太阳能电池的原理

一、太阳能电池的原理
1、太阳能利用历史回顾 据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率 不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段，下面分别予以介绍。 第一阶段(1900-1920) 在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。建造 的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；1902 -1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。 第二阶段（1920-1945） 在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。
第三阶段（1945-1965）
在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少， 呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。 在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有： 1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 第四阶段(1965-1973） 这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。 第五阶段（1973-1980） 自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。 于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房 、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶 ，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。 1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。 这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：
各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。 研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、 光解水制氢、太阳能热发电等。 各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳 能电站还未升空。 太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想 第六阶段（1980-1992） 70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。 受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使 人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。 第七阶段（1992- 至今） 由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》， 《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确 了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》 （1996- 2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施 。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。 1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言 》，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996- 2005），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动 ，广泛利用太阳能。1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。
2、形形色色的太阳电池
最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池。硅是地球上极丰富的一种元素，几乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽。用硅来制造太阳电池，原料可谓不缺。但是提炼它却不容易，所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，至今商业规模生产的太阳电池，还没有跳出硅的系列。其实可供制造太阳电池的半导体材料很多，随着材料工业的发展、太阳电池的品种将越来越多。目前已进行研究和试制的太阳电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳电池，举不胜举，这里仅选几种较常见的太阳电池作些介绍。 【硅晶圆太阳能电池】 主要是单晶硅与多晶硅 ⑴单晶硅太阳电池
单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅
片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为17％左右，实验室成果也有20％以上的。晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。 ⑵多晶硅太阳电池 目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约16％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。 【非晶系硅太阳能电池】Amorphous silicon solar cell
