《太阳能硅光电池的制作过程和制作工艺论文》毕业学术论文docl 摘 要：伴随着经济的发展，很多矿产资源的开发利用即将枯竭，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能是可再生能源，它资源丰富，可免费使用，无需运输，对环境无任何污染，为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。现在人们对太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。从本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。 本文主要研究太阳能的光电利用：首先阐述了光伏技术的发展历史、国内外发展现状、工作原理及其制造工艺、器件种类、器件应用场合、应用前景，重点在于阐述了光伏电池工作原理和制造工艺。 前 言：太阳能硅光电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，发电的实质就是光子能量转换成电能。 绪论 本论文讲述了太阳能硅光电池的发展历史，各国使用太阳能电池的进展，主要论述了太阳能硅光电池的工作原理，制作工艺及流程，实例应用。综述了太阳能硅光电池将会给人们带来的各种益处，使用太阳能硅光电池是人类解决能源危机的必然选择。 目录 文摘 英文文摘 1绪论 1.1课题背景 1.2太阳能发展历史 1.3全球太阳能电池产业现状 1.4太阳能硅光电池基本原理简介 1.5论文内容概述 2太阳能硅光电池电池的基本原理 2.1太阳能硅光电池的种类 2.2太阳能硅光电池电池的物理基础 2.2.1原子的能级 2.2.2晶体结构 2.2.3固体的能带理论 2.2.4本征半导体和掺杂半导体 2.2.5电子和空穴的输运 2.3.1p-n结的形成及内场的建立 2.3.2电池的效率 2.4章小结 3太阳能硅光电池的制作过程和制作工艺 3.1半导体材料的选择 3.2半导体薄片的表面准备 3.3制结 3.4除去背结 3.5制作上电极 3.6光刻 3.7制作下电极 3.8制版 3.9铟镓砷/铟磷异质结光电池的研究 3.10本章小结 结论 致谢 参考文献 1.1课题背景:我国太阳电池应用领域在不断扩大，已涉及农业、牧业、林业、交通运输、通讯、气象、石油管道、文化教育及家庭电源等诸多方面，光伏发电在解决偏僻边远无电地区供电及许多殊场合用电上已起到引人注目的作用。但从总体的应用技术水平和规模上看，与工业发达国家相比仅有很大的差距，主要问题是光伏系统造价偏高、系统配套工程装备没有产业化、应用示范不够和公众对太阳电池应用的巨大潜力缺乏了解以及系统应用仅限于独立运行，还没有并网运行和与建筑业结合。因此，有必要加强太阳电池应用技术研究和示范，推进产业化，拓宽应用领域和市场。 1.2 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 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（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。 第四阶段门(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、太阳电他生产系统、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： （1）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。 （2）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。 （3）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。 （4）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》，《2I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。 1.3 全球太阳能电池产业现状 据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球有将近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。 目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国还推出了太阳能路灯计划,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太阳能7万套工程计划， 日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的尤里卡高科技计划，推出了10万套工程计划。 这些以普及应用光电池为主要内容的太阳能工程计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。 日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始，花4年时间完成。 目前,美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。 