项目名称：新型微纳结构硅材料及其广谱高效太阳
能电池研究
首席科学家：李晋闽中国科学院半导体研究所起止年限：2010年1月-2011年10月
依托部门：中国科学院
一、研究内容
1、拟解决的关键科学问题
本项目从国家清洁能源的重大需求和太阳能产业发展的长远规划出发，借鉴国内外相关研究经验，针对在激光微构造黑硅材料及其高效太阳能电池研制中遇到的关键性难点，由表及里，归纳拟解决的关键科学问题如下：
（1）超快激光脉冲微构造硅表面的动力学过程
黑硅表面准有序晶锥是在数百次超快脉冲激光辐照化学辅助刻蚀下形成的，其微观结构和形成过程与激光能量、波长、脉宽、频率、和环境气氛等诸多因素密切相关。对超快激光脉冲微构造硅表面动力学过程的研究，不仅能深入理解黑硅表面微结构的形成机理，更是制备高质量黑硅材料的重要前提。
为此，需要研究超快激光脉冲所致硅表面波纹、熔融中间态和晶锥的形成过程及其物理机制，如研究辐照初期硅表面波纹形成过程中入射波、散射波和激发波之间的干涉，表面毛细作用，表面声波和表面张力梯度等各种因素的作用。（2）黑硅材料的减反、广谱吸收与表面微纳结构的关系
黑硅材料最引人注目的两个特点是对太阳光具有极低的反射率和广谱吸收，这正是其作为太阳能电池材料所具有的独特优点。硅表面的微构造如金字塔或柱状都可以增加光的吸收并增强对光的抗反射能力。但黑硅的光吸收性质却不完全归结为其独特的表面形貌，它的近红外吸收特性主要归因于超快脉冲激光辐照制备过程中渗入表面的杂质，如化学结构、形成的化合物、渗入表面的杂质种类、浓度和分布、光辐照引入的晶格损伤和散射中心等。所以，黑硅材料的减反、广谱吸收与表面微纳结构的关系是本课题需要解决的关键科学问题，是揭示和了解黑硅特点及其本质的关键所在。
为此，必须研究黑硅材料的减反效果与晶锥形状、密度和分布的关系，研究高掺杂表层的厚底和浓度梯度对硅禁带间深能级中间子带、进而对材料广谱吸收性质的影响，研究如何恢复激光辐照损伤及其对光电性质的影响，从而制备出低损伤缺陷、高光电性能的黑硅材料。
（3）黑硅太阳能电池的光电转换机理。
黑硅微构造材料对太阳光有很高的吸收率，但吸收的光能并非都能转换成电能。黑硅材料中光生载流子的产生、分离、输运和收集过程与激光辐照引入的晶格损伤、缺陷和复合中心、掺入的杂质、耗尽区的位臵、内建电场的强弱、能带结构及电池结构等深层次因素相关。所以，探索黑硅太阳能电池中的光生载流子传输过程和光电转换机制是本项目必须解决的关键科学问题，是取得黑硅电池技术突破，掌握自主知识产权的核心。
重点研究红外光子的光电转换和高能光子的高效利用，研究杂质能级的光电离截面、电子的多能级跃迁过程、以及深能级子带上电子的寿命和输运，即吸收的光子如何能最大限度地转换成输出电流。研究激光辐照诱生的表层缺陷复合中心对光生载流子分离、输运的影响。研究过饱和重掺与费米能级钉扎之间的关系，及对提高电子产额的作用。
2、研究要点
以开发新型微构造黑硅材料及其广谱高效太阳能电池器件为主要目标，研究激光辐照材料和电池器件制备中的基础物理及相关技术问题：
（1）超快激光脉冲作用下硅表面晶锥形成机理研究
研究激光脉冲加工黑硅初期的瞬态过程，分析其中的光电、光压等光物理和化学过程，建立激光脉冲加工硅表面超快动力学和热力学过程模型；研究激光波长、脉冲宽度、激发频率、单脉冲峰值功率等参数对表面波纹出现、融滴自组装、晶锥形成的影响，研究表面准周期表面波纹、融滴自组装与材料固有的晶格对称性、应力、缺陷态之间的关系；揭示辐照激光与硅表面的相互作用机理、表面微纳结构的形成过程与机理，建立其物理模型，为确定最优化黑硅制备参数提供理论依据。为制备高质量、大面积器件级黑硅材料提供理论指导和实验参数。
设计和研发用于快速制备黑硅材料的同轴双波长短脉冲激光器。
（2）黑硅材料制备及其光电性质研究
研究用多波长皮秒激光分别和交叉组合制备黑硅材料的技术；研究在单晶衬底、以及多晶、微晶、非晶硅薄膜上制备黑硅材料的技术；研究在硫系/卤素气氛中、在注入硫系离子和涂有硫系粉末的硅片上制备黑硅材料的技术；研究激光脉冲的强度、波长、脉宽、频率、扫描周期及束斑等光源参数对黑硅材料特性的影响，尤其是对黑硅表面微纳结构的影响；研究衬底温度和气氛压强对黑硅材料的影响；研究黑硅微纳结构形状、密度对入射光反射和吸收的影响；研究硫系掺杂元素在微纳结构层内的浓度、分布和化学结构，及其对黑硅表面能带的影响，对太阳光谱尤其是近红外光吸收率的影响；研究热退火和电子束快速退火对降低激光辐照引起的晶格损伤和对光谱吸收率变化的影响，提高黑硅材料的载流子迁移率；建立光学减反物理模型，计算模拟晶锥阵列对入射光的减反作用；深入理解黑硅特点及其实质内涵，为制备黑硅太阳能电池奠定基础。
（3）高效黑硅太阳能电池设计与制备