非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。 制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。 非晶硅太阳电池的结构有各种不同，其中有一种较好的结构叫PiN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶硅太阳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，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，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。 此类型光电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I层厚度通常只有0.2 ~ 0.5μm。其吸光频率范围约1.1 ~ 1.7eV，不同于晶圆硅的1.1eV，非晶性物质不同于结晶性物质，结构均一度低，因此电子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生，I层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此困境，此类型光电池长采多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。 这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的SWE效应，其幅度约15 ~ 35﹪。发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。前述多层堆栈方式，亦成为弥补SWE效应的一个方式。 非晶型硅光电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法（PECVD）制造硅薄膜。基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，比如不锈钢、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。至于多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过去三年仍呈现快速成长，2003年相较于2002年成长了113﹪，预期此趋势将持续下去。 为了降低制造成本，近年有人开发已VHF电浆进行制膜，制程速度可提升5倍，同时以ZnO取代SnO2作为导电玻璃材料，以降TCO成本，预计未来制程顺利开发成功，将可使非晶型硅光电池竞争力大幅提高。展望未来此型光电池最大的弱点在于其低光电转化效率。目前此型光电池效率，实验室仅及约13.5﹪，商业模块亦仅4 ~ 8﹪，而且似乎为来
改善的空间，可能相当有限。
【多元化合物太阳电池】
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，虽然大多数尚未工业化生产，但预示着光电转换的满园春色。现在简要介绍几种： 1、铜铟镓二硒太阳能电池 Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells 以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。它是一种多晶薄膜结构，一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10％以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的新型太阳电池。近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅 薄膜之上，组成叠层太阳电池的可能，借此提高太阳电池的效率，并克服非晶硅光电效率的衰降。
此类型光电池计有两种：一种含铜铟硒三元素（简称CIS），一种含铜铟镓硒四元素（简称CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的CIGS光电池，光电效率最高可达约19﹪，就模块而言，最高亦可达约13﹪。CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。 CIGS光电池其结构有别于非晶型硅光电池，主要再于光电层与导电玻璃间有一缓冲层（buffer layer），该层材质通常为硫化铬（CdS）。其载体亦可使用具可挠性材质，因此制程可以roll-to-roll方式进行。目前商业化制程是由shell solar所开发出来，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投资与制造成本均相当高昂，粗估制程投资一平方米约需US$33。实验室常用的同步挥发式制程，放大不易，可能不具商业化可行性。另一家公司，ISET，已积极投入开发非真空技术，尝试利用奈米技术，以类似油墨制程（ink process）制备层状结果，据该公司报导，已获初步成功，是否能发展成商业化制程，大家正拭目以待。另外，美国NREL亦成功开发一种三步骤制程（3-stage process），在实验室非常成功，获得19.2﹪光电效率的太阳能电池。不过由于该制程相当复杂，花费亦大，咸认放大不易。 综合而言，CIGS在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服：（1）制程复杂，投资成本高；（2）关键原料的供应；（3）缓冲层CdS潜在毒害。制程改善，如前述有许多单位投入，但类似半导体制程的需求，要改良以降低成本，困难度颇高。奈米技术应用，引进了不同思维，可能有机会，但应用至大面积制造，其良率多少？可能是一项挑战。其次原材料使用到铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人类如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有数年光景可用。镉（Cd）的毒性一直是人们所关注，硫化镉（CdS）在电池中会不会不当外露，危害人们，并不能让所有人放心，因此在欧洲部份国家，舍弃投入此型光电池研究。