美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。 20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资, 1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。 我国太阳能电池产业现状 我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委光明工程将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 2002年，国家有关部委启动了西部省区无电乡通电计划，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线条生产线条生产线条单晶硅太阳能电池生产线条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测,目前我国光伏市场需求量为每年5MW,2001～2010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25％左右。在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有保定英利新能源、无锡尚德、开封太阳能电池厂、云南半导体器件厂、秦皇岛华美光伏电子、浙江中意太阳能、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在120MW以上。 1.4太阳能电池发电原理: 太阳电池如图一是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。 图 一 图 一 它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 如图二所示。 图 二用文字图描述如下： 图 二 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。 2 太阳能硅光电池的基本原理 当光线照射到硅光电池上时，电池吸收光能，产生光生电子一空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的二端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是“光生伏特效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有光生电流流过，从而获得功率输出。这样，近太阳光线的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 2.1太阳能硅光电池的种类 硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。出现了很多太阳能新型电池 （1）背表面电场（BSF）电池——在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。 （2）紫光电他一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（0．1一0．2μm）密栅（30／cm）、减 反射（Ta2O5—短波透过好）而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。 （3）表面织构化电池——也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率η≥15％，AMI时η＞18％。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。 （4）异质结太阳电池——即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩SnO／Si，In20／Si，（1n203十SnO2／Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2O3＋SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO2、In2O3、（1n2O3＋SnO2）是许多薄膜电他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。 （5）M1S电池——是肖特基（MS）电他的改型，即在金属和半导体之间加入1．5一3．0nm绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。 其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有20一40μm的SiO2膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作用是：①保护电池，增加耐候性；②作为减反射层（ARC）；降低薄膜复合速度：①在p-型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。 （6）MINP电池——可以把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。 （7）聚光电池——聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用200 Ωcm高阻n型材料并使电池厚度降低到100一160tLm，使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26．5％。 2.2太阳能硅光电池电池的物理基础 2.2.1原子的能级 原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨迹构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级，一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态和能级的含义相同。 硅光电池的研究的、由电子运动轨迹构成的壳层，电子只能在壳层里绕核转动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量等级，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动状态，所以能态、状态和能级的含义相同.电子在壳层中的分布必须满足下面两个基本原理:(1)泡利不相容原理。原子中不可能有两个或两个以上的电子处同一状态，原子中的电子状态用四量子数(主量子数n、副量子数1、磁量子数m、自旋量子数m:)描述。(2)能量最小原理。原子中每一个电子都有一个趋势，占据能量最低的能级。一般的说，最靠近核的壳层首先被电子占据。 一种元素的原子结构，决定着它的化学、物理性质，而外层电子的数目尤其重要。习惯把外层电子称为价电子，一个原子有几个外层电子就称为几价。如半导体硅有14个电子，原子结构为152、252、ZP‘、352、3P2，即K层、L层都己充满，而M层中的5层也已充满，但是P层只有2个电子，这是单个理想硅原子的结构。可见硅的最外层有4个价电子，故称为4价元素。原子和原子的结合主要靠外壳层的互相交合及价电子运动的变化。 2.2.2晶体结构 固体可以分为晶体和非晶体两大类。有确定的熔点的固体称为晶体(如锗、硅、锑化稼、冰等):没有固定熔点、加热时在某一温度范围内逐步软化的固体称为非晶体(如玻璃、松香等)。 (1)单晶、多晶、无定形 所有的晶体都是由原子、离子或分子在三维空间有规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的点阵或晶体格子，即晶格。将晶格周期性的重复排列，就可以得到整个晶体.对于非晶体而言，至多只能观察到一些近程有序的排列，这种近程有序而远程无序排列的非晶体称为无定形。一块晶体如果从头到尾都按同一种排列重复称为单晶。有许多微小单晶颗粒杂乱的排在一起的固体为多晶。 (2)晶格结构 (a)为简单立方结构。b)为面心立方结构。(c)为体心立方结构。(d)表示为金刚石结构的复式格子，由两个面心立方晶格在沿对角线互相套购而成。一些重要的半导体如硅、锗都是金刚石结构。伺表示闪锌矿结构，与金刚石结构不同之处是它的子晶格是互不相同的原子。 (3)晶体和键 晶体中原子与原子间的结合称为键合，简称键，键和晶体的结构有密切的关系。离子键构成离子晶体，在库仑引力和因两原子的闭合壳层互相重叠而产生的斥力平衡时，形成稳定的离子键，离子键使正负离子交错地排列在晶格上，形成牢固的离子晶体。 2.2.3固体的能带理论 描述电子在固体中运动需要用固体的能带理论。 (1)能带的形成 图 三孤立原子中的电子只能在各个允许的壳层上运动。而在晶体中，各个原子靠的很近，不同原子的内、外壳层都有了一定的重亚，重盛壳层的电子不再属于原来的原子独自所有，以通过量子数相同且又相互重叠的壳层，转移到相邻的原子上去，属于整个晶体所有，这就是晶体中的共有化运动。其结果就是使得孤立原子的单一能级为能带。每一能带由许多相距极近的能级组成，这些可以为电子占据的能带称为允带，两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带。禁带也称为能隙。未被电子填满的能带或空带称为导带;已被电子填满的能带称为满带或价带。图三为砷化稼的能带结构图。纵坐标为能量值，横坐标为动量，图三的下半部分为价带结构;上半部分是导带结构;导带最低点和价带最高点之间的能量差为禁带宽度。满带中的电子在外电场作用下不能移动，不能形成电流，故满带电子不起导电作。 图 三 2)金属、绝缘体、半导体 图 四 金属、半导体、绝缘体的能带图图(a)金属：能带交叠，即使极小的外加能量即引起导电；图(b)绝缘体：能带间距很大，不可能导电；图(c)半导体：导带中有少量电子，价带中有少量的空穴，有一定的导电能力。 图 四 金属、半导体、绝缘体的能带图 图(a)金属：能带交叠，即使极小的外加能量即引起导电；图(b)绝缘体：能带间距很大，不可能导电；图(c)半导体：导带中有少量电子，价带中有少量的空穴，有一定的导电能力。 从能带图四(图a)上可以看见导带和价带重叠，禁带消失，满带中的电子在电场作用下，可以自由的进入导带，于是金属就是良导体.在绝缘体(一般禁带宽度AE。二3~6ev)中，如二氧化硅，由于硅和氧之间存在着很强的离子键，这些键很难被打破，不可能提供导电的自由电子，所以它是绝缘体。