非晶硅薄膜太阳能电池的新工艺及理论模拟.pdf

、厂’9 5 2 “；5 上 钽旦大学 学校代码1 0 2 4 6 学号0 3 3 0 2 1 0 9 1 硕士学位论文 专业学位 非晶硅薄膜太阳能电池的新工艺及理论模拟 院系 所 信息科学与工程学院 专 姓 业 电子与通讯工程 名 陈建明 指导教师张卫教孥 完成日期2 0 0 7 等 9 1 1 曼 摘要 摘要 论文对非晶硅太阳能薄膜的原理和工艺进行了深入分析和讨论，优化了一个最适 合投入批量生产的工艺。因为非晶硅薄膜的质量与材料、结构工艺设备有关，希望通 过本论文的系统研究，从材料、结构的改变和工艺水平提高的角度增强非晶硅太阳能 电池的竞争力。“太阳能极具吸引力，原因是太阳光用之不竭，一旦拥有设备，我们 就可以源源不断得到免费的能源。”对太阳电池的开发和利用，目前是世界各国研 究的重点，尤其在如今进入能源短缺的年代，制造太阳电池的材料、结构及工艺有多 种。其主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜和多晶硅薄膜，论文在分析和比较了其他 几种太阳电池的材料、结构和工艺特胜的基础上，提出了一个新的太阳能电池制作工 艺。 太阳能电池在非晶硅上取得令人鼓舞的结果，但由于缺陷的存在使得人们不断 探索新的工艺和其他薄膜电池，例如硒化铜 C d I n S e 2 或砷化稼 O a h s 等。尽管这些 材料在太阳能电池的性能上有较满意的表现，但这些材料大都含有毒物质，并且非常稀 少，因而限制它们的全球应用。也有人用有机材料，但它的转化效率非常低并且稳定 性差。西门子宣布可以把这种电池的转换效率从通常的3 ％提升到5 ％，但从总体上 看，目前全球大约9 0 ％的薄膜太阳电池的生产仍是基于氢化非晶硅 a - S I H 的技 术。本文基于非晶硅薄膜制造，其原因如下非晶硅薄膜太阳能电池现在在光电市场 越来越重要，在过去十年非晶硅薄膜太阳能电池义已经实现了超过1 3 ％的转换效率， 如今利用各种结构可以有更高的转换效率。非晶硅薄膜比单晶硅的转换效率多4 0 倍， 薄膜厚度仅需要1 微米便可吸收约9 0 ％的可用光能量。在与单晶硅和多晶硅太阳电 池相比，非晶硅薄膜电池的光电成本非常低。非晶硅可以淀积在塑料、玻璃和金属上， 使非晶硅是理想的构造P V 产品并且容易实现大面积化。非晶硅对太阳光有很高的吸 收系数，并产生最佳的光电导值，很容易实现高浓度可控掺杂，可以在很宽的组分范 围控制它的能隙变化，形成异质结，并有十分低的界面态。非晶硅沉积温度低，薄膜 制作的工艺简单，仅通过各种气体源就可一次性连续完成复杂器件的制作，所以成本 低易于实现大生产。 本文主要探索了一种新的非晶硅薄膜电池结构D P I N ，即对称P I N 结构。该结构 非晶硅薄膜电池制造工艺简单，成本较低并且巧妙采用新对称上艺 注意不需要高温 沉积 使电池效率达到1 1 ％以上，并且电池的稳定性较好。论文对其结构进行了模 型设计模拟和分析，建立了一套最优化的工艺参数，并结合目前成熟的等离子体增强 化学气相沉积法 P l a s m a - e n h a n c e dC h e m l c a lV a p o rD e p o s i t i o n ，简称P E C V D 、热丝 化学气相法 H W - C V D 和微波电子回旋共振化学气相沉积，设计出一套对称L P E C V D 化学气相沉积工艺，从理论上分析了淀积的原理，推导出最佳的工艺参数。该工艺有 较大的淀积率，用S I H 4 制备I 层的淀积率达到l A ／s ，理论上用B 2 H d S l l 4 4 气体可以均 匀制备P 层，用P H 3 S l H 4 制备N 层。利用对称流量控制和P I D 控制，能够得到片 内和片问较均匀的薄膜。分析了非晶硅太阳电他的模型，进行了对称结构电池的模拟 第1 页 复旦大学工程硕士学位论文 验证，证实了其优越眭。并制作了双层结构的薄膜电池，测试结果表明增加了1 3 个 小时的光电效应，大大提高了利用率。 一 关键词1 } 品硅薄膜，透明f 也板T C 0 、t 1 品硅肘称P 【、结构、肘杨I 乜离加强化学7 、相 沉默工艺、等效模型、电也模拟 中图分类号T K 5 1 第Ⅱ页 A B S T R A C T A B S T R A C T T h et h e s i sf o c u s e so nt h ea n a l y s i so fa ．S i Ha m o r p h o u st h i n ．f i l ms o l a rc e l l ’s t h e o r ya n da p p r o a c l l ’a n dd e s i g n sab e s ta p p r o a c ht od op r o d u c t sw i t hh i g hq u a l i t y ．A s w ek n o w , t 1 1 ef a b r i c a t i o nc o n d i n o na n dd e v i c em a t e n a l ．