2、硫化镉太阳电池
早在1954年雷诺兹就发现了硫化镉具有光伏效应。1960年采用真空蒸镀法制得硫化镉太阳电池，光电转换效率为3.5%。到1964年美国制成的硫化镉太阳电池，光电转换效率提高到4％～6％。后来欧洲掀起了硫化镉太阳电池的研制高潮，把光电效率提高到9％，但是仍无法与多晶硅太阳电池竞争。不过人们始终没有放弃它，除了研究烧结型的块状硫化镉太阳电池外，更着重研究簿膜型硫化镉太阳电池。它是用硫化亚铜为阻挡层，构成异质结，按硫化镉材料的理论计算，其光电转换效率可达16.4％。中国科学院长春应用化学研究所于80年代初曾把薄膜硫化镉太阳电池的光电转换效率做到7.6％。尽管非晶硅薄膜电池在国际上有较大影响，但是至今有些国家仍指望发展硫化镉太阳电池，因为它在制造工艺上比较简单，设备问题容易解决 3、镉碲薄膜太阳能电池 Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe 此类型薄膜光电池在薄膜式光电池中历史最久，也是被密集探讨的一种之一。在1982年时Kodak首先做出光电效率超过10﹪的此类型光电池，目前实验室达成最高的光电效率是16.5﹪，由美国NREL实验室完成，其作法是将已建立多年的电池构造，在进一步增量修改，并改变部分材质。 典型的CdTe光电池结构的主体是由约2μm层的P-type CdTe层与后仅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收层主要发生于CdTe层，西光效率细数大于105㎝-1，因此仅数微米厚及可吸收大于90﹪的光子。CdS层的上沿先接合TCO，再连接基材，CdTe上沿则接合背板，以形成一个光电池架构。目前已知为制备高光电效率CdTe光电池，不论电池结构如何，均需要使用氯化镉活化半导体层，方法上可采湿式或干式蒸气法。干式法较为工业界所采用。 关于CdTe光电池的薄膜，目前已有多种可行的工艺可采用，其中不乏具量产可行性的方法。已知的方法有溅镀法（sputtering）、化学蒸镀（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、网印（screen-printing）、电流沉积法（galvanic deposition）、化学喷射法（chemical spraying）、密集堆积升华法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中电流沉积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界采用的主要方法。沉积操作时温度较低，所耗用碲元素也最少。 CdTe太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在2002年其全球市占率仅0.42﹪，2000年时全球交货量
也不及70MW，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：ㄧ、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53﹪，其中半导体材料只占约5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。
3、砷化镓太阳电池
砷化镓是一种很理想的太阳电池材料，它与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，特别适合做高温聚光太阳电池。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷——砷化镓异质结、金属——半导体砷化镓、金属——绝缘体——半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。 4、硅薄膜太阳能电池 Thin Film Silicon Solar Cells 最早开发此型光电池是在1970年，至1980年方有大的突破。其硅结晶层的厚度仅5~50 毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求，不若硅晶圆型太阳能电池高，材料成本可进一步降低。由于硅材料不若其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此型光电池硅层膜，不若硅晶圆型太阳能电池硅层厚度约达300微米，为提高光吸收率，设计上需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜型光电池不同之处。 此类型光电池之制备方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、许多型式的化学蒸镀（CVD），包括低压与常压化学蒸镀（LP-CVD、AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（IA-CVD），以及热线化学蒸镀（HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界，虽然如此，一般咸信常压化学蒸镀，应具备发展为量产制程的可能性。上述蒸镀法，操作温度区间在300~1200℃，主要依据基材材料而定。 此型光电池光电效率实验室最高已达21﹪，市场上只有Astropower一家产品，当基材使用石墨时，效率可达13.4﹪，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大底有三个方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高温基材；三、将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备100㎝2，光电效率达16﹪的组件。整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。 5、染料敏化太阳能电池 Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC 此型光电池可是源自19世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过100年后的1991年，瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过7﹪的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。 