在能带图四(图b)上可见二氧化硅的价带和导带之间的禁带很宽:E:‘5.2ev，价带中所有能级都被电子充满，而导带几乎是空的，弱电场既不能使价带电子移动，又不能使他们跃迁到导带，因此二氧化硅是一种良好的绝缘体。 2.2.4本征半导体和掺杂半导体 由同一种原子组成的半导体称元素半导体，二种以上原子组成的半导体称化合物半导体。绝对纯的且没有缺陷的半导体成为本征半导体，例如非常纯的锗称为本征锗。本征硅和锗的结晶纯度必须高于99.999999999外(有12个9)。在本征半导体中，导电的电子和空穴都是由共价键破裂而产生的，这时候电子浓度n等于空穴浓度p，这个浓度称为本征载流子浓度n。，n‘随温度的升高而增加，而随禁带宽度的减小而增加，在室温下锗的n，约为10.3/cm，，硅的n‘约为1010/cm3.常温下激发与复合动态平衡时，载流子较少，导电能力很差。温度越高，载流子越多，导电能力越强星空体育。 根据需要在本征半导体中掺入杂质后就可得到掺杂半导体。若在本征锗中加进111族元素硼以后，一个硼原子在晶格中于周围四个锗原子构成共价键时，缺少一个价电子，因而容易从别处夺来一个价电子，自身电离成负离子。可以认为硼原子带着一个很容易电离的空穴。在能带图中，这种杂质能级接近于价带顶E。，热运动能就能使空穴跳至价带。在半导体中，从半导体接受电子的杂质称为受主.全电离时，空穴浓度P二N，N‘为受主浓度。掺有受主杂质的锗称p型锗，在p型锗中，电子的浓度np远小于空穴浓度p，，电流主要靠空穴来载运，空穴为多子，电子为少子。 如果在本征锗中加入V族元素磷后，就会形成n型锗。对于这种提供电子的杂质称为施主，全电离时，电子浓度n.N。，N。为施主浓度·掺有施主杂质的锗称n型锗，在n型锗中，电子的浓度n.远大于空穴浓度p。，电流主要靠电子来载运，空穴为少子，电子为多子。一般掺杂中，同时存在施主杂质和受主杂质，这时候半导体的导电类型由浓度较高的那种杂质决定。 2.2.5电子和空穴的输运 室温下半导体中的电子和空穴始终在进行着无规则的热运动，而这种热运动不会引起净位移。有两种原因可以引起电子、空穴的净位移，这就是漂移和扩散。 (1)漂移 半导体受外电场作用，在载流子的热运动上迭加一个附加的速度，即漂移速度。对电子而言，其漂移方向与电场方向相反;对空穴而言，其漂移方向与电场方向相同。这样，电子和空穴就有一个净位移，从而形成电流。描述漂移运动的重要物理量是电子和空穴的平均速度和迁移率μ (2.1) (2)扩散 在半导体中，如果电子(或空穴)的浓度不均匀，则电子(或空穴)将在浓度梯度的影响下扩散，也同样会使电子(或空穴)发生净位移，而产生扩散电流。浓度梯度越大，扩散越快，通常用扩散系数D来描述不同材料的扩散性质。 2.3.1 p-n结的形成及内建电场 图 五 P-N结模型及能带图??? 可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量ΔE很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。 图 五 P-N结模型及能带图 P-N结能带与接触电势差： ??? 在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Eν之间的关系与结形成前状态相同。 ??? 从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差： qUD=EFN-EFP (2.2) ( 得: UD=(EFN-EFP)/q (2.3) q：电子电量 UD：接触电势差或内建电势 对于在耗尽区以外的状态： UD=(KT/q)ln(NAND/ni2) (2.4) NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。 可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。 禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。 光照下的P-N结 P-N结光电效应： ??? P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。 实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。 光照下的P-N结电流方程： ??? 与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时 I=I0eqU/KT - (I0+Ip) 令Ip=SE，则 I=I0eqU/KT - (I0+SE) (2.5) 开路电压Uoc： ??? 光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值： 0=I0eqU/KT - (I0+SE) Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0) (2.6) 短路电流Isc： ??? 光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。 ??? Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。 a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。 b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。 