根据杂质能级的光电离截面计算电子在深能级上被激发的概率，建立价带、深能级和导带三级/或多级光吸收的物理模型；研究硫系元素重掺下的深能级局域态叠加，深能级子带上载流子的寿命和输运，以及俄歇电子产出。研究深能级子带对费米能级、内建电场、少子寿命和电池开路电压的影响；分析黑硅/硅pn 结能带结构，研究黑硅中的光生电子—空穴对的分离、输运问题，建立黑硅中光生载流子的输运模型；研究新型化合物的量子效应及其对光生载流子的作用。
研究黑硅与衬底之间的缓变同质结、黑硅与p型覆盖层之间的突变异质结结构；研究内建电场的分布，及其在反偏压作用下电流输出的特性和机理；分析影响黑硅太阳能电池短路电流、和开路电压的瓶颈，设计内建电场与光吸收区重合的器件结构；分析光生电子—空穴对的产生、分离和载流子输运过程，特别是对深能级子带上电子的输运和收集；多电子产额机理的实验验证；计算模拟含有深能级子带的器件结构特性、探索提高黑硅太阳能电池光电转换效率的途径，研制
黑硅单结和npn双同质结太阳能电池。
设计新型等离激元/有机基复合膜/黑硅异质结构太阳能电池；研究优势协同复合原理、复合界面结构与特性；研究复合半导体体异质结上的光电转换过程和载流子的输运机理；研究金属纳米颗粒大小、形貌、间距、介质材料等对其消光谱的影响；研究短路电流、开路电压、填充因子以及功率效率与复合薄膜的组份、复合方式、结构和形貌之间的关联，反馈到器件设计中，优化器件性能。
二、预期目标
1、总体目标
从当前我国能源领域发展的重大需求出发，选择具有自己特色和良好基础以及可能引发新的技术革命的新型微纳结构硅材料及其广谱高效太阳能电池为突破点，研究超快激光与硅表面相互作用机理及硅微纳结构器件物理，制备减反与广谱吸收的黑硅材料，探索黑硅太阳能电池的红外光电转换、和多电子产出的机理，建立晶锥阵列的光减反模型、多级光吸收模型、以及深能级子带电子输运通道，为揭示光生电子—空穴对的分离和输运提供关键技术支撑，发展具有自主知识产权的太阳能电池材料、器件的全套理论方法及制备技术，提高我国半导体材料科学研究整体水平和创新能力，确立我国在太阳能电池材料及器件在国际上的先进地位，推动可再生清洁能源研究发展。
（1）五年目标：研究转换效率达到或超过30%的硅太阳能电池。
（2）两年目标：
制备出黑硅太阳能电池样片原型器件，具体指标为
1）黑硅太阳能电池指标：
原型电池效率：>15%
2）黑硅材料指标
表面光反射率：<10%（250nm<λ<1000nm），<15%（1000nm<λ<2500nm）
光吸收率：>85%（250nm<λ<1000nm），>80%（1000nm<λ<2500nm）
工作波长范围：250~2500nm
材料面积：>10?10mm2
表面均匀性：>70%
3）发表SCI和EI收录论文40篇以上；
4）申请具有自主知识产权的专利16项以上；
5）培养博士生和硕士生约24名。
6）取得一批重要成果，培养一支高水平的青年学术带头人队伍。
2、两年预期目标
（1）超快激光脉冲作用下硅表面晶锥形成机理的预期目标
探明超短激光脉冲微构造初期的光物理和光化学原理，揭示超快激光脉冲和硅表面相互作用的非线性动力学过程，以及表面纹波与融滴自组装的微观机理。建立超快激光脉冲微构造硅表面的动力学模型，从物理机制上解释黑硅表面晶锥形成的动力学和热力学起因。为研制新型微纳结构硅材料、以及对此微纳结构的可控性打下理论基础。
（2）黑硅材料制备及性质研究的预期目标
用超快激光脉冲制备出表面晶锥阵列、且非平衡过饱和掺杂的黑硅材料；通过对黑硅微观结构、光学反射和透射的测试分析，揭示黑硅材料的减反、广谱吸收与表面微纳结构之间的关系，计算模拟出能够最大限度减少反射的实际晶锥阵列结构参数；掌握黑硅材料制备和性质控制的关键技术，使激光微构造黑硅材料
的反射率<10%、吸收率>85%（250~1000nm）、反射率<15%、吸收率>80%（1000~2500nm），可直接用于器件制备，达到当时国际最好水平。
（3）高效黑硅太阳能电池设计与制备的预期目标
测试分析深能级瞬态谱（DLTS），建立黑硅三能级光吸收模型；分析载流子损失的原因，建立黑硅的同/异质结能带结构模型，光生载流子的输运模型；阐明偏压下高电子产额的机理，为黑硅材料制备及其电池器件研制提供理论基础。根据黑硅的N+半导体材料特性，设计不同结构的电池模型，作理论计算和分析对比，探索黑硅太阳能电池的短路大电流、开路高电压的实现途径。制备黑硅单结太阳能电池原型器件，测试并分析器件参数，优化和提高黑硅太阳能电池的整体性能，使其光电转换效率初步达到15％。