此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。 此型电池的结构一般有两种，实验室制备的通常为三明治结构，上下均为玻璃，玻璃内源则为TCO。中间有两部份，包括含有染料的二氧化钛，以及溶有电解质的有机溶液。为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术，Gratzel等，于1996年发展出三层式的monolithic cell structure，采用碳电极取代一层TCO电极，各层的制备可直接沉积在另一层TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具挠屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可应用于此类型电池制备。德国的ISE公司已发展出包含网印方式的生产流程（如下图），制程非常简单。关于DSSC的制造成本，由于该型电池为新世代产品，目前并无量产市场，因此有不同的评估值，依据Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光电效率为基础，其制造成本约US$1.0~1.3/Wp（年产能5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996年的估算则为US$2.2/Wp/year（年产能4MWp/year）；相较于技术开发较久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）两类型，成本差距似乎不大。 DSSC发展的最大优势在于其简单的制程，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。至于铂金属触媒以及染料，相信生产规模变大时，价格亦会下降。其次就如同其它部分薄膜光电池，因为可以使用具挠屈性基材，因此应用范围可大幅扩张，不似目前硅晶圆式，只适用于屋顶等少数场合。 未来DSSC如要成为具商业竞争力，甚至达到高市占率，仍有几件事需要证明：一、光电池本身的长期使用性。虽然实验室以较严苛条件测试，推估使用十年以上没有问题，但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。二、对大面积的制备技术，有待努力发展。目前此方面工艺研究投入较少。三、对整体电池模块细部的基础研究，仍有许多工作要做，此方面研究可促进产品质量与规格的确立。
高能阶差半导体，光稳定性较高，因此如能以此类物质取代二氧化钛，学理上应较易获得耐久性DSSC产品，关于这方面研究，有部分研究单位也积极投入，惟至今仍未获得良好成果。开发新式染料以取代目前公认最佳的染料，有机钌金属（简称N3），亦是一项热门研究主题。有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域，因此许多人相信经由适切的构思与系列实验，应有机会开发出吸光能力比N3好的有机染料，如此除可免除使用贵重的钌金属外，染料成本也可获得大幅降低。
3、太阳能电池的原理
(1)半导体的基础知识
半导体的特点
半导体之所以得到广泛的应用，其主要原因并不在于它的电阻率大小，而是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。
①导电能力随温度灵敏变化
导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘体。
②导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。
③杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。
④其他特性 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。
本征半导体
常用的半导体材料主要有硅(Si)和锗(Ge)高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐的按一定得规律排列着，原子之间的距离不仅很小，而且相等，我们把这种非常纯净的且原子排列整齐的半导体称为本征半导体。硅、硼、磷原子结构示意图如下：
正常情况下，他们的原子都是呈中性的。在硅制成单晶后，其最外层的4个电子不仅受自身原子核的约束，还与相邻的4个原子核相吸引，2个相邻的原子之间共有1对电子，称为共价键结构。如果共价键中的电子受到一定的热或光照等作用下，晶体中的共价电子有一部分受到激发可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时这个电子原来所在的共价键的位置上形成一个电子空位，称之为“空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。在本征半导体中自由电子和空穴的数目是相等的，称为电子空穴对，电子空穴对的运动是杂乱无章的，就整体而言对外不显电性。只有在外加电场的作用下电子空穴运动才具有方向性。
能带图 硅原子在晶体中的共价键结构
半导体材料硅的晶体结构
硅晶体的金刚石结构
晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成。
晶面、晶向、原子密排面和解理面
晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。下面左图是几种常用到的晶面和晶向。在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如右图所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。
比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶面上原子排列的情况，如图1.2-7所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。 (b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。