c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。 d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。 2.3.2 电池的效率 要判别一个太阳电池性能的好坏，最重要的就是转换效率(?)，转换效率定义为： (2.1) 其中Pin 为太阳光入射功率，Pm为最大输出功率， Im 与Vm 分别为在最大输出功率时的电流与电压。 提高效率的途径，为了提高电池的效率，可以从以下几点进行考虑: （1）绒面电池，依靠表面金字塔形的方锥结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在半导体中的前进方向，增加光生载流子的产量，同时也可以增加p-n结的面积，从而增加对光生载流子的收集率，使短路电流增加明显。 （2）电池背表面的光子反射层，在光电池的背面使用光滑表面的金属电极，可以反射到达底表面的光线，增加光电池的响应。 （3）优质减反射膜的选择，可以提高短路电流。 3 太阳能硅光电池制作工艺流程 硅定期地从炉中倒出，并用氧气或者氧--氯混合气体吹之以进一步提纯它。然后，它被倒入浅槽，在槽中凝固，随后被破成碎块。 全世界每年约生产一百万吨左右冶金级硅，主要用于炼钢和炼铝工业，这种硅的纯度通常为98%到99%，由表6.2的典型分析结果可看出，其中主要的杂质为铁和铝。还原过程的能量利用率相当高。全部工艺过程所需要的能量类似于提炼铝的钛一类的金属所需的能量。材料也相当便宜，冶金级硅产品的很小一部分进一步精炼为半导体级硅，供电子工业用。半导体级硅每年用不了几千吨。 图 七 硅中典型的杂质浓度3.3 冶金级硅提纯为半导体级硅 图 七 硅中典型的杂质浓度 用于太阳电池以及其他半导体器件的硅，其纯度级比冶金级更高，提纯硅的标准方法称为西门子工艺（方程6.2）冶金级硅被转变为挥发性的化合物，接着采用分馏的方法将其冷凝并提纯。然后，从这种精炼产品中提取超纯硅。 详细的工艺程序是，用HCl把细碎的冶金级硅颗粒变成流体，用铜催化剂加速反应进行： 释放出的气体经过冷凝器，所得到的气体经过多级分馏得到半导体级（三氯氢硅），这是酮工业的原材料。 为了提取半导体级硅，可加热混合气体，使半导体级的被还原。在此过程中，硅以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上，其反应式为： 后一步不仅需要大量的能量，而且产生效率低（～37%）。生产半导体级硅比生产冶金级硅所需要的能量增加很多的主要原因。在这个转化过程中，成本增加更大。因此，更有效地提纯冶金级硅一直是改进工艺的主要目标。 图 八 单晶硅的直拉工艺示意图3.4 半导体级多晶硅变成单晶硅片对于半导体点在工业来说，硅不仅要很纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶形式，工业上生产这种材料所用的主要方法是示于图6.2中的直拉工艺在坩埚中，将半导体级多晶硅熔融，同时，加入微量的器件所需的一种掺杂剂，对太阳电池来说，通常硼（p型掺杂剂）。在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够从熔融硅中拉出大圆柱形的单晶硅。通常用这种方法能够从生长直径超过12.5cm，长度1m到2m的晶体。硅太阳电池仅需左右的厚度及足以吸收阳光中波长合适的成分之大部分，因此，大单晶应切成尽可能薄的硅片，如图6.3所示。用目前的切片工艺（6.3）将前面介绍的大晶体切成比还薄的硅片并仍保持适当的生产速率是困难的。在加工过程中，一多半的硅因为刀槽或切割损失被浪费掉了。从半导体级硅变成单晶硅片过程中的低产率是标准硅工艺的又一薄弱环节。 图 八 单晶硅的直拉工艺示意图 图六 从圆柱硅棒切片 图六 从圆柱硅棒切片 对这种切片过程所采用的方法作了叙述和比较，加工过程中，大约一半硅棒因为刀槽或切割损失被浪费掉 6.5 单晶硅片制成太阳电池 硅片腐蚀（为了消除切片过程产生的损伤）并清洗之后，用高温杂质扩散工艺有控制地向硅片中掺入另外的杂质。 前节中已经提及，在标准太阳电池工艺中，通常将硼加到直拉工艺的熔料中，从而生产出p型杂质，以形成p-n结。磷是常用的n型杂质。最普通的工艺如图6.4所示，载气通过液态磷酰氯混入少量的氧后通过排放有硅片的加热炉管，这样，硅片表面就生成含磷的氧化层，在规定的炉温下（800到900c），磷从氧化层扩散到硅中。约20分钟后，靠近硅片表面的区域，磷杂质超过硅杂质，从而制得如图6.5（a）所示的一层薄的、重掺杂的n型区。在往后的工序中，再除去氧化层和电池侧面及背面的结，得到图6.5（b）的结构。 图 八 磷扩散工艺然后做出附着于n型区和p型区表面的金属电极。在标准工艺中，采用真空蒸发工艺来做此电极，将待沉积的金属在真空室中加热到足够高的温度，使其熔融并蒸发，结果凝结在真空室中以直线的方式能到达的较冷部分（其中包括太阳电池）。背电极通常覆盖整个背表面，而上电极则需要制成栅线形状。有两种工艺能有效地做出这样的栅线形状的电极：一种是采用金属掩模（图6.6），另一种方法是在电池表面先全部沉积金属，接着，用成为光刻法的照相技术将不需要的部分腐蚀掉。 图 八 磷扩散工艺 电极通常由三层金属组成。为了使电极与硅有好的附着力，底层采用薄的金属钛，上层是银，以提供低的电阻即可焊性。