s t r u c t u r e sa n dp r o c e s sd e e p e r i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fa - S i ．Ha m o r p h o u ss o l a rc e l l ．W ew i l lt r yt oe n h a n c ea n d i m p r o v et h ea p p r o a c hb ys y s t e ms t u d y , a n dm a k et h ep r o d u c t sw i t hn e wa p p r o a c hh a v ea s t r o n gc o m p e t i t i o n ．“S o l a re n e r g yi sv e r yh i g ha t t r a c t i o n ，a st h es o l a re n e r g yi sc l e a na n d c a nn e v e ru s eu p ，o n c ew eh a v et h ed e v m e ，w ec a ng e tt h e e n e r g yf r e e w a r ea n d c o n t i n u o u s ．”I ti sv e r yi m p o r t a n tf o ra l lo ft h ew o r l do fg o v e m m e n t sn o wt od e v e l o p m e n t a n ds t u d yt h eu t i l l z a t i o nt h es o l a rc e l l ．e s p e c i a lw ea r eg o i n gi n t oat h et i m eo fs h o g a g e o fe n e r g v ．A tp r e s e n tt h e r ea r el o t so fd l f i e r e n ta p p r o a c ht og e tt h es o l a rc e l l s ．B u ta l l w i t h i nf o u rt y p e ，s i n g l e ．c r y s t a l h n eS is o l a rc e l l ，p o l y c r y s t a l h n es i h c o ns o l a rc e l l s ， t h i n ．f i l mp o l y c r y s t a l h n es i h c o ns o l a rc e l l sa n da - S l Ha m o r p h o u st h m ．f i l ms o l a rc e l l ． B a s e do na n a l y s e so fd l f i e r e n tc e l l s ．t h et h e s i sp r o v i d e san e wc o n s t r u c t i o no fa - S 1 H a m o r p h o u st h i n f i l ms o l a rc e l l ． D e s p i t et h ee n c o u r a g i n gr e s u l t so b t a i n e dw i t ha - S i H ，s o m ed r a w b a c k s p r e s e n t e d b e l o w lh a v el e dt ot h es t u d yo fav a r i e t yo fa d t i o n a lt h i nf i l mt e c h n o l o g i e sf o r p h o t o v o l t m ca p p h c a t m n sO no n eh a n d ，a l t e r n a t i v et h i nf i l ms i l i c o n ．b a s e dm a t e d a l sh a v e b e e n p r o p o s e d ．H e n c e ，p o l y c r y s t a l l m es i l i c o n p o l y S i H ，m i c r o c r y s t a l h n e s i l i c o n ∽．S i H o rn a n o c r y s t a I l m es i l i c o n R e ．S i H ，a l lo ft h e mc o n s i s t i n go fam i x t u r eo fb o t h a m o r p h o u sa n de r y s t a l h n em a t c h a l ，h a v er e c e i v e dm u c ha R e n t i o n ．