太陽能電池的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)近幾年來，受世界太陽能電池發(fā)展“熱潮”的影響，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展空前高漲，本文收集了太陽能電池的一些有關(guān)技術(shù)，以供讀者參考。

（一）太陽能電池的發(fā)展歷史：

太陽能電池是產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)（簡稱光伏效應(yīng)）的半導體器件。因此，太陽能電池又稱為光伏電池，太陽能電池產(chǎn)業(yè)又稱為光伏產(chǎn)業(yè)。

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了20倍，今后10年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展。

世界太陽能電池的發(fā)展歷史如表1所示：

表1世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點

年份重要節(jié)點

1954美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6％

1955第一個光伏航標燈問世，美國RCA發(fā)明GaAs太陽能電池

1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8％。

1959第一個單晶硅太陽能電池問世。

1960太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到18％。

1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世

1978美國建成100KW光伏電站

1980單晶硅太陽能電池效率達到20％，多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％

1986美國建成6.5KW光伏電站

1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”

1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32％。

1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃

日本提出“新陽光計劃”

1998單晶硅太陽能電池效率達到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃”

2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池。

（二）、太陽能電池的種類

（三）、硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

硅太陽能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1?；静牧蠟閜型單晶硅，厚度為0.3—0.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個pN＋結(jié)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N＋區(qū)和p區(qū)形成歐姆接觸，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。

當入發(fā)射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，pN＋結(jié)空間電荷區(qū)和p區(qū)中激發(fā)出光生電子——空穴對。各區(qū)中的光生載流子如果在復合前能越過耗盡區(qū)，就對發(fā)光電壓作出貢獻。光生電子留于N＋區(qū)，光生空穴留于p區(qū)，在pN＋結(jié)的兩側(cè)形成正負電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當光伏電池兩端接一負載后，光電池就從p區(qū)經(jīng)負載流至N＋區(qū)，負載中就有功率輸出。

太陽能電池各區(qū)對不同波長光的敏感型是不同的。靠近頂區(qū)濕產(chǎn)生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的5－10％（隨N＋區(qū)厚度而變），pN＋結(jié)空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5％左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對紅外光敏感，占80－90％，是光生電流的主要組成部分。

（四）、太陽能電池的制造技術(shù)

晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖2。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流。

1、具體的制造工藝技術(shù)說明如下：

（1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。

（2）清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。

（3）制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。

（4）磷擴散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進行擴散，制成pN＋結(jié)，結(jié)深一般為0.3－0.5um。

（5）周邊刻蝕：擴散時在硅片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層。

（6）去除背面pN＋結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面pN＋結(jié)。

（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TIO2，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、pECVD法或噴涂法等。

（9）燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。

（10）測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。

由此可見，太陽能電池芯片的制造采用的工藝方法與半導體器件基本相同，生產(chǎn)的工藝設(shè)備也基本相同，但工藝加工精度遠低于集成電路芯片的制造要求，這為太陽能電池的規(guī)模生產(chǎn)提供了有利條件。

（五）、太陽能電池的芯片尺寸：

規(guī)模化生產(chǎn)太陽能電池的芯片尺寸分別為（103×103）mm2、（125×125）mm2、（156×156）mm2和（210×210）mm2的方片。目前的主流仍是（156×156）mm2，2007年將過渡到（210×210）mm2為主流芯片。最近德國已推出了代表國際最先進的（210×210）mm2硅片全自動生產(chǎn)設(shè)備。

芯片的厚度也愈來愈薄，從→300→270→240→210→180um，目前晶體硅片主要使用厚度為210—240um。

（六）、太陽能電池的芯片材料及轉(zhuǎn)換效率：

1、晶體硅（單晶硅和多晶硅）太陽能電池：

2004年晶體硅太陽能電池占總量的84.6％，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏產(chǎn)業(yè)的主導產(chǎn)品。在光伏產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著統(tǒng)治地位。

對于高效單晶硅太陽能電池，國際公認澳大利亞新南威爾士大學達到了最高轉(zhuǎn)換效率為24.7％，目前世界技術(shù)先進產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率為19－20％。對于多晶硅太陽能電池澳大利亞新南威爾士大學多晶硅電池效率已突破19.8％，技術(shù)先進產(chǎn)品的效率為15－18％。