构筑等离激元陷光结构/有机基复合膜/黑硅异质结构太阳能电池；探明有序金属纳米颗粒阵列表面等离激元增强光吸收的机理，实现对金属纳米颗粒消光谱的人工调控，提高黑硅/有机复合太阳能电池有源区对太阳光的有效吸收；阐明有机基复合膜/黑硅异质界面的光物理过程，优化太阳能电池的结构设计；利用体异质结对光生激子的高效分离作用和载流子传输网络，降低光生激子的二次复合几率，提高光生电荷的传输效率，从而使转换效率达到国际最好水平。
三、研究方案
1、学术思路
根据有限目标、重点突出的原则，从知识创新的高度出发，以国家对能源的重大需求为背景，开展基于超快激光脉冲微构造硅表面的动力学过程、黑硅材料的广谱吸收与表面微纳结构的关系、及黑硅太阳能电池的光电转换机理三个关键科学问题的基础研究，从黑硅的深能级理论研究与多途径的材料制备入手，力求从物理本质上优化黑硅材料结构的设计和器件制备工艺，发展具有自主知识产权的新型黑硅材料和太阳能器件的制备技术，建立相应理论与材料/器件制备的原始技术创新体系，研制出新一代太阳能光伏器件，从根本上提高我国太阳能领域学科的整体水平与创新能力。
2、技术途径
图3 技术途径线路图
技术途径如图3所示，即利用超快脉冲激光制作黑硅材料⑴，建立表面作用机理模型⑵，调整激光参数⑶；对黑硅材料进行退火等工艺处理⑷，对其进行显微结构、光学、电学特性表征⑸，分析后建立材料物理模型⑹，修正材料制备参数⑺和工艺处理⑻；提高材料质量并制备器件⑼，进行器件参数测试⑽，建立器件物理模型⑾，并将测试结果反馈到材料制作⑿、工艺处理⒀、和器件制作⒁，进一步优化器件参数，完善材料制作技术和新型黑硅电池制作技术。
（1）超快激光与硅表面相互作用机理的研究方案
超短脉冲激光辐照：通过飞秒泵浦探测测量，研究弱激发下介质的瞬态响应，分析其中的光电互作用机理和力学效应；通过系统研究激光波长、脉冲宽度、激发频率、单脉冲峰值功率等条件，结合空间光调制法，实时观测激发光在固体表面产生准周期波纹图案的形成过程，分析各参数对波纹图案形成的影响力度，从而揭示激发光与物质相互作用机理；同时通过更换不同晶向硅片，包括非晶硅以及其它固态介质如金属、有机物、电介质、玻璃等材料，研究表面准周期波纹图案和材料固有的晶格对称性、应力、缺陷态之间的关系；综合上述结果建立表面
波纹图案产生的机理模型。
●表面纹波/融滴自组装的微观机制：研究飞秒、皮秒等超快脉冲激光参数对表面纹波与融滴自组装形貌、大小、结构的影响，用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）观察和统计激光辐照引入表面纹波与融滴的位臵、以及融滴与表面波纹图案的关系，重点分析其分布的周期性和对称性，获取纹波和融滴自组装形成的光与物质作用的微观机理。通过放大成像实时观测表面波纹图案的演化过程；建立表面波纹图案产生的机理模型。不同的微观过程将直接反映在结构特点上，为验证和理解实验结果，理论上将通过遗传算法等结构优化方法确定黑硅表层中杂质、缺陷的分布和结构，由此进一步说明和解释微观过程的物理机制；在此基础上采用第一性原理计算表层的电子结构，并研究其光学吸收和光电相互作用等性质。
●晶锥生长机理：通过对激光脉冲辐照时的发光信号进行超快时间分辨光谱测量，研究飞秒与半导体表面相互作用的非线性动力学过程；分析不同气体氛围中发光信号的光谱和寿命所对应的原子、分子组分，并用二次离子质谱（SIMS）、俄歇（Auger）能谱测试晶锥不同深度的杂质元素的组分和分布，获取在激光辐照过程中气体分子化学反应信息；用扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察分析晶锥的微观几何结构，研究晶锥在激光烧蚀过程中形成和生长的动力学和热力学过程；利用X射线衍射（XRD）等检测技术通过对激光溅射硅粉和黑硅表面晶锥组分和晶格对称性的分析，研究黑硅表面晶锥形成过程和机理，最终从物理机制上解决晶锥形成和生长机理；根据实验结果，提取主要的物理过程和参数建立生长过程的基本物理模型，并采用计算机模拟寻找最优化的生长方案和参数。
●激光器制备：在对LD泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4晶体、SESAM被动锁模产生1064nm激光进行理论研究的基础上，研制出瓦级输出的皮秒1064nm脉冲激光器，光束质量M2<1.5，脉宽为10～30ps，稳定性优于2%；对皮秒激光的倍频特性开展研究，选取合适的倍频晶体，实现高效率最佳化设计，获得1064nm和532nm双波长激光输出。通过改进参数，实现双波长功率比例的调节，并进行激光器的整机设计及输出双波长激光的光路传输与整形系统设计，完成双波长激光器样机的研制及调试；根据实验效果对激光器的输出参数进行优化及改进，完善激光器性能，使获得更好的实验结果。
（2）制作黑硅微纳结构材料的技术途径