0 nt h eo t h e rh a n d ， d i 虢r e n tm a t e r i a l ss u c h 私C o p p e rI n d i u mD i s e l e n i d e C u l n S e 2 ．C a d m i u mT e l l u r i d e C d T e o rG a l l i u mA r s e n i d e O a A s h a v ea l s ob e e ni n t r o d u c e di n t op h o t o v o l t a i cr e s e a r c h ． A l t h o u g ht h e s em a t e n a l sr e s u l ti ns o l a rc e l l sw i t hs a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e s ．t h el l s eo f t o x i ce l e m e n t sa n d ／o rt h el a c ko f a v a i l a b i l i t yo f s o m eo f t h e m ，l i m i tt h e i rg l o b a la p p h c a t i o n ． O r g a n i cm a t e r i a l sh a v ea l s ob e e nr e c e n t l yp r o p o s e d ．N e v e r t h e l e s s ，l o wc o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e sa n dp o o rs t a b d l t ya r es n l lo b s e r v e d ．a l t h o u g hS I E M E N Sr e s e a r c h e r sh a v e r e c e n t l ya n n o u n c e da ni n c r e a s eo f t h ee f f i c i e n c yo fo r g a n i cs o l a rc e i l sf r o mt h ec o m m o n l y o b t a i n e dv a l u eo f3 ％t oo v e r5 ％．I ns u n l m a r y ．a n dd e s p i t et h er e c e n tp r o g r e s so b t a i n e d 一 、析t ha l t e m a t i v em a t e r i a l s ．a r o u n d9 0 ％o ft h et o t a lt h i nf i l ms o l a rc e l l sp r o d u c t i o ni ss t i I I b a s e do ns i l i c o nt e c h n o l o g i e s ． A ni n i u a le 船c i e n c y 豁h i g h 嬲1 1 ％h a sb e e na c h i e y e dw i t ha na m o r p h o u ss i l i c o n i np a s td e c a d e ．w h i c hh a sn o ws t a r t e dt ob ep r o d u c e dc o m m e r c i a l l y ．A ne v e ng r e a t e r i n i t i a le f f i c i e n c yo fa ．S l Hh a sb e e na c h i e v e di nd e v i c e sw i t has m a l ls i z e ．I ns o m em e a n s ． a m o r p h o u s s i l i c o na b s o r b ss o l a rr a d i a t i o n4 0t i m e sm o r ee m c i e n t l yt h a nd o e s s i n g l e ．c r y s t a ls i l i c o n ．s oa f i l mo n l ya b o u tlm i c r o m e t e r - - - o ro n eo n e ．m i l l i o n t ho fa m e t e 卜t I l m kc a na b s o r b9 0 ％o f t h eu s a b l el i g h te n e r g ys h i n i n go ni t ．T h i si so n eo ft h e c h i e fr e a s o n st h a ta m o r p h o u ss i l i c o nc o u l dr e d u c et h ec o s to fp h o t o v o l t ．