适合于切成小片制作小型光电产品。从目前来看，单晶硅电池己 十分成熟，效率高，寿命长，性价比好，是目前最受重视的太阳能电池。如下图所示为 125xl25rnrn的单晶硅电池片。(2)多晶硅太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶 格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就 结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料。多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单 晶硅相比，多晶硅半导体材料的价格比较低廉，相应的电池单元成本低，非常具有竞争优 势。但是由于多晶硅材料存在较多的晶粒间界而有较多缺点，转换效率不够高，实验室最 高转换效率为20.3%。多晶硅太阳能电池的基本结构为N+/P型，以P型单晶硅片作为基片,电阻率的范围为0.5-2 Qcm。在制作多晶硅电池时，原料高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后-13-太阳能光伏毕业论文浇铸成正方形的硅旋，可以节省原料和能源。由于多晶硅太阳能电池性能稳定，适合于建 设光伏电站，也可用作光伏建筑材料。如下图所示为125x125mm的多晶硅电池片。(4)非晶硅太阳能电池非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周 围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定 性都不够好，对其研究开始于20世纪70年代初。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的40倍，1微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约90%有用的太阳光能。但是，非 晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而影响了它的迅速发展。非晶硅及其合金的光暗电导率 随着光照时间的加长而减少，经过170C200C的退火处理，乂可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler和wronski发现，被称为s w效应。S w效应使非晶硅太阳能电 池的转换效率由于光照时间加长而衰退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不 够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于大型太阳能电源，而多半用于弱光 电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶 硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可 以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。下图为在ITO玻璃表面采用等离子体增强化学 气相沉积法(PEcvD)沉积了三层非晶硅薄膜形成的PN结，配以相应的前后工序处理而成的 非晶硅太阳能电池。(4)化合物太阳能电池化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主 要有GaAS电池、InP电池、Gasb电池等;二六族化合物电池主要CaS/Culnse电池、CaS/CdTe-14-太阳能光伏毕业论文电池等。在三五族化合物太阳能电池中，GaAS电池的转换效率最高，可达28%；GaAs是 二元化合物，Ga是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；As不是稀有元素，有毒。GaAs化 合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池，这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙 以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感。由于具有这些特点，所以GaAs化合 物材料也适合于制造高效单结电池。GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。为了解决这个问题，采 用了聚光系统，该系统由于采用价格较低的塑料透镜和金属外壳，并且改进了电池性能，因而深受广大用户青睐。下图为化合物太阳能电池。(5)有机太阳能电池有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳能电池。与结 构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固体太阳能电池相比，有 机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯 曲折叠的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计 合成。材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业 引起了科学家的极大关注。美国加州大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主、物理学教授AlanHeeger和同事 KwangheeLee,以及一个韩国科学家小组。利用新的技术，完全在溶液中合成出一种效率 更高的级联有机太阳能电池，将有机太阳能电池的效率提高到了 6.5%,已经接近7%的商 业化标准。由于电池以塑料为主要材料，因此成本比采用多晶硅为材料的普通太阳能电池 低得多。除提高太阳能电池效率外，新技术还能降低制造成本。Heeger表示，在溶液中沉 积电池的多层结构是降低成本的关键，这有赖于由半导体聚合物和富勒烯衍生物构成的本 体异质结材料。下图为有机太阳能电池。11(7)染料敏化太阳能电池染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十儿年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用-15-太阳能光伏毕业论文原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳能电池，宽带隙半导体 有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的 染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽 到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染料敏化半导 体电极。染料敏化太阳能电池(DssC)最近取得较大进展。面积(100cm2)DSSc转换效率已达到 6%。这类电池所用主要材料为导电玻璃和TiCh，来源比较丰富，电池制备工艺也比较简单,具有较大的潜在价格优势。但是这类电池的转换效率还有待进一步提高，电池运行的稳定 性还需要进一步经受考验。下图分别为以导电玻璃(FTO)和柔性导电衬底(PECF)的染料敏化 太阳能电池。3.2按形态结构分类(1)叠层太阳能电池叠层太阳能电池是由两种或两种以上不同带隙的电池有机地叠加组合而成。一般而言,顶部电池的材料具有较宽的带隙，适于吸收能量较大的太阳光能;而底部电池的材料带隙较 窄，适于吸收能量较小的太阳光能，因此，在单结的基础上，叠层太阳能电池的转换效率 较高，例如GaAs叠层太阳能电池的转换效率可以达到35%。下图为叠层太阳能电池的内 部结构及外观形状。(2)薄膜太阳能电池太阳能电池实现薄膜化，是当前国际上研发的主要方向之一。如采用直接从硅熔体中 拉出厚度在100m的晶体硅带。人们也在研究利用液相或气相沉积，如化学气相沉积的 方法制备晶体硅薄膜作为太阳能电池材料。这时可以采用成本较低的冶金硅或者其它廉价 基体材料，如玻璃、石墨和陶瓷等。在廉价衬底上采用低温制备技术沉积半导体薄膜的光-16-太阳能光伏毕业论文伏器件，材料与器件制备可同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产;制备能耗低，可以缩短回收期。在不用晶体硅作为基底材料的衬底上气相沉积得到的多晶硅转换效率也 达到12%以上。除了晶体硅薄膜电池以外，其它薄膜电池材料的研究也在取得进展。已实现产业化和 正在实现产业化的有非晶硅薄膜和多晶化合物半导体薄膜电池(磅化福、硒锢铜)。非晶硅薄 膜主要采用化学气相沉积制备。在提高单纯非晶硅太阳能电池的转化效率的研究进展不大，目前的技术水平是低于8%o因此人们研究利用叠层技术以提高非晶硅电池效率，如 a-Si/a-GeSi/a-SiGe叠层电池实验室最高效率达到15.6%。非晶硅/多晶硅叠层电池(HIT)也是 一种效率很高的叠层电池。Sanyo开发出效率达20.7%的a-51/c-Si电池。CIGS电池研究方 面人们试图利用其它材料如稀土元素替代资源稀少的Ino在CdTe化合物半导体薄膜电池 研究方面，虽然CdTe稳定、无害，但Cd和Te分别是有毒的，人们正试图研究部分替代 材料。其他化合物半导体材料的研究也取得了令人瞩目的成就。美国国家可再生能源实验 室和光谱试验室在错衬底上生长出GalnP/Gs/Ge三节电池涂层，结合金属连接和抗反射涂 层，通过对标准 AML5太阳光谱聚光，获得47倍太阳光强度，从而得到创纪录的32.3%的光电转换效率。薄膜电池的生产成本可以随其生产规模的扩大而降低，一旦技术上有重 大突破，其成本可以降到1美元/Wp以下(Wp是指标准太阳光照条件下，即欧洲委员会定义 的101标准，辐射强度lOOOW/n?,大气质量AMI.5,电池温度25条件下，太阳能电池的 输出功率)。下图为薄膜太阳能电池。(3)聚光太阳能电池聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施。它通过聚光器使较大面 积的阳光会聚在一个较