●调整光源：利用波长为1064nm和532nm的皮秒激光源交叉组合，分别在多晶、微晶、非晶硅薄膜上进行激光脉冲辐照，改变激光波长、强度、脉冲宽度和频率、扫描周期及束斑尺寸等参数制备黑硅材料，研究这些条件对黑硅表面微纳结构的影响。
●改变氛围：为定量了解硫系杂质的吸收作用，计划对以下四种黑硅材料进行表层硫系浓度分布的对比分析：①在硫系气氛中制备的黑硅，②在粉末涂覆层下
制备的黑硅，③在硅衬底上注入硫系离子，④在硅衬底上外延硫系元素重掺的硅薄膜。
●不同衬底：通过振镜方式使激光束透过窗口对真空系统内的硅衬底进行扫描，制备黑硅；以同样的方式对廉价衬底上的非晶硅、微晶硅、多晶硅薄膜材料进行扫描，制备黑硅薄膜。
●热退火：为改善黑硅材料的表层质量、提高稳定性，计划采取热退火和电子束快速退火技术来减少和消除黑硅中的辐照损伤和缺陷，提高载流子的迁移率和寿命。
●测试分析：上述黑硅材料表面微构造形貌采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分析研究；减反射和广谱吸收系数采用积分球透、反射谱仪测试和换算；表层硫系元素浓度分布采用二次离子质谱（SIMS）、背散射测量；杂质能级位臵和硅表面态钉扎密度利用深能级谱仪（DLTS）、俄歇（Auger）谱仪；载流子迁移率和寿命利用霍尔、电容—电压（C—V）和少子扫描测试仪分析研究。以了解黑硅制备的特点及其本质，掌握减反射广谱吸收黑硅材料的制备技术，透彻理解黑硅材料的减反、广谱吸收与表面微纳结构之间的关系。
（3）新型硅纳米结构器件物理的研究方案
●光学减反模拟计算：通过计算机编程，建立不同折射率的晶锥阵列模型，计算不同的形状、尺寸、密度对入射光的反射率，以及不同入射光波长、不同入射角对反射率的影响；并根据模拟计算结果提出最佳的微纳米晶锥阵列参数。
●显微结构分析：从电镜样品制备上入手，制备出表面完整的电镜样品；在此基础上进行镜上实时分析，确定杂质浓度和分布，观察纳米颗粒、以及通过衍射极图来确定新相结构；与课题2结合，通过各种不同的热退火方式将缺陷降低到最低。
●杂质深能级分析：运用深能级瞬态谱（DLTS）对杂质深能级进行测试和分析，具体方法如下：对待测杂质的光吸收区设计在pn结边缘，通过欧姆接触电极，给pn结结电容充放电，在对深能级瞬态谱（DLTS）进行分析之后，可以得到杂质深能级处于带隙中的位臵和密度；
●三级光吸收模型：以价带、深能级和导带为三能级系统，根据杂质能级的光电离截面计算电子在深能级上被激发的概率，计算三能级之间的跃迁几率，形成广谱光吸收；改变掺杂表层的厚度、浓度和分布等参数，测试黑硅深能级及其光吸收特性。
●多电子激发模型：对比各种掺S系元素掺杂的pn结，测试其光电响应，分析高外量子效率的机理，并将其推广到高能量光谱区；测试深能级子带上载流子的寿命、迁移率，可计算出深能级子带上载流子的扩散长度。
（4）黑硅太阳能电池器件制作的技术途径
●离子注入的pn结：通过离子注入，构造硫系元素非平衡过饱和掺杂下的pn 结电池，测试器件参数，从中获取硫系元素掺杂的多种特性，如深能级子带特性、
载流子输运特性、深能级光吸收特性等等；通过注入深度的控制，调节内建电场分布与光吸收区的重合程度，改进器件设计和工艺，以提高该器件的光伏效率。
●设在考虑重掺杂深能级的局域态叠加、深能级子带对费米能级的钉扎效应和高额电子产出的基础上，建立黑硅/硅pn结结构中光生载流子的产生和输运模型；建立不同结构的电池模型，作理论计算和对比分析，找出其中光电转换效率最佳的结构模型；通过计算分析，探讨黑硅太阳能电池如何实现短路大电流、开路高电压、以及高光电转换效率的途径。
●黑硅pn同质结：在低电阻率的衬底上制备黑硅，使光吸收区接近补偿，从而将内建电场延伸到大部分光吸收区，促使光生电子---空穴对分离。进行高温退火以激活离子，再经诱导耦合等离子增强（ICP）刻蚀和电镀，在表面制备n型栅电极、在背面制备p型电极，构成黑硅材料太阳能电池样片原型器件，对器件参数进行测试和分析。与上述离子注入pn器件比对，分析硫系元素掺杂对红外光吸收的作用，分析表面与缺陷复合中心的影响。
●黑硅异质结：在n型硅衬底上制备黑硅，通过硼（B+）离子掺入达到载流子补偿，钝化后覆盖p型a-Si:H（非晶硅）、微晶硅薄膜、或其它宽带导电薄膜材料，构成pin异质结，在其上制备梳状电极、背面制备面电极，构成黑硅pin结太阳能电池，参见课题4任务书中图2。
●黑硅/硅双同质结：设计前表面常规np结、和背面黑硅np结，在单一p型Si片上构成npn双同质结太阳能电池，并以三端电极的方式输出，参见课题4任务书中图3。