O t h e re c o n o m i c 第l I I 页 复旦大学工程硕士学位论文 a d v a n t a g e sa r et h a ti tc a l lb ep r o d u c e da tl o w e rt e m p e r a t u r e sa n dC a nb ed e p o s i t e do n l o w - c o s ts u b s t r a t e ss u c ha sp l a s t i c ．g l a s s ．a n dm e 诅I ．1 1 1 i sm a k e sa m o r p h o U Ss i l i c o ni d e a l f o rb u d d i n g ．i n t e g r a t e dP Vp r o d u c t st h a te a s yt om a k eo nl a r g ea r e a ．A n dt h e s e c h a r a c t e n s t i c sm a k ea m o r p h o u ss i l i c o nt h el e a d i n gt h i n f i l mP Vm a t e r i a l ．A m o r p h o U S s i l i c o na tP Va r e at h a th a v es p e c i a lc h a r a c t e r i z e ，a n dt h et h i n ．f i l mh a v eg o o da b s o r b c o e 佑e i e n t ，m o r eA m o r p h o U Ss i h c o nc a ng a i nam a x i mP Vv a l u e ．A ．S i Hs o l a re e l lC a nb e m a d eb yh i 曲d e n s eg a sa n dc o n t r o l l a b l ed o p e ．T h a ti Sb a s ea n di m p o r t a n tc h a r a c t e r i z eo f t h i n f i l ms o l a rc e l l ．n ee n e r g yg a po fa - S i Hw i t h i naw t d er a n g e ，t h ef a b r i c a t i o no f c o m p h c a t i o nc a l lb ef i n i s h e db va l lk i n d so fg a s e st og e tal a r g eS C a l ea n du n i f o r m i t yl O W C O s ts o l a rc e l l ．a n dP u ti ti n t ol a r g ep r o d u c t i o n ． T h et h e s i sd e v e l o p san e wa - S o H 廿l i n - f i l ms o l a re e l l t hn e ws t r u c t u r e sD P I N d o u b l eb a l a n c eP I N ．C o m p a r e do n es i n g l eP I Ns o l a rc e l l ．t h i sn e ws t r u c t u r es o l a re e l l d o e s n ’tn e e dah i g h t e m p e r a t u r ed e p o s i t i o np r o c e s s ，r e s u l t i n gi ns i m p l e ra p p r o a c ha n d l o w e rC O s t ．H o w e v e ri th a sah i g l le m c i e mo f c o n v e r s i o nu pt o1 2 ％，a n dam o r es t a b l eo f q u a l i t y ．A c c o r d m gt ot h eD P I N ．an e wm a t hm o d u l ei Sp r o p o s e dt oa n a l y s i st h ep a r a m e t e r o fp r o c e s sf o ro p t i m i z i n gf a b r i c a t i n gp r o c e s s e s ．B a s e do nP E C V Dp r o c e s s ．H W ．C V D p r o c e s sa n dM W ．E C R - C V Dp r o c e s s ．an e w d o u b l eL P E C V Dp r o c e s si sd e v e l o p e d ．