掺杂半导体
本征半导体的实际价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量的某种元素，就会形成N型或P型半导体
(1)N型半导体
在本征半导体(以硅为例)中掺入5价元素如：磷等，因磷原子的最外层有5个电子，其中的4个电子同硅的4个电子组成共价键形成稳定结构，多余的电子很容易受到激发形成自由电子。掺入的磷元素越多，则自由电子就越多。这种掺入5价元素的半导体称为N型半导体。其主要依靠自由电子导电，称为多数载流子，而空穴数量远远少于电子数量，称为少数载流子。
(2)P型半导体
在本征半导体中掺入3价元素如硼等，因硼原子的最外层只有3个电子，其中3个电子和硅原子外的3个电子组成共价键后就留下一个空穴，空穴数目增多，自由电子则相对很少，故掺入3价元素的半导体称为P型半导体。P型半导体主要依靠空穴来导电，称为多数载流子，而自由电子因数量远少于空穴数量，故称为少数载流子。
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流子。当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后，非平衡载流子不会永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是随着时间逐渐减少消失的，他们的存在时间有些长些，有些短些，有一个平均的存在时间，这就是我们所说的“非平衡载流子的寿命”。半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因。非平衡载流子也就是由于外界因素引起产生的电子—空穴对复合的主要方式有三种：直接复合，间接复合和表面复合。a直接复合电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合，复合的过程在是电子直接在能带间跃进，中间无须经过任何间接过程，这种复合称为直接复合。一般的杂质半导体寿命是和多数载流子的密度成反比的，或者说半导体的电阻率越低，则寿命越短。电阻率越低，多数载流子浓度越高，这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合，所以寿命就越短。b间接复合某些杂质元素即使是很少量地存在于半导体材料中便对材
料的寿命数值有决定性的影响，晶体中的缺陷也有类似的作用，这说明晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用。这种复合与直接复合不同，它是通过禁带中某些杂质（缺陷）能级做为“跳板”来完成的。靠禁带中的杂质（缺陷）能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合，那些起复合作用的杂质（缺陷）能级被称为复合中心。复合中心是不断地起着复合作用，而不是起了一次复合作用就停止了。通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多。这是因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少，相当于分阶段放出能量，所以容易得多。因而间接复合过程大多情况下决定着半导体材料得寿命值。直接复合和间接复合都是在半导体内部完成得，所以也称为“体内复合”。c表面复合半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子，半导体表面存在着表面缺陷。这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构在表面中断，表面原子出现悬空键，或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力，造成在体内更多的缺陷和晶格畸变，这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级，表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的。实际上表面复合过程属于间接复合，此时的复合中心位于半导体材料的表面。d载流子的漂移运动和迁移率半导体中的载流子在不停地作无规则的热运动，没有固定方向的流动，所以半导体中并不产生电流。若在半导体两端加上一个电压，即半导体处于一个电场中，载流子在电场加速作用下，获得了附加的运动，这就称之为载流子的漂移运动。实际的晶体中有杂质原子，缺陷，晶格原子也不停地振动。这些因素都使晶体中载流子的运动状态或运动方向不断发生变化，载流子运动方向不断发生变化的现象，称之为散射。由于散射的作用，漂移运动是曲折前进的运动。迁移率是衡量半导体中载流子平均漂移速度的一个重要参数，其数值等于在单位电场作用下电子和空穴的定向运动速度。因此，它反映了载流子运动的快慢程度。载流子的迁移率随着温度，掺杂浓度和缺陷浓度变化。同一种半导体材料，温度升高，迁移率下降，掺杂浓度，缺陷浓度增加，迁移率同样逐渐下降。迁移率还和载流子的有效质量有关。电子的有效质量比空穴小，所以电子的迁移率比空穴大。迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数，掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂浓度，另一方面取决于迁移率的大小。e载流子的扩散运动，扩散系数，扩散长度向半导体中注入非平衡载流子时，注入部分的载流子密度比其它部分高，载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移，这种现象叫做载流子的扩散运动。扩散的强弱是由载流子浓度的变化决定的，浓度梯度越大，扩散也越容易，同时，扩散的强弱还与载流子的种类，运动的速度以及散射的次数等有关，我们用扩散系数来表示载流子扩散能力的强弱。非平衡载流子在扩散运动过程中不断地复合而消失。结果非平衡载流子密度由注入部分开始向密度小的方向逐渐减小。在连续注入的条件下，非平衡载流子密度由大到小形成一个稳定的分布。由注入部位到非平衡载流子密度减小到1/e数值位置之间的距离称为载流子的扩散长度，如图1.12-1所示，它也是半导体材料的重要参数之一。扩散长度可以理解为：非平衡载流子在平均寿命时间内经扩散运动所通过的距离。