夹在这两层之间的事钯层，它可以防止潮湿气氛下钛和银之间的额不良反应。为得到好的附着力和低的接触电阻，沉积之后，电极在500～600度下烧结。最后，用同样的真空蒸发工艺在电池上表面沉积一层薄的减反射（AR）膜。 图 十 采用真空蒸发工艺和一个金属掩模来制作顶部金属栅线电板的示意图 图 十 采用真空蒸发工艺和一个金属掩模来制作顶部金属栅线电板的示意图 从硅片开始到做成地面用的太阳电池，成品率约为90%。每批硅片大概为40到100片，在同一时间内进行上述工序，这就使这种加工过程称成为很紧张的劳动。此外，真空蒸发设备与其生产能力相比是昂贵的。而且，由于蒸发工艺的特点，结果只有一小部分金属被蒸发到所需的地方。当采用象银这样的贵重材料时，这种工艺是很浪费的。 3.6 太阳电池封装成太阳电池组件: 太阳电池之所以需要密封不仅仅是为了提供机械上的防护，而且也是为了提供电绝缘及一定程度的化学防护。这种密封为支持易碎的电池及易弯曲的互联条提供了机械刚性，同时也为可能来自冰雹、鸟禽以及下落或投掷到组件上的物体所引起的机械损伤提供防护。密封还保护金属电极及互联免遭大气中腐蚀性元素的腐蚀。最后，密封也为电池组合板产生的电压提供电绝缘。某些系统的电压可比地搞1500V，密封的耐久性将决定组件的最终工作寿命，了；理论上，此寿命可达20年或更久。 系统密封设计必须具备的其他特性还包括：紫外（UV）稳定性，在高低极限温度及热冲击下电池不致因应力而破裂，能抵抗尘暴所引起的擦伤的自净能力，以及成本低廉。 组件的封装可以有几种不同的方法。其中一个极其重要的部分是提供刚性的结构层，这一层如图6.7中所示，它可以在组件背面或在组件正面。电池可以直接粘附在这一层上并密封在柔韧的密封胶中，或者密封在由这一层支撑的夹层中。最后一层如果在组件背面，将起抗潮湿的作用，如果在顶部，就要有自净特性，并能改善耐冲击特性。组件周边采用了某种方式的防潮密封。 图 十一 太阳电池的几种封装方法示意图 图 十一 太阳电池的几种封装方法示意图 （a）结构层在背面的密封形式 （b）结构层在背面的带夹层 （c）结构层在正面的密封形式 （d）结构层在正面的带夹层密封形式 对于图6.7（a）和（b）结构层在背面的密封形式来说，背面结构层最常用的材料是受过阳极化处理的铝板、陶瓷化的钢板、环氧树脂或窗玻璃。如果这一层用象木屑板那样的木料混合物可能最为便宜。对于图6.7（c）和（d）结构层在正面的密封形式来说，选用玻璃作为结构层是显而易见的。玻璃兼有优良的耐风雨性能、成本低的优点及好的自净特性。为使光容易透过，大部分设计都采用含铁低的钢化玻璃或回火玻璃。硅树脂已广泛地用来做粘结剂和密封材料，它具有好的紫外稳定性、低的光吸收特性和为减少组件的热应力所需要的合适弹性。但是，这种材料很贵。在有夹层的方法中，几家工厂已采用了聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和乙烯、醋酸乙烯（EVA）来作响应层的材料。 结构层在背面的形式的顶层给予组件自净能力，并在某些组件中起抗湿作用。这一层普遍选用低铁玻璃，也有采用聚丙烯之类的聚合物。这种结构可采用软硅树脂密封和一层较硬的硅树脂覆盖层来改善自净特性。对结构层在正面的形式，为了抗湿，背面曾最普遍选用聚酯树脂或聚氟乙烯。然而，所有的聚合物都有一点透湿性，为了解决这一问题，可在适当的聚合物层与层之间嵌入薄的铝箔或不锈钢箔。 图 十一6.8 电池间金属互联条的减应力环如果背面层是白色的，则利用零深度聚光效应，可能在一定程度上增加组件的输出（6.3） 图 十一6.8 电池间金属互联条的减应力环 照射到组件中电池之间区域的一些光将被背面层散射并且由玻璃盖板反向组件的工作区。这就增加了组件的输出，尤其当电池的装配密度较低时更是这样。 组件设计的另一个重要方面是电池之间的互联条，为了备用，通常采用复合互联条。这种互联条增加了组件对互联失效（由于腐蚀或疲劳）及电池损坏的承受能力。由于温度膨胀系数及扭曲负荷不同，使互联条产生周期性的应力。电池互联通常需要如图6.8所示的减应力环（6.5）。 3.6.2电池的工作温度: 不同的组件设计将使密封在其中的电池在相同的工作环境中有不同的温度。由于电池性能因温度升高而变差，所以，组件在较低的温度工作时，其性能将相对有所提高。 与其在相同的温度下比较不同组件的性能，还不如在不同的温度下去比较性能更合适，在每一种环境中，这个温度就是在典型的工作条件下电池所达到的温度。如果规定了一组标准工作条件（日照强度、风速和风向、环境温度、电池负载），那么，对每种形式的组件就会有一个特定的温度，即电池的正常工作温度。为了用非标准工作条件下的现场数据来计算这种温度，已研究出试验方法（6.6）。 现场数据表明，只要风速不是过快，太阳电池工作温度与环境温度之差大体上与入射光强成正比。根据经验，安装有漏天框架上的组件，在充足的阳光照射下，大多数市售组件的电池温度大约高于环境温度30度，因此，电池温度的近似表达式可写为 当组件安装于屋顶时，电池的工作温度将更高。 3.6.3组件的耐久性 因为地面环境中不存在使电池“用坏”的机理，所以太阳电池密封的耐久性将限定太阳电池系统的工作寿命。 过去，在现场观察到的组件损坏的原因又下面几类： 电池由于热波动或更直接地是由于冰雹引起的过度机械应力所造成的损坏。 金属化层受腐蚀。 不同密封层剥离。 密封材料变色。 灰尘堆积在组件“软”表面上。 由于应力消除得不够充分引起互联条的损坏。 随着现场经验不断增加，组件设计不断改进，寿命提高到20年是可能的。