●有机/黑硅复合：采用液相复合技术，将无机半导体纳米晶和有机导电聚合物复合，获得具有优势协同特性的有机基准液体材料，通过浸润、旋涂技术将之与黑硅复合，形成有机基材料填充于黑硅晶锥缝隙的结构，由此构筑有机基薄膜/黑硅复合材料。在有机基薄膜/黑硅复合材料表面，利用反胶束法制备金属纳米颗粒阵列，金属纳米颗粒表面等离激元作为一种陷光结构，减小电池表面对太阳光的反射从而提高太阳能电池的光吸收率。
用太阳光标准光源对电池进行辐照，测试电池的开路电压与短路电流，以及最大功率输出，计算电池的光电转换效率。用扫描电镜的电子束诱导电流（EBIC）成像技术对电池内建电场进行成像，直接观察其位臵，进而对设计和工艺参数进行调整，增大和优化电池效率。由于黑硅太阳能电池在国际上还没有成功的先例，项目组的一些颇具创意的想法，需要在在不断地探索试验中，理论结合实践，逐步修正、改进和完善。
3、创新性和特色
（1）黑硅材料制备创新
●双波长激光脉冲辐照制备新型黑硅材料：采用波长为1064nm和532nm的皮秒激光源交叉组合研制黑硅新材料。用长、短两种波长的激光源混合扫描辐照，
将长波光源作用长度深、短波光源作用深度浅的特点融入黑硅材料制备（已申请专利）。
●用离子注入与激光辐照结合的方法制备黑硅薄膜：将超快激光脉冲辐照与硫系离子高能注入相结合，在微晶硅和非晶硅薄膜上制备黑硅，亦可以实现对黑硅微纳结构层中硫系掺杂物浓度和分布的有效控制。配合电镜、离子质谱和积分球光谱测试分析手段，以解决黑硅硫系掺杂物的定量分析问题，了解黑硅广谱吸收的本质特点，达到透彻理解黑硅材料的减反、广谱吸收与表面微纳结构关系的目的。激光辐照离子注入硅片新技术已经申请专利。
●高低温退火修复黑硅材料的晶格损伤和缺陷：超快高能激光辐照不可避免地会在黑硅材料中产生大量的晶格损伤、缺陷和不稳态。目前国际上采用的是低温长时间热退火技术，从器件研制的结果来看效果并不理想。项目组提出引入电子束瞬态高温退火技术，利用高低温结合的方法，同时修复黑硅材料中的高、低激活能晶格损伤和缺陷，达到提高黑硅材料载流子迁移率和寿命的目的，并改善黑硅材料的稳定性。
（2）物理模型
●三能级光吸收模型：以价带、深能级、导带组成三能级，任意两级之间都可以
形成光吸收，大大拓宽了光吸收范围，形成广谱光吸收。
●多电子激发模型：在硫系元素重掺的纳米结构中、并形成深能级子带的情况下，
有可能使得俄歇效应向正方向发展，即激发的电子概率大于复合概率，从而形成多电子产额。因此，黑硅吸收的高能光子能激发一个以上的电子，获得高于100％的量子效率。
（3）新型高效黑硅太阳能电池
●用载流子补偿实现“本征区”：由于黑硅中的光吸收区是重掺杂的，因此无法用通常太阳能电池的pin结构，这里提出用载流子补偿的方法，来形成所谓的本征层“I”，使内建电场与光吸收区重合，促使电子-空穴对分离；同时沉积包覆性好的p型导电层，可以是a-Si:H（非晶硅）、微晶硅，也可以是其它宽带隙p型材料，以克服表面复合中心对载流子的俘获，加强对载流子的收集和输运；即可使p型非晶和微晶层吸收可见光，又使黑硅吸收红外和部分可见光，大大加强了异质结的光吸收能力；而非晶硅、微晶硅薄膜的宽能带将有助于提高开路电压，从而达到提高光电转换效率的目的。
●npn双结太阳能电池及其三端输出：单一硅片上的黑硅/硅npn双同质结，其正面的晶体硅同质结主要吸收可见光，而背面的黑硅同质结主要吸收红外光；电池以三端电极的方式输出，先对各个晶体硅同质结进行串并联连接，对各个黑硅同质结进行串并联连接，最后将两个np结组合进行串联或并联，构成太阳能电池。由于单片电池中np和pn不直接连接，避免了最低电流的限制效应。
●黑硅/有机复合：在黑硅上采用体异质结结构的有机基复合材料与黑硅微纳结构复合制备新型有机/无机复合材料，研制等离激元/有机基复合膜/黑硅异质结构的原创性新型太阳能电池结构，利用有机导体的柔性填补黑硅晶锥之间的缝
隙以利于电极制作，利用有机导体传导空穴的优良特性在异质界面上形成内建电场，让空穴经有机材料一侧收集到p电极，而电子经黑硅一侧收集到N电极上，解决单结电池中光生载流子的输运问题。这一创新设想有望在有机基太阳能电池研制方面取得突破。
4、可行性分析
（1）技术分析
首先，硅材料无法吸收低于其带隙的红外光，而黑硅材料对全太阳光谱的强减反和强吸收（光吸收率超过90％），特别是对红外光的吸收，使得黑硅可以将红外光能量转换为电能输出，而红外光能量占晶体硅吸收的太阳能总量的三分之一，如果这部分能量全部转换为电能输出，则电池效率增加22.5%。要实现这一目标，关键是要减少缺陷和表面复合，重掺形成深能级子带，且延伸至表面与电极相连；其次深能级上的电子要有一定的寿命，输运途径不能太长，光子吸收与电子收集的方向分开，这一点黑硅完全具备，光子在晶锥内折射方向几乎与电子表面收集垂直，越到表面掺杂越浓，深能级子带越好。因此，黑硅将红外光转换成电子输出是完全可行的。