2、非晶體硅太陽能電池：

α－Si（非晶硅）太陽能電池一般采用高頻輝光使硅烷分解沉積而成。由于分解溫度低（250－5000C），可在薄玻璃、陶瓷、不銹鋼和塑料底片上沉積1um厚的薄膜，且易于大面積化。非晶硅太陽能電池多數(shù)采用pIN結(jié)構(gòu)，有時還制成多層疊層式結(jié)構(gòu)。

非晶硅太陽能電池大量生產(chǎn)的大面積產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率為10－12％，小面積產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率已提高到14.6％，疊層結(jié)構(gòu)電池的最高效率為21％。

3、砷化鎵（GaAs）太陽能電池：

GaAs太陽能電池多數(shù)采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備，GaAs太陽能電池的效率可高達29.5％，一般在19.5％左右。產(chǎn)品具有耐高溫和抗輻射特點，但生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)量受限，主要用作空間電源。以硅片為襯底，擁MOCVD方法制造GaAs/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池是降低成本很有希望的方法，最高效率23.3％，GaAs疊層結(jié)構(gòu)的太陽能電池效率接近40％。

4、其他化合物半導體太陽能電池：

這方面主要有CIS（銅銦硒）薄膜、CdTe(碲化鎘)薄膜和Inp(磷化銦)太陽能電池等。這些太陽能電池的結(jié)構(gòu)與非晶硅電池相似。但CIS薄膜一般厚度為2－3um，已達到的轉(zhuǎn)換效率為17.7％。CdTe薄膜很適合于制作太陽能電池。其理論轉(zhuǎn)換效率達30％，目前國際先進水平轉(zhuǎn)換效率為15.8％，多用于空間方面。2004年世界各種太陽能電池產(chǎn)量的種類分布如表2

表22004年世界各種太陽能電池產(chǎn)量的種類分布

序號太陽能電池種類總產(chǎn)量（MW）百分比（％）

1單晶硅平板電池314.428.6

2多晶硅平板電池669.256.0

3非晶硅（室內(nèi)室外）47.13.9

4帶硅電池41..03.4

5CdTea（碲化鎘）電池13.01.1

6CIS(銅銦硒)3.00.25

7非晶硅/單晶硅電池80.06.7

總量1195.2100

（七）、提高太陽能電池效率的特殊技術(shù)：

晶體硅太陽能電池的理論效率為25％（AMO1.0光譜條件下）。太陽能電池的理論效率與入射光能轉(zhuǎn)變成電流之前的各種可能損耗的因素有關(guān)。其中，有些因素由太陽能電池的基本物理決定的，有些則與材料和工藝相關(guān)。從提高太陽能電池效率的原理上講，應(yīng)從以下幾方面著手：

1、減少太陽能電池薄膜光反射的損失

2、降低pN結(jié)的正向電池（俗稱太陽能電池暗電流）

3、pN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度減少，幷減少空間電荷區(qū)的復合中心。

4、提高硅晶體中少數(shù)載流子壽命，即減少重金屬雜質(zhì)含量和其他可作為復合中心的雜質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)缺陷等。

5、當采取太陽能電池硅晶體各區(qū)厚度和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

目前提高太陽能電池效率的主要措施如下，而各項措施的采用往往引導出相應(yīng)的新的工藝技術(shù)。

（1）選擇長載流子壽命的高性能襯底硅晶體。

（2）太陽能電池芯片表面制造絨面或倒金字塔多坑表面結(jié)構(gòu)。電池芯片背面制作背面鏡，以降低表面反射和構(gòu)成良好的隔光機制。

（3）合理設(shè)計發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)，以收集盡可能多的光生載流子。

（4）采用高性能表面鈍化膜，以降低表面復合速率。

（5）采用深結(jié)結(jié)構(gòu)，幷在金屬接觸處加強鈍化。

（6）合理的電極接觸設(shè)計以達到低串聯(lián)電阻等。

（八）、太陽能電池的產(chǎn)業(yè)鏈

（九）、上海太陽能電池產(chǎn)業(yè)概況：

上海對于光電轉(zhuǎn)換器件的研究起步于1959年。當時在中科院技術(shù)物理研究所和上?？萍即髮W等單位作為光電探測器件課題進行研究。上世紀八十年代，上海儀表局所屬的上海半導體器件八廠等單位生產(chǎn)小功率的蘭硅光電池在市場上銷售。八十年代后期，受世界太陽能電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的影響，上海開始建立專業(yè)的太陽能電池芯片生產(chǎn)企業(yè)和專業(yè)的研究機構(gòu)。近10年多來，隨著我國太陽能電池“熱潮”的到來，制造太陽能電池組件的企業(yè)紛紛建立，而且隨著單晶硅和多晶硅材料供應(yīng)緊張，許多小型的硅單晶企業(yè)也蜂涌而至。從上世紀九十年代以來，上海的太陽能電池產(chǎn)業(yè)逐步形成規(guī)模。