新设计组件的加速寿命试验通常是通过使该组件受到下列几种类型的应力来实现： 热循环 2.高湿 长时间紫外线照射 周期性的压力负载 这些应力通常会加速组件的损坏，其他可能要进行的鉴定试验包括： 冲击力试验 耐磨损试验 自净特性 柔软性 电绝缘性能 虽然对有软表面的组件尘土堆积会引起某些地方性能严重下降（6.7）但是，对玻璃面组件并不是主要问题。由于下雨和刮风引起的自净能力将使灰尘引起的功率损失低于10%。因为电池可以在散射光下工作，已经发现，甚至在故意用足够的灰尘覆盖使得仅仅能够识别组件中的个别电池的情况下，组件也能输出其峰值功率的相当大百分数（6.8）。 . 3.6.4组件电路设计 图 十二 6.9 串联电池组中输出失配电池的影响在短路的情况下，输出特性不好的电池成为反向偏置，并且消耗大量功率，串联电池组的电流输出决定于最差的电池 图 十二 6.9 串联电池组中输出失配电池的影响 在短路的情况下，输出特性不好的电池成为反向偏置，并且消耗大量功率，串联电池组的电流输出决定于最差的电池 当太阳电池互联在一起时，由于这些单体电池工作特性的失配，使组件的输出功率小于各个电池的最大输出功率之总和。这个差别即失配损失在电池串联时是最显著的。 串联电池组中特性最差的电池的过热比功率损失更重要。图6.9示出串联电池的联合输出特性。当组件短路时，组件中这两部分电池的端电压必须相等，符号相反，组件的短路电流可这样求得，即作一条曲线对电流轴的对称线，找出它与另一根曲线所示。注意，在这种情况下，最差的电池是反向偏置的，它消耗的功率等于途中阴影面积。由图6.9很容易看出，在某些情况下，最差电池会消耗掉其余串联电池产生的功率，直至其最大值。其结果会引起最差电池局部过度温升，而这种温升就可能使电池密封受到破坏，并导致整个组件损坏。组件中某些电池的局部阴影或破碎的电池一会引起类似的结果。 要证明串联电池组的开路电压是每个电池电压的总和是不困难的。由图6.9也容易看出另一个特性，即短路电流由串联电池组中输出电流最低的那个电池的电流确定。由此可见，在串联电池组中，短路电流的严重失配会引起其中较好电池的电流产生能力完全被浪费。虽然类似的失配损失在并联电池组中也有，但它们远不是如此严重。 为了减少上述影响的严重性，采用两种有效方法（6.9）。一种称为串--并联发，另一种是应用二极管。图6.10说明了描述这种组件电路设计方法shi4所用的术语。 用增加每个组件或分路的串联块及并联电池组的数目的方法，可以提高组件对电池失配、电池破裂及部分阴影的容忍度，这就是所谓的串并联方法。另一种方法是利用接在组件中的一组或多组串联块两端的旁路二极管。当串联块处在反向偏置时，旁路二极管则成为正向偏置，这就限制了在这方块中的功率损耗，并为组件或分路电流提供了低阻通道。 3.7 能量计算 对用于大规模发电的器件来说，在其工作寿命期限内，发电能力应比建造、使用和维护他们所付出的能量多，这只然是很重要的。下面请看标准工艺制造的太阳能电池在这方面的情况。 从石英岩中提取冶金级硅的过程能量的利用率相当高。考虑到开采、运输和制备这个工程使用的原材料所用的能量，以及加工所需的能量，生产1kg冶金级硅大约需要相当于24KWh电能的能量（6.1）。此能量与用同样算法求得的提取1kg用的能量或提取1lg钛的能量大致相同。 将冶金级硅提纯为半导体级硅的西门子工艺成本高、效率低、耗能多，因此它成为将来硅太阳电池工艺改进的主要方向。按以上同样算法，半导体级硅的能量消耗是621KWh/kg。 为了使这种纯硅变成单晶硅片，需要经过直拉工艺。直拉工艺所生产的圆柱硅榜，切片时半导体级硅得不到充分利用。硅棒加工成硅片材料利用率大约是。产率这样低的主要原因是切片工艺补理想。这种工艺主要浪费一半原材料，并且生产的薄片比光伏器所需要的厚度要厚。按以上同样算法，硅片的能量消耗是。电池的加工和密封估计又要增加。假定从硅片到成品组件的成品率为90%，则总的能量消耗为2170。 电池能够偿还制造它时投入的能量所需的时间与电池应用场所有关。在平均每天峰值日照为5小时、密封电池的效率为12%的情况下，每年产生的能量总计将达219，因此，能量的偿还时间稍短于10年。还有一些不太直接的能量消耗，例如制造用于电池生产的机械所需要的能量、出售和安装系统所需要的能量、动力储存和调节设备所需要的能量，这些将进一步增加这个偿还时间。 然而，重要的是，由于经济方面的原因，过去的一些工艺步骤阻碍了硅太阳电池的广泛应用，正是这些工艺耗费了制造电池所需要的最大部分。改进的硅太阳电池生产工艺，不仅提高了经济效益，而且显著地降低了制造电池所需的能量。采用这种工艺，能量偿还时间可从低效率的工艺流程所需的10年减少到不到一年。 小结 本节叙述了标准太阳电池制造工艺，这种工艺是为制造空间电池而研究出的，起初也用于制造地面电池。本章还叙述了将电池组装成能经得起风雨的组件的封装设计。在标准工艺中，有几个方面是希望改进的。 用本章叙述的标准工艺生产空间电池和过去的地面应用电池时所消耗的总能量与它们的输出能力相比相当大的。 2．研究与开发 中国光伏发电的研究开发工作，经过几十年的努力取得了不小的成就。有关研究单位、高等院校、工厂企业先后开展了单晶硅和多晶硅高效电池、非晶硅薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIS薄膜电池、多晶硅薄膜电池以及应用系统关键设备的研究开发。 近年来，在国家科技部和北京市的支持下，国家新能源工程中心和北京市太阳能光电中心取得一些可喜的研究成果。