其次，黑硅的光电流响应非常大，一个250 m直径的黑硅二极管在850nm 波长辐照下的光电响应已达到0.77A/W@0V、60A/W@1V、79A/W @2V，92A/W@3V的高值（是Si-pin器件的100多倍）（参考文献[7]），其短路时的外量子效率高于100%，带有明显的增益特征。这一超高的量子效率，有可能是硅中硫系元素的俄歇电子所为。由于非平衡过饱和掺杂在硅中引入了深能级子带，使得高能光子激发的电子从激发态跃迁回导带后释放的能量不再通过晶格碰撞以热的形式释放，而是能够激发电子从价带到深能级或从深能级到导带。在现有晶体硅太阳能电池的基础上，如果电子数目产生一倍，则电池效率将增加20%。与前面分析一致，只要能消除表面和缺陷复合，内建电场区与光吸收区重合，完全可以在短路条件形成大电流输出，进而可大大提高黑硅太阳能电池的光电转换效率。
第三，晶锥结构增大了黑硅的表面积，扩大了内建电场区域的厚度，因此，更有利于黑硅对入射光子的吸收。
所以黑硅太阳能电池的光电转换效率将大大提高，其估算值可以达到62.5%，甚至可以逼近93%的热力学（Carnot）效率。
（2）整体论证
本项目研究团队集中了国内半导体材料物理、高能激光物理、太阳能电池制造、纳米激光科学与光电子学等多个交叉学科的优势力量，在黑硅材料研制、光伏电池、超快光学、高功率全固态激光源、半导体材料和硅基光电池领域具有长期的工作积累和丰富的经验，科研团队年富力强，极具创新开拓精神，是开展该项目的有利保障。
项目的研究方案经过了多角度、多层面充分论证，在优良的设施和团队条件、前期理论、实验及工艺基础上开展本项目研究工作，定能在相关基础理论和关键器件方面取得创新和突破。尤其在黑硅太阳能电池方面，研究团队提出了一些创新性方案和关键性技术，有望解决黑硅光伏电池在光电转换效率方面的世界性难题，取得突破。
黑硅材料开发出来十余年了，它所具有的强减反作用和广谱高吸收率无疑对研发高效太阳能电池具有强大的吸引力。但任何发明创造都是有风险的。黑硅先驱—美国的Eric Mazur教授虽然很早就预言黑硅材料在高效太阳能电池领域具有其他材料无可比拟的优越性，但时至今日，全世界也还没能研发出真正意义上的高效黑硅太阳能电池。这充分说明黑硅太阳能电池“前途是光明的，道路是曲折的”。在黑硅太阳能电池面前，既是挑战、也是机遇。在关键性技术没有突破之前，只有不断探索和勇于挑战，我们才有机会走到世界的前沿！
5、课题设置
课题1，超快激光与硅表面相互作用机理研究
主要研究内容
围绕第一个关键科学问题，主要研究超短脉冲激光对硅表面的作用机理，揭示黑硅表面准有序晶锥是在低频短脉冲激光多次重复辐照下形成过程。
（1）超快激光辐照下的硅表面动力学研究
黑硅表面准有序晶锥是在低频超快脉冲激光的多次重复辐照下形成的，激光辐照初期在硅表面形成微结构直接影响到后续有序晶锥的形成。通过超快泵浦探测技术，研究激光脉冲加工黑硅初期的瞬态过程，分析其中的光电、光压等光物理化学过程，建立激光脉冲加工硅表面超快动力学和热力学过程模型，揭示其光与物质相互作用机理。
（2）激光辐照下的硅微结构形成机理
研究激光波长、脉宽、频率、峰值功率、能量、作用时间、气体氛围以及更换不同晶相硅材料等参数对表面波纹图案分布的周期性和对称性，揭示融滴自组装形成过程与机理；研究表面准周期波纹/融滴图案和材料固有的晶格对称性、应力、缺陷态之间的关系，建立表面图案产生的物理模型。研究晶锥在激光辅助化学刻蚀过程中形成和生长的动力学、热力学过程；研究黑硅表面晶锥形成过程和机理，为制备高质量大尺寸器件级黑硅材料提供理论指导和实验参数；利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察和分析晶锥的微观几何结构，为制备最优化黑硅材料提供理论支持。
（3）黑硅载流子的时间分辨荧光显微研究
利用时间分辨荧光显微成像技术，系统研究黑硅的结构、杂质、缺陷等对其光电转换及载流子微观输运过程，丰富和完善黑硅材料的载流子输运机制，建立黑硅体系中的载流子输运动力学模型，寻找有效抑制载流子复合，提高光电转换效率的新机制，为研制高效黑硅太阳能电池提供理论指导。
（4）计算模拟
提取主要的物理过程和参数建立生长过程的基本物理模型，并采用计算机模拟寻找最优化的生长方案和参数；通过遗传算法等结构优化方法确定黑硅表层中杂质、缺陷的分布和结构，由此说明和解释微观过程的物理机制；采用第一性原理计算表层的电子结构，并研究其光学吸收和光电相互作用等性质。
预期目标：
1）探明超快脉冲激光初期微构造光物理和光化学过程，揭示超快激光脉冲和硅表面相互作用的非线性动力学过程与表面图形演变的微观机理；
2）建立超快激光脉冲微构造硅表面的动力学和热力学模型，为研制新型微纳结构硅材料、以及对微纳结构的可控性打下理论基础。