(3)PN结的形成与特性
PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正、负离子层为PN结。在PN结的P区一侧带负电，N区一侧带正电。PN结便产生了内电场，内电场的方向是从N区指向P区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区。如下图：
PN结的特性 a PN结的正向导通性当P-N结正向连接时，即P型半导体区域接到电池的正极，N型半导体区域接到电池的负端。P-N结正向电阻很小，通过P-N结的正向电流很大，这是由于外加电池再P-N结中所产生的电场方向相反，阻挡层厚度减小。P区的空穴和N区的电子再这个外加的电场的吸引下不断地流过交界处，使它的电阻大大降低电流很容易通过。若外加电压继续上升，则自建电场被减弱和抵消，所以正向电流随着外加正向电压的增加而逐渐上升。b PN结的反向截止性当P-N结反向连接时，P区接电池负端，N区接电池正端，P-N结呈现很大的电阻，通过P-N结中的电流很小。这是由于外加电池在P-N结中所产生的电场方向用P-N结自建电场方向相同。阻挡层变厚，加强了电场阻止电子和空穴流通的作用，电阻大大增强，电流很难流过。这就是反方向连接的电流很小的原因。
二、硅材料的制备
1、硅材料的来源
硅材料主要来源于优质的石英沙，也称为硅砂。将硅砂经过冶炼提纯从而得到硅。将硅砂转换位硅材料的工艺流程为： 多晶硅硅烷三氯氢硅）硅铁（冶金硅含硅硅砂氢气还原盐酸焦炭⎯⎯⎯→⎯→⎯⎯→⎯−⎯⎯→⎯+%99%97
2、多晶硅锭的制造
1〉杜邦法即硅原料的锌还原法4sicl
2〉三氯氢硅法（也称西门子法）三氯氢硅法主要有3个关键工序
（1） 硅粉与HCl在液态化床上进行反应形成三氯氢硅
（2） 对三氯氢硅进行分割，以达到PPb级超纯状态。
（3） 将超纯的三氯氢硅用氢气通过化学气相沉积法还原成多晶硅。
3〉硅烷法
日本小松公司进行硅烷生产的工艺是基于下列化学反应的
SiMgSiMg22→+
324NH424NH2MgClSiHl43++⎯⎯→⎯+液CNHSiMg
242HSiSiH+→
硅烷法的成本比三氯氢硅法高一些，但多晶的质量较高。
4〉多晶硅基片的生产主要有两种：①向石墨铸模里注入熔融硅生产多晶硅的方法（铸造法）。②向熔融硅直接使多晶硅成长为膜状的方法。
5〉铸锭多晶硅制备
直接由西门子法得到的多晶硅棒，因未掺杂等原因，不易用来直接制造多晶硅太阳能电池。把熔化的硅经过定向凝结后，即可获得掺杂均匀、晶粒较大且呈纤维状的多晶硅铸锭。
3、单晶硅锭的制造
1〉切克劳斯基法
切克劳斯基法是把籽晶引向熔融的硅液，然后一面旋转，一面提拉，粒大的单晶硅棒即按照籽晶的晶向生长处来。掺杂可在熔化硅前进行。利用许多杂质在硅凝结时和熔化时融解度之差，使一些有害的杂质浓集于坩埚底部。所以提拉过程也有纯化作用。如右图
2〉区熔法
区熔法指用高频线圈环绕硅单晶棒，使硅棒内产生涡电
流自身加热，硅棒局部熔化，出现浮区，及时缓慢移动高
频线圈，并使硅棒一端旋转，则熔化的硅又重新结晶。利用
硅中杂质的分凝显现，硅纯度增加了，反复移动高频线圈，
可使硅棒的中段反复提纯，直至极高的纯度。区熔法有称浮
区熔法，是目前制造高效和超高效单晶硅太阳能电池原料的
唯一方法。因受线圈功率的限制，区熔硅棒的直径一般不宜
太大。区熔法示意图如右图：
4、杂质对太阳能电池的影响
近些年来太阳能电池的逐渐兴起，科学家们花费了巨大的精力研究各种不同杂质原子对太阳能电池的转换效率的影响，得到了如下结论，钽、钼、铌、锆、钨、钛、钒等金属离子浓度在即对硅太阳能电池效率产生很大的影响，而镍、铝、钴、铁、锰、铬等元素要在以上由影响；而磷、铜浓度要高达时才能对太阳能电池的效率又少量的影响。31413cm/1010个原子−315cm/10个原子318cm/10个原子
三太阳能电池制造工艺流程
目前本公司太阳能电池制造工艺流程为（下面是根据不同的镀膜工艺分为两种工艺流程）：
A. SiN共烧工艺流程：
1. 清洗并制备绒面
2. 扩散制作P-N结
3. 边缘p-n结刻蚀、去磷硅玻璃
4. PECVD沉积（制作减反射膜） 43NSi
5. 丝网印刷背电极、背电场以及正面电极
6. 共烧形成金属接触
7. 电池片测试
B SiO2/TiO2共烧工艺流程：
1. 清洗并制备绒面
2. 扩散制作P-N结
3. 边缘p-n结刻蚀、去磷硅玻璃
4. 氧化生成SiO2钝化层
5. APCVD沉积TiO2（制作减反射膜）
6. 丝网印刷背电极、背电场以及正面电极
7. 共烧形成金属接触
多晶硅绒面形状
单晶硅片绒面形状
8. 电池片测试
1、清洗制绒（主要分为单晶硅的清洗制绒与多晶硅的清洗制绒）
硅片的表面准备是制造硅太阳能电池的第一步主要工艺，它包括硅片的表面化学清洗和表面的腐蚀。
1.1硅片的表面化学清洗
通常由硅棒所切割的硅片表面可能污染的杂质大致可以归纳为3类：①油质、松香、蜡等有机物质。②金属、金属离子及各种无机化合物。③尘埃以及其他的可溶性物质。通过一些化学清洗剂可以达到去污的目的。常用的清洗剂有高纯水、有机溶剂、浓酸、强碱以及高纯度中性洗涤剂等。
1.2硅的表面腐蚀
硅片经过初步的清洗去污后，要进行表面腐蚀。这是因为由于接卸切片后在硅片表面留有平均30-50Um后损伤层，我们通常使用的表面腐蚀有碱性和酸性腐蚀两类。
1.2.1、单晶硅的碱腐蚀
主要是利用氢氧化钠溶液可对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面。即不同晶向的硅同强碱的反应速率不一制来制备绒面。本公司硅片采用了电阻率为0.5~2Ω·cm，P型，晶向为<100>的单晶硅片。其反应方程式如下：
↑+=++232222HSiONaOHNaOHSi
1.2.2、多晶硅的酸腐蚀
多晶硅片通常使用的是酸腐蚀液，包含氧化剂（如HNO3）和络和剂（如HF）两部分。一方面通过HNO3与硅的氧化作用在硅的表面生成SiO2，另一方面通过HF对SiO2的络和作用生成可溶性的络和物，从而完成对硅的腐蚀过程。反应机理如下：
硅被HNO3氧化，反应为： ↑++→+4NOO2H3SiO4HNO3Si223
用HF去除SiO2层，反应为：O2H][SiFH6HFSiO2622+→+
总反应为： ↑++→++4NOO8H][SiF3HHF814HNO3Si2623
2、扩散制作P-N结
制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，它和制结前的表面处理均是电池制造过程的关键工序。制结的方法有热扩散法、离子注入法、外延法、激光法及高频电注入法。一般以热扩散为最常用。