单晶硅高效电池效率达到19．79％，大面积6cm×5cm）刻槽埋栅单晶硅电池效率达到18．6％，多晶硅电池效率达到13．5％，10cm×10cm多晶硅电他效率达到11．8％；在多晶硅薄膜电池方面，采用快速热CVD技术在非活性衬底上制备的多晶硅薄膜电池效率达到12．11％，采用pECvD技术制备的微晶硅／非晶硅迭层薄膜电池效率达到9．5％。 在光伏发电的平衡系统方面，也取得了不小的进步。“八五”期间，开发出了独立光伏发电系统用的15kW和30kw的正弦波DC一AC逆变器，逆变效率大于90％；“九五”期间，在国家科技部的安排下，又开展了kW级井网逆变器的研究与开发，研制出了一系列光伏专用的和检测仪器。 在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、独立光伏电站、输油输气管道阴极保护光伏电源系统、家用光伏电源系统、光／风互补发电系统等的系统技术方面，也取得了不少研究成果和工程经验。 3．应用与市场 中国光伏电池的地面应用始于1973年。26年来，系统技术不断提高，应用项目不断增多，市场不断扩大。1980年以前，应用项目有限，功率很小，光伏电池年销售量不超过10kw。由于电池价格昂贵，1985年以前，主要是作为航标灯、铁路信号灯、气象台站观测仪表、电围栏、小型通信机、黑光灯、直流照明灯、割胶灯等的电源，功率不大。这是我国光伏发电市场应用的初级阶段。这一时期，在原国家科委的支持下，进行了一些对于今后市场开拓具有指导意义的示范工程，如太阳能无人值守微波中继站、小型太阳能充电站、农村载波电话光伏电源系统、石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统等。80年代后期，随着几条光伏电池生产线的引进，光伏电池价格下降，产量提高，应用领域不断开辟，市场逐渐拓展。 90年代以来，改革开放的大好形势，为光伏发电的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池已不再是仅仅作为小功率电源来使用，而是扩展到通信、交通、石油、气象、国防、农村电气化以及民用等国民经济的不同应用领域，光伏电池用量每年以20％以上的速率递增。到1998年底，中国光伏电他的累计用量已达13．2MW。 值得一提的应用项目有：（1）建成了40多座县、乡级小型光伏电站，光伏电池总装机容量约600kW，其中以为最多，达426kW；以1998年10月建成的那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量为最大，达100kw。（2）家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、以及辽宁、吉林、河北、海南的部分地区和四川的阿坝州等地已进入较广泛地推广应用阶段。据不完全统计，至今全国已累计推广应用家用光伏电源约15万台，光伏电池总功率约达2．9MW。（3）在22所农村学校建立了光伏电站，光伏电池组件的总装机容量为57kw。（4）1998年在中国通信史上建设难度最大的兰一西一拉光缆干线个光缆通信站采用光伏电池作电源，其海拔高度多在4500m以上，光伏电池组件的总功率达100kW。（5）1996年建成了塔中4一轮南输油输气管道阴极保护光伏电源系统，光伏电池组件总功率为40kw。该系统横贯塔克拉玛干大沙漠，总长达300km，工程环境恶劣复杂。（6）在1995年62个国家重点援藏项目之一的广播电视发射接收工程中，采用光伏电池供电。在自治区建区30年大庆之前，共建216套卫视接收站光伏电源供电系统和118套调频发射站光伏电池供电系统，光伏电池组件总功率为56kw。 表2列出了中国光伏电池历年的产量、价格和累计用量。 器件应用举例： (1)在太空应用 光伏电池最早应用领域是在太空，作为人造卫星的电源。我国神州五号载人飞船所用电能正是由太阳能电池提供。 (2)太阳能灯 太阳能灯是一种利用太阳辐射作为能源的灯，只要阳光充足就可以就地安装，不受供电线路影响，不用开沟埋线，不用消耗常规电能，是绿色环保产品。2008年北京奥运村道路两旁90%的照明将用这种对周围有极好点缀和装饰效果的太阳能灯。 (3)太阳能车和游艇 太阳能车和游艇是通过光伏发电装置为直接驱动动力或以蓄电池储存电能再驱动的车辆和船只。由于不污染水质、大气、不排放二氧化碳，不需其他能源。随着电池和控制技术提高，已经得到了飞速发展。 (4)在交通设施中应用 在高速公路上远离城市电网的服务区中建设光伏电站、紧急电话系统、视频监视器、可变情报、报警示灯等。目前我国沿海从南到北基本实现航标太阳能光伏电池化，公路上的警示灯、信号灯、标志灯等均得到很大发展。 (5)在通信方面应用 通讯/通信领域是太阳能光伏电源系统应用强项已广泛应用于微波中继站、光缆维护站、电力/广播/通讯/寻呼电源系统，农村载波电话光伏系统、通信机、士兵GPS供电。 (6)在家电中应用 特别适用于无电地区，如我国深圳的太阳能手提电源，已为成千上万农牧民解决用电困难。便携式家电有太阳能计算器、钟表、电脑、收音机、照相机、电视、手机充电器等。绿色家电的应用，有利环保。 (7)地面应用 如光伏水泵、畜牧围栏、植物保护、森林防火、太阳能玩具、石油、化工、运输等行业、钢铁结构、钢铁管道的阳极保护等。

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