w h i c h U S e Sb a l a n t ep r e s s u r ea n db a l a n c ef l o wc o n t r o la n dP I Dc o n t r o lS i H 4g a st od e p o s i tIl a y e r w i t har a t eu Dt o1M s ．Nl a y e ra n dPl a y e rc a l lb ed e p o s i t e db yP H l S i H 4m i x t u r e sa n d B 2 H 6 S i 也m i x t u r e s , r e s p e c t i v e l y ．F a b r i c a t es o l a re e l la n dt e s tt h er e s u l t ．O t h e ri n t r o d u c e t h eT C 0 a p p r o a c hf o ry o u ri n f e r e n c e ．As o l a rc e l lW l t hd o u b l el a y e r sb a s e do nt h en e w s t r u c t u r ei sf a b r i c a t e d , a n dh a sag r e a t e ru t i l i z a t i o nr a t ew i t l la d d r a g1 3h o u r st i m eo f p h o t o e m i s s i o n K e yw o r d s a - S i ‘Ht h i n - f i l ms o l a rc e l l ，T C O ，D P I N ，b a l a n c eL P E C V D ，M o d e l ，C e l l S i m u l a t i o n 第Ⅳ页 第一章简介 1 ．1 前言 第一章简介 我国1 2 亿人口的大约7 0 ％居住在农村。虽然中国经济在最近2 0 多年有了较陕 的发展，但能源问题对经济和环境的影响比较严重，农村则更为突出。中国能源供应 中煤占一次能源总消耗的7 3 ％- 7 5 ％，占主导地位。煤的直接燃烧给环境带来严重 影响。从环境和能源双重考虑，中国政府计划并采取有效措施发展可再生能源技术。 中国有丰富的太阳能资源，2 ／3 以上国土面积的年总日照量超过5 G J ／M 2 、年平均日照 超过2 ，2 0 0 小时 图1 有开发利用太阳能的有利条件。中国太阳能光伏技术开始 于2 0 世纪7 0 年代，开始时主要用于空间。7 0 年代周期后，光伏应用逐渐扩大到地 面并形成了中国的光伏产业。光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用， 并将在2 l 世纪可持续发展中发挥更大作用。现代工业的发展，一方面加大对能源的 需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导 致全球性的“温室效应”。为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能 源。作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用 太阳能发电具有环保等优点，而且不必考虑其安全性问题。所以在发达国家得到了高 度重视，欧洲联盟国家计划在2010 年太阳能光电转换的电力占所有总电力的1 ．5 ％，美国启动了“百万屋顶”计划。在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低 成本高效率地利用太阳能尤为重要。我国目前仍有大约6 0 0 0 万人生活在无电地区， 急需生活用电。在边远农村地区的市场上可以供应小型成套光伏系统，如l O W p 携便 式照明灯、2 0 W p 家庭照明系统，5 0 W p 黑白电视系统，1 0 0W p 彩电系统，并且很受欢 迎。为尽快解决边远无电地区人民的用电问题，国家计委推出了“中国光明工程”， 此项计划正在执行；同时，世界银行为开拓中国可再生能源市场的G E F 项目也在执行 中。我国社会、经济的快速发展为为光伏市场提供了更好的发展机遇和空间，可以期 望，并网屋顶系统及电站也会很快进入市场。在市场和生态环境的驱动下，我国光伏 工业预料会一个大的发展。表l 给出了我国光伏产业和市场按照正常发展和环境驱动 两种方案的发展估计。 表1 ．1 我国未来光伏产业和市场发展的估计 时期 年生产量，M W p组件成本，R M B W p总安装容量，M W p 正常 E D 正常 E D 正常 E D 2 0 0 032 8 3 01 8 2 0 0 51 02 02 0 一2 51 6 ～1 87 01 0 0 2 0 1 03 06 01 5 2 01 3 ～1 51 5 03 0 0 第l 负 复旦大学工程硕士学位论文 目前大约有4 0 多个研究机构和大学参与光伏研究开发活动。