扩散是物质分子运动或原子运动引起的一种自然现象。热扩散制作P-N结的方法为用加热的方法使Ⅴ族杂质掺入P型硅或Ⅲ族杂质掺入N型硅。硅太阳能电池中最常用的Ⅴ族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。对扩散的要求是获得适合太阳能电池P-N结需要的结深和扩散层方块电阻。浅结死层小电池短波响应好，而浅结引起串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有效提高电池的填充因子，这样就增加了工艺难度。结深太深，死层比较明显。如果扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池的开路电压和短路电流均下降。在实际电池制作中，应综合考虑各因素，因此太阳能电池的结深一般控制在0.3-0.5Um，方块电阻平均为20-70Ω。贵太阳能电池所用的主要热扩散方法有：(1)涂布源扩散；(2)液态源扩散；(3)固态源扩散等。本公司采用采用的是液态源扩散方式。
液态三氯氧磷扩散原理：利用氮气携带三氯氧磷，并通入适量的氧气与硅片在800℃左右炉温的石英管里进行反应，将磷原子扩散到硅片内，形成完整的PN结。POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，它是无色透明液体，具有刺激性气味。如果纯度不高则呈红黄色。其比重为1.67，熔点2℃，沸点107℃，在潮湿空气中发烟。POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发，高温下蒸气压很高。为了保持蒸气压的稳定，通常是把源瓶放在0℃的冰水混合物中。磷有极毒，换源时应在抽风厨内进行，且不要在尚未倒掉旧源时就用水冲，这样易引起源瓶炸裂。POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：
525600335oppclpocl+⎯⎯→⎯>
生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：
↓+=+psiosiop4552252
由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其反应式如下：
↑+=+2522510254clopopcl
生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气，在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：
↑+=+252236234ClOPOPOCl
POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散，反应式如前所示：
↓++PSiOOP452252
三氯氧磷液态源扩散优点：①生产效率高；②得到的PN结均匀平整；③扩散层表面良好。
POCl3液态源扩散装置
磷扩散装置如上图所示，这里有几点说明。如图所示除了磷扩散外，还有一个TCA瓶，这是用于清洗石英管道而设置的。其基本原理是：1:1:1三氯乙烷（C2H3Cl3）高温氧化分解，产生的氯分子与重金属原子化合后被气体带走，达到清洗石英管道的目的。其反应式为：
C2H3Cl3 + O2= Cl2 + H2O + CO2 +……
磷扩散源是无色透明有窒息性气味的毒性液体，所以要求扩散系统必须有很高的密封性，特别是源瓶进出口两端最好用聚四氟乙烯来连接，若用其它塑料管或乳胶管连接时易被腐蚀，需要经常更换新管。接口处用聚四氟带封闭，由系统流出的气体应通进排风管道连接到室外，不能泄露在室内。源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶，因为POCl3易吸水汽而变质，使扩散表面浓度上不去，其反应式如下：
2POCl3 + 3H2O==P2O5 + 6HCl
所以如果发现POCl3出现淡黄色时就不能再用了。
磷扩散的系统应保持清洁干燥，如果石英管内有水汽存在，就会使管内P2O5水解生成偏磷酸（HPO3），使管道内出现白色沉积物和粘滞液体，石英舟容易粘在管道上，不易拉出。因此对扩散气体脱水是十分重要的。
3、等离子边缘刻蚀
扩散过程中，除了在硅片表面形成扩散层，在硅片的周边表面也形成扩散层。周边扩散层是电池的上下电极形成短路环，必须将其去除。周边上存在任何小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。常用的去边的方法主要有腐蚀法和挤压法。目前本公司所采用的方法为腐蚀法-----等离子干法腐蚀。
等离子体刻蚀原理
等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。
本公司采用的等离子体刻蚀机是基于真空中的高频激励而产生的辉光放电将四氟化碳中的氟离子电离出来从而获得化学活性微粒与被刻蚀材料起化学反应产生辉发性物质进行刻蚀的。同时为了保证氟离子的浓度和刻蚀速度必须加入一定比例的氧气生成二氧化碳。
等离子体刻蚀反应首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。
CF4→CF3，CF2，CF，C，F
其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。生产过程中，在CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。
4、PECVD沉积（等离子增强化学气相沉积Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)） 43NSi
1、SIN在太阳能电池中的作用
太阳电池表面沉积深蓝色膜，除了减少对太阳光的反射，其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用43NSi
氮化硅颜色与厚度的对照表
颜色
厚度（nm）
颜色
厚度（nm）
颜色
厚度（nm）
硅本色
0-20
很淡蓝色
100-110
蓝色
210-230
褐色
20-40
硅本色
110-120
蓝绿色
230-250
黄褐色
40-50
淡黄色
120-130
浅绿色
250-280
红色