目前，上海地區(qū)從事太陽能電池芯片、組件、硅材料和設(shè)備生產(chǎn)和技術(shù)研究的單位共20余個。

其中，太陽能電池芯片制造的主要企業(yè)有上海太陽能科技有限公司、上海泰陽公司等。2006年中芯國際（上海）公司Fab10建成投產(chǎn)，利用8英寸硅單晶硅片制造太陽能電池芯片，開創(chuàng)了上海利用8英寸多晶硅片制造太陽能電池的新范例。目前，上海太陽能電池芯片的產(chǎn)量在30－40MW左右。上海太陽能電池組件的生產(chǎn)企業(yè)共有10個左右。主要企業(yè)仍有上海太陽能科技有限公司和上海泰陽公司（與上海交通大學合作）等。目前上海太陽能電池組件的產(chǎn)量為50－70MW左右。由于太陽能電池組件生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備要求較為簡單，因此，太陽能電池組件生產(chǎn)企業(yè)中，有多家為民營企業(yè)。由于國內(nèi)太陽能電池芯片供應(yīng)不足，這些企業(yè)往往采用進口芯片組裝后絕大部分返銷境外，僅少數(shù)投放國內(nèi)市場。

近幾年來，由于可提供太陽能電池芯片生產(chǎn)的硅單晶片和硅多晶硅片嚴重短缺，價格不斷大幅度上升，例如2003年進口電子級多晶硅每公斤為22－25美元，而2006年進口同樣多晶硅的價格上升200％至300％，有些經(jīng)銷商轉(zhuǎn)手倒賣時，價格甚至抬高5至8倍。在這種情況下，許多中小型的硅單晶生產(chǎn)企業(yè)蜂涌而至。從上世紀九十年代以來，在上海及周邊地區(qū)建立中小型太陽能電池硅單晶（或硅多晶）的生產(chǎn)企業(yè)達4至5個之多。上海通用硅有限公司和上?？返た斯荆ê腺Y企業(yè)）是其中有代表性的企業(yè)。它們各具有許多直拉單晶爐，可以拉制5.5″，6″，6.5″和8″直徑的硅單晶，形成了可供年產(chǎn)25——30MW太陽能電池芯片的市場。但是由于多晶硅原材料供應(yīng)不足，這些企業(yè)拉制的硅單晶原材料只能供給生產(chǎn)20MW太陽能電池芯片所用。因此，硅材料缺乏已成為抑制上海（乃至全國）太陽能電池產(chǎn)業(yè)封裝的瓶頸。因此，通過上海與外省市的合作發(fā)展多晶硅產(chǎn)業(yè)已是涉及到微電子產(chǎn)業(yè)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略問題。

（十）中芯國際（上海）的經(jīng)驗：

中芯國際（上海）為國內(nèi)集成電路（或半導體器件）芯片制造企業(yè)開展太陽能電池芯片或組件生產(chǎn)走出了一條成功之路，從中芯國際（上海）Fab10投產(chǎn)的實踐來看，證明了以下事實，即集成電路（或半導體器件）芯片制造企業(yè)太陽能電池芯片具有許多有利條件：

●基本工藝相同；

●廢舊硅圓片可充分利用，有利于降低制造成本；

●生產(chǎn)線設(shè)備基本上可用進口設(shè)備或國產(chǎn)設(shè)備節(jié)省投資；

●太陽能電池芯片制造若延伸至組件制造，更有利于企業(yè)獲得較好效益。

但由于集成電路（或半導體器件）芯片制造企業(yè)的可利用的單晶硅片數(shù)量有限，因此當太陽能電池芯片生產(chǎn)規(guī)模擴大時必須考慮其他晶體硅的來源。