研究领域涉及太阳 电池、光伏材料、光伏系统和部件等。我国目前有4 个单晶硅太阳电池和组件制造厂 秦皇岛华美光电公司、昆明云南半导体器件厂、开封太阳能电池厂、宁波太阳电池厂 和两个非晶硅电池厂哈尔滨．克罗拉太阳能电力公司和深圳非晶硅电池厂。总的生 产能力约4 ．5 M W ，2 0 0 0 年实际生产3 姗。商业化单晶硅电池的效率在l l ％一1 3 ％之 间 中l O c m 或l O x l o c m 2 ，非晶硅电池效率在5 ％～6 ％之间。其中昆明和宁波电池厂 正在向2 M W 能力扩大。有些公司正在建立新的太阳电池和组件生产线，如上海太阳能 有限公司正在建立2 M W 电池生产线，保定英利新能源有限公司正在组建1 6 M W 电池和 组件生产线，无锡尚德太阳能电力公司投资1 8 0 0 万美元建立I O M W 多晶硅电池生产线， 并与今年投产，计划5 年内是生产能力达到3 0 M W 。可以说，我国光伏产业正面l 晦着 一个大的发展。 1 ．2 论文目的 目前，太阳能光伏发电系统无运动部件，运行可靠，少维护，寿命长，而且电能 易利用、易输送、易储存，光伏发电是太阳能利用中最具活力的领域，它引起世界各 工的关注，成为各发达国家研究开发的热点。世界上太阳电他的实验室效率最高水平 为单晶硅电池2 4 ％ 4 c m 2 ，多晶硅电池1 8 ．6 ％ 4 c m 2 ，I n G a P ／G a A s 双结电池 3 0 ．2 8 ％ A M l ，非晶硅电池1 4 ．5 ％ 初始 、1 2 ．8 稳定 ，碲化镉电池1 5 ．8 ％， 硅带电池1 4 ．6 ％，二氧化钛有机纳米电池1 0 ．9 6 ％。以下是国际目前的研究 的进展。仅供参考。 图l 国际上从1 9 7 6 年到2 0 0 4 年太阳能电池效率的改进图 第2 页 第一章简介 我国于1 9 5 8 年开始太阳电池的研究，4 0 多年来取得不少成果。但我国现有太阳 电池研制和生产水平与国际先进水平相比还有很大的差距，寻求新技术、新材料、新 工艺，以提商太阳电池转换效率，大幅度降低生产成本，是我国太阳能光伏界面临的 紧迫任务。目前，我国太阳电他的实验室效率最高水平为单晶硅电池2 0 ．4 ％ 2 c m X 2 c m ，多晶硅电池1 4 ．5 ％ 2 e m X 2 c m 、1 2 ％ 1 0 c m x1 0 c m ，G B A s 电池2 0 ．1 ％ 1 c m Xc m ，G a A s ／G e 电池1 9 ．5 ％ A M 0 ，C u l n S e 电池9 ％ 1 c m Xl c m ，多晶 硅薄膜电池1 3 ．6 ％ 1 c m Xl c m ，非活性硅衬底 ，非晶硅电池8 ．6 ％ 1 0 c m X1 0 c m 、 7 ．9 ％ 2 0 c m X 2 0 c m 、6 ．2 ％ 3 0 c m 3 0 c m ，二氧化钛纳米有机电池1 0 ％ 1 c m 1 c m 。 摘自太阳能学报特刊2 0 世纪太阳能科技发展的回顾与展望李锦堂 以下内容是国内目前研究太阳电池的发展和机遇以及挑战仅供参考， 光伏产业 太阳能发电产业 在太阳能电池发展了5 0 年后，终于在2 0 0 4 年跨越 了历史的分水岭，正式进入了起飞阶段。随着德国政府在2 0 0 4 年1 月1 日公布再 生能源法，将太阳能选为主要的替代能源，以实际措施普及太阳能发电 政府不但补 助民间装设太阳能模块，更保证以一定费率购回电力 ，太阳能电池产业正式进入了 需求的迅猛增长期。2 0 0 5 年2 月，京都议定书的生效再次将可再生能源的利用 推向了规划的新高潮。为了履行相关义务及表明姿态，欧盟、日本以及未签署协议的 美国、澳洲等西方发达国家均推出了可再生能源发展计划。各国更是继再生能源法实 施之后进一步加大太阳能发电系统的采购力度，国际太阳能市场一片繁荣。在这种情 况下，0 4 年之后的太阳能电池厂商似乎走入了天堂。面对如此广阔的发展前景，光 伏企业普遍急于扩张产能。但客观存在的现实是，一方面整个产业链的扩张并不是同 步的，呈现出了整条产业链“下大上小”的“金字塔”格局，硅片厂商产能扩张速度明显 滞后于电池片厂商；另一方面，为保障本国太阳能电池的国际竞争力，出口太阳能电 池板所需核心原材料的日本、德国、瑞典等国家纷纷削减了对中国的供应量，国内光 伏下游企业多数处于“无米为炊”的境地。在整个产业链中，硅料是进入壁垒最高的环 节，最上游提供太阳能电池级硅材料 纯度为9 9 ．9 9 9 ％- - 9 99 9 9 9 ％ 的专业生产厂商 只有一家美国企业S o l a r G r a d e S l l i c o n L L C ，另外还有3 家生产半导体级多晶硅 纯 度为9 9 ．9 9 9 9 9 9 ％～9 9 ．9 9 9 9 9 9 9 ％ 的厂商也生产太阳能电池级硅材料日本的 T o k u y a m a 、美国的H e m l o c k 及德国的W a c k e r ，以及新进入的J S S I 、E L K E M 等。