55-73
黄色
130-150
橙黄色
280-300
深蓝色
73-77
橙黄 色
150-180
红色
300-330
蓝色
77-93
红 色
180-190
淡蓝色
93-100
深红 色
190-210
PECVD反应方程式
2、管式PECVD工艺流程
↑+→+24335034H12Ni43SNHSiH℃等离子体
1 processing started 工艺开始
2 fill tube with N2充氮----达到大气压的标准值，机器后面的压力准确测试，得到进舟信号以后炉门才会开启。
3 loading boat 进舟—SLS显示桨位置处于高位，若此时桨位于低位，进舟将失败，舟有可能撞击到石英管的可能。
4 paddle moves downwards 桨降至低位
5 move out paddle-lower position 桨在低位退出，此时应注意石墨电极有可能被桨带出，关炉门时毁损石墨电极。
6 evacuate tube an pressure test 管内抽真空，并进行压力测试
7 plasma pre-clean and check with NH3 通过高频电源用氨气进行预清理和检查
8 purge cycle 1 清洗管路
9 leak test 测漏
10 wait until all zones are on min tem 恒温
11 ammonia plasma pre-clean 通过高频电源用氨气进行清理
12 deposition 镀膜
13 end of deposition 结束镀膜
14 evacuate tube and pressure test 抽真空及压力测试
15 purge cycle 清洗管路（将特气管内的剩余硅烷和氨气抽走，防止与空气接触发生爆炸）
16 fill tube with N2 充氮
17 move in paddle-lower position 桨低位进入管内
18 SLS moving to upper position SLS移至高位
19 unloading boat 退舟
20 end of process 工艺结束
5、丝网印刷背电极、背电场及正面电极
1、丝网印刷原理
丝网印刷是通过刮条挤压丝网弹性形变后将浆料漏印在需要印刷的材料上的一种印刷方式，这也是目前普遍采用的一种电池工艺。
2、丝网印刷的工作流程
上料---第一道印刷---烘箱---第二道印刷----烘箱---第三道印刷
3、丝网印刷机烘干操作流程
1、浆料的使用原则
使用前应将银浆、银铝浆放置在滚筒搅拌机上搅拌24小时。铝浆放到JB600—D搅拌机上搅拌30分钟，转速为50转/每分。各道印刷所使用浆料及各种工具不可混用，否则会导致浆料印刷的污染。
2、丝网印刷机操作流程
1、检查并打开总电源，即，将电源开关从绿色的0打到白色的1，并确认总电源已经开启。此时可以看到印刷机的照明电灯开启。
2、检查并打开压缩空气、真空并确认压强符合要求。真空压强要求在-0.65—-0.7MPa压缩空气压强在0.6—0.8MPa。
3、等待电脑自动启动，启动后印刷控制程序将自动加载。如果没有自动启动请按照如下步骤启动丝网印刷控制程序：依次单击，Start---Program---baccini—Print.exe等待程序启动后激活辅助电路，按下控制面板上的“ AUXIZIARIES Starting”按钮将看到因素台面闪光，同时听到“啪”的一声。
4、取出相应型号的网版，固定在网版固定框上，装上丝网印刷机并按下F4键锁住网版。同时可以听到“啪”的一声响，用手可以感觉到网版将无法抽出。安装好刮条和回墨刀，调入相应得工艺文件。
5、新调入工艺文件后，机器必须复位才能使用新的工艺文件，此时将机器的模式转到自动运行模式后，点击“Cycle reset”按钮进行机器整体复位。在“Alarm Message”中将看到复位的信息，复位完成后，等到烘箱的温度达到设定，即可点击“Cycle Start”开始运行机器。
6、将镀好膜的硅片镀膜的一面朝下放置到承载盒内，将充分搅拌的浆料沿刮刀方向倒在丝网上用白纸试印，以保证印刷电极的完整性和均匀性。
7、调整印刷参数使印刷满足印刷要求。
8、待工艺人员确认印刷和烘干工艺后按下“Cycle Start”按钮运行机器。
9、自动运行状态下自动转移到下一道工序。
6、共烧形成金属接触
1、烧结原理及流程
晶体硅太阳电池在通过三次印刷金属浆料后，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺，国外著名的金属浆料厂商非常卖力推广共烧工艺。这个工艺基础理论来自较古老的合金法制P－N结工艺，就是电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到电极材料的溶点或共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料中去，单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程是相当快的，一般只需几秒钟时间，溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多,这时状态被称为晶体电极金属的合金系统，如果此时温度降低，系统开始冷却，这时原先溶入到溶融到电极金属材料中的硅原子，重新以固态形式结晶出来，也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层新的晶体层再结晶层，如果再结晶层内含有足够量的，与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成欧姆接触，如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成P－N结。
银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起，所谓共烧工艺显然是采用银－硅的共晶温度，同时在几秒钟内，单晶硅原子溶入到熔融金属电极材料里。后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美，单晶硅的晶格点阵结构。只有一次烧结钝化表面层的氢原子，逸失是有限的保障了氢，钝化表面的效果，填充因子较高，这就是当前较推崇的高温快
速烧结（RTF）共烧工艺。
目前本公司所采用的也是高温快速烧结共烧工艺的，其烧结过程如下：