3）通过本课题研究，使我们在超快激光微加工领域在国际上占有一席之地，在超快激光脉冲与硅表面作用动力学方面处于国际领先地位。发表SCI论文约10篇、申请专利约4项，培养博/硕士生约6名。
承担单位：南开大学，复旦大学
负责人：姚江宏教授，
学术骨干：庄军教授，张春玲副教授，张毅副教授，邢晓东副教授，王振华讲师，齐继伟讲师，余华讲师。
经费分配：与总经费的比例为16.7%
课题2，减反与广谱吸收的黑硅材料研究
主要研究内容：
围绕第二个关键科学问题，主要研究黑硅材料的减反与广谱吸收的物理机制及制备技术：
研究在不同激光脉冲辐照条件（如波长、脉宽、频率、能量、次数）下制备黑硅材料的技术，研究这些条件与微纳结构形状及减反射之间的内在关联；研究金属纳米等离激元与有机复合膜裹覆黑硅材料后的新现象和综合效果，研究黑硅表面微结构的光子陷阱作用；
研究在不同气氛条件（如在SF6或H2S及其稀释气体）、不同硫离子浓度注入及涂覆不同硫系粉末（如硫、硒、碲）情况下制备黑硅材料的技术，研究硫系元素在微纳结构层内的浓度分布和化学结构对太阳光谱尤其是近红外光吸收系数的影响，研究硫系掺杂物在硅禁带中引入中间子带的位臵及其对广谱吸收的影响；
研究在不同薄膜（如微晶硅、非晶硅薄膜）材料上制备黑硅材料的技术，研究这类薄膜黑硅材料的能带隙随激光脉冲辐照条件和硫系掺杂物浓度改变的情况及其对太阳光减反与广谱吸收系数的影响；
研究电子束快速退火、热退火黑硅材料的技术，研究用这两种方式分别和混合退火降低晶格损伤和缺陷态的条件和作用机理，研究损伤恢复阈值的大小及缺陷态激活能的高低。
预期目标：
建立能制作各种黑硅材料的技术平台，掌握在不同辐照条件、气氛条件、离子注入条件及粉末条件下获得具有减反与广谱吸收特点的黑硅材料制备技术；
实现具有高减反和高吸收特点的纳米等离激元与有机/无机黑硅材料的结合；
确定硫系掺杂物在黑硅禁带中引入中间子带的能级位臵，揭示单晶、多晶黑硅材料能带弯曲与激光脉冲辐照条件和掺杂条件变化的原因，揭示微晶、非晶黑硅薄膜材料能带隙随制备条件而改变的内在规律；
掌握用电子束快速退火、热退火降低黑硅晶格损伤和缺陷态的原理和关键技术，确定各种黑硅的损伤阈值及缺陷态的激活能，为研制高效黑硅太阳能电池提供优质材料；
制备出在太阳光谱0.25—1.0μm范围内，光反射率<10%、光吸收率>85%，在1.0—2.5μm范围内，光反射率<15%、光吸收率>80%的黑硅材料，黑硅材料面积>10?10mm2，表面均匀性>70%。
通过本课题研究，建立我国黑硅加工技术平台，为黑硅材料的技术应用打下坚实的基础。发表SCI与EI收录论文约10篇，申请专利约4项，培养博/硕士生约6名。
承担单位：复旦大学，中国科学院半导体研究所
负责人：赵利教授，
学术骨干：朱洪亮研究员，高季麟研究员，陈娓兮教授，吴巨副研究员，王鲁峰高级工程师，白一鸣助研、边静实验师，王宝军实验师。经费分配：与总经费的比例为25%
课题3，新型硅纳米结构器件物理
主要研究内容：
围绕第二、三个关键科学问题，主要研究黑硅材料和深能级结构中的相关物理问题。
（1）微纳晶锥阵列的光减反计算模拟
对实际黑硅表面的微纳米晶锥，建立相应的物理模型，计算不同形状、不同密度、不同浓度的硫系元素掺杂、不同表面结构的晶锥在不同角度光入射条件下的反射特性，从光学角度对黑硅的光谱减反特性作出理论解释，并根据模拟计算结果提出最佳的微纳米晶锥阵列参数、最佳的硫系元素掺杂浓度；研究硫系元素浓度与黑硅晶锥表面结构之间的关系；
（2）显微结构分析
对高浓度掺杂所形成的新相和缺陷进行定性和定量的显微结构分析，从电镜样品制备上入手，制备出表面完整的电镜样品；在此基础上进行镜上实时分析，确定杂质浓度和分布，观察纳米颗粒、以及通过衍射极图来确定新相结构；与课题2结合，通过各种不同的热退火方式将缺陷降低到最低。
（3）三能级光吸收模型
黑硅可以吸收低于Si能带的红外光子，无外乎是通过深能级、缺陷两种主要方式来进行。借助深能级瞬态谱（DLTS）对黑硅的深能级进行测试、表征与分析，建立价带、深能级和导带三级/或多能级光吸收模型，以此来解释黑硅的全太阳光谱吸收。研究掺杂区域厚度、杂质浓度和分布、缺陷等对黑硅深能级以及光吸收特性的影响。
（4）多电子产出模型
研究能级间电子的跃迁几率、深能级子带上电子寿命，研究俄歇电子与黑硅光电器件中电子高额产出之间的关系，以及俄歇效应与入射光谱（波长）之间的关系；对比各种掺Se和S的pn结器件，测试其光电响应，分析高外量子效率的机理，并将其推广到高能量光谱区。
（5）激光器制备