众 多太阳能终端企业并不具备生产关键中间件晶体硅的能力，由于将原料硅提炼成晶体 硅再切割成太阳能电池所需要的硅晶片需要巨额投资，目前全球仅有德国 B P S O L A P ．、德国Q c e l l 、日本S H A R P 、英利新能源四家有能力运作。但前三家都是 外国大企业，中国企业要向这些垄断企业要货代价高昂，而且容易由于国家利益的存 在受到约束，而中国最大的太阳能光伏发电组件生产商保定英利能源有限公司，虽然 在2 0 0 5 年初投资约2 0 0 0 万美元兴建自己的晶体硅生产切割线，但目前仅能满足自己 对晶体硅硅片的需求，远未能提供给国内其他太阳能光伏发电企业。因此，0 4 年太 阳能多晶硅供应紧张，价格持续上涨。在无法获得有效原料供给的情况下，部分太阳 能电池片厂商还不得不以高价购买半导体级多晶硅进行生产。虽然价格的上涨对太阳 能电池系统价格影响有限，但能否获得原料直接制约了下游厂商产能的实现。而就现 已公布的原有企业 S G S 基于老工艺的太阳能多晶硅的扩产计划及新进入者 J S S I 、 第3 页 复哩大学工程硕士学位论文 E L K E M 量产公告而言，在未来3 4 年太阳能电池原料还将持续紧张，下游企业量 产面临的最大问题将是获得原材料的困境。0 7 、0 8 年按新工艺投资的产能兑现以后， 太阳能多晶硅才能达到基本的供需平衡。因此，光伏行业将在0 5 - - 0 7 年进入盈利 的黄会时期，但真正能够从中掘会的还是靠近上游且能够获得充足原材料供应的企 业。受制于硅料瓶颈，在未来几年，电池片、电池组件厂商的开工率将逐年下滑，实 际产量仍难以满足需求3 0 ％以上的增长，因此，对于这个行业应慎重扩产，理性判 断还是根本。从以上信息，我们可以得知，提高太阳电池的光电转换效率和降低成本 是太阳电池研究的主要方向。要得到太阳能电池级硅材料 纯度为9 9 ．9 9 9 ％一 9 9 ．9 9 9 9 ％ 的投资巨大。并且太阳能电池原料还将持续紧张，硅片的切片厚的已经为 O ．3 m m ，接近极限厚度。而薄膜电池只需几微米在理论上可以达到单晶非晶硅的转换 效率。所以谁能最大利用材料，将能获利最大。薄膜太阳电池能够最大幅度降低材料 的用量，是降低太阳电池成本最有效的手段，非晶硅薄膜电池是实现高稳定、高效率、 低成本最有前途的方法之一，因而成为国际光伏届研究的热点。由此可见非晶硅是非 常有前途的太阳电池，具有巨大潜力，它有如下的挑战 1 光伏村料硬非晶硅薄膜电池退化机理和稳定忤的改进； 2 谱域电池结构设汁、光电子转换和低复台输远机制 ． 3 成本、向十牛能、窄带隙兆伏材} } ； 4 速沉年f j f J 亡质光伏材} } 昀机理部工艺。 5 溥膜哆度t 太积1F 乜池性能的影嗣。 1 ．3 本章小结 本章介绍了能源问题对我国的重要性尤其是太阳能的利用对我国有极其重要的 作用，我国的光伏市场提供了非常好的发展机遇和空间，但我国现有太阳电池研制和 生产水平与国际先进水平相比还有很大的差距，寻求新技术、新材料、新工艺，以提 高太阳电池转换效率，大幅度降低生产成本，是我国太阳能光伏界面临的紧迫任务。 目前核心技术掌握在少数几个国家中，如何实现突破将是关键。我的论文就是对目前 最具有前途的非晶硅氢化太阳薄膜电池进行研究，薄膜太阳电池能够最大幅度降低材 料的用量，是降低太阳电池成本最有效的手段，非晶硅薄膜电池是实现高稳定、高效 率、低成本最有前途的方法之一，分析其原理结构来迎接挑战。 第4 页 第二章太阳电地T f r 原理及种类 第二章太阳电池工作原理及种类 2 ．1 太阳电池的工作原理 2 ．1 ．1 半导体的内光电效应 太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到p n 结上时，产生电 子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内 建电场的吸引，电子流入n 区，空穴流入P 区，结果使n 区储存了过剩的电子，P 区 有过剩的空穴。它们在p n 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部 分抵消势垒电场的作用外，还使P 区带正电，N 区带负电，在N 区和P 区之问的薄 层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有 与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将P N 结 两端开路，则由于电子和空穴分别流入N 区和P 区，使N 区的费米能级比P 区的费 米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差V o c 。可以测得这个值，并称为开 路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等， 并由此可以决定V o c 的值。 2 ．1 ．2 半导体的能量转换过程 太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的