在对LD泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4晶体、SESAM被动锁模产生1064nm激光进行理论研究的基础上，研制出瓦级输出的皮秒1064nm脉冲激光器，光束质量M2<1.5，脉宽为10～30ps，稳定性优于2%；对皮秒激光的倍频特性开展研究，选取合适的倍频晶体，实现高效率最佳化设计，获得1064nm和532nm双波长激光输出。通过改进参数，实现双波长功率比例的调节，并进行激光器的整机设计及输出双波长激光的光路传输与整形系统设计，完成双波长激光器样机的研制及调试；根据实验效果对激光器的输出参数进行优化及改进，完善激光器性能，使获得更好的实验结果。
预期目标：
1）计算模拟出能够最大限度减少反射的晶锥阵列结构参数；
2）定性和定量分析高浓度掺杂所形成的微观结构（包括纳米颗粒新相和缺陷）；3）测试和分析杂质深能级在半导体带隙中的位臵和密度；
4）建立三能级光吸收模型和多电子产出的物理模型；
5）制备用于硅表面微构造的同轴双波长激光器：
6）提高我国黑硅材料物理及器件物理的整体水平，为黑硅材料和器件应用打下坚实的基础。发表SCI与EI收录论文约10篇，申请专利约4项，培养博/硕士生约6名。
承担单位：中国科学院半导体研究所，南开大学，
负责人：李晋闽研究员，
学术骨干：张兴旺研究员，林学春研究员，侯玮副研究员，
何青副研究员，刘玮讲师，何炜瑜讲师，
王宝华助研，李瑞贤助研，赵鹏飞助研。
经费分配：与总经费的比例为28.3%
课题4，高效黑硅复合太阳能电池研究
主要研究内容：
围绕第三个关键科学问题，主要研究黑硅太阳能电池光生电子---空穴对的高
效产生、分离、输运和收集机制，研究黑硅PN同/异质结的器件结构特性；研究相关的工艺制备技术、研制高效黑硅太阳能电池。
（1）同/异质结能带结构
分析黑硅/硅pn结能带结构、重掺杂质深能级局域态叠加，研究深能级子带对费米能级、内建电场、少子寿命和电池开路电压的影响；研究深能级子带上载流子的寿命和输运，以及定性分析黑硅中电子高额产出的机理；研究新型化合物的量子效应及其对光生载流子的作用。
（2）设计黑硅太阳能电池
研究黑硅中的光生电子—空穴对的产生、分离、以及载流子输运和收集问题，特别是对深能级子带上电子的输运和收集，分析引起载流子复合的原因；根据黑硅重掺引起内建电场分布偏离光吸收区的特点，设计各种扩大重合区的电池结构模型，包括pin结构和npn双结结构，并对其进行理论计算和分析对比，探索黑硅太阳能电池在宽谱谱下的短路大电流、开路高电压的实现途径。
（3）黑硅太阳能电池的工艺研究
由于晶锥阵列给电池工艺流片带来了困难，如掩膜胶难以剥离、黑硅表层催弱、电极难以形成等等；在双结电池中还有工艺顺序和冲突等问题，因此，必须对流片中每一步工艺进行调整。
（4）体异质结复合太阳能电池的结构设计与器件研制
从材料的光吸收原理、减少表面光反射设计方面提高电池的全光谱吸收效率；从提高电荷分离效率设计方面提高光生激子的利用效率；在自由载流子向收集电极输运过程中要降低光生载流子的复合几率，在体异质结微结构设计上通过构筑载流子定向输运通道提高载流子迁移率，并减少载流子向错误的收集电极运动；通过与电荷收集电极材料的能级匹配设计，降低势垒，提高电极的电荷收集效率；通过对复合材料的液相合成技术和旋涂工艺条件的改进，提高复合薄膜的致密性，以及与收集电极的欧姆接触特性，降低体电阻，提高短路电流密度，从而提高电池的光电能量转换效率。
在有机/无机复合黑硅异质结电池表面，利用金属纳米颗粒表面等离激元独特的光学特性作为一种陷光结构，减小电池表面对太阳光的反射从而提高太阳能电池的光吸收率。研究如何通过大小、形貌、间距或组分、介质材料种类和厚度等参数的调节实现对各种金属纳米颗粒消光谱的人工调控，探明金属纳米颗粒表面等离激元增强光吸收的机理。期望获得与太阳光谱接近的金属纳米颗粒吸收谱，从而提高太阳能电池的光学吸收特性。
预期目标：
1）制备黑硅单结太阳能电池原型器件和晶体硅/黑硅npn双同质结太阳能电池，测试并分析电池的开路电压、短路电流，计算填充因子后，得电池效率；2）分析黑硅电池的不足和瓶颈，消除和减少缺陷，提高载流子激活率和输运能力，优化和提高黑硅太阳能电池的整体特性，使其光电转换效率在两年内达到15％以上，五年内达到30％以上；
3）研制黑硅有机复合太阳能电池，并达到国际最好水平。
4）将我国硅基太阳能电池技术提高到国际先进的研究水平。发表SCI与EI收录论文约10篇，申请专利约4项，培养博/硕士生约6名。
承担单位：中国科学院半导体研究所，中国科学院电工研究所
负责人：韩培德研究员，
学术骨干：王文静研究员，曲胜春研究员，周春兰副研究员，
樊志军高级工程师，张棣高级工程师，
赵雷助研，李海玲助研，李达助研。
经费分配：与总经费的比例为30%
各课题间的有机联系及与项目总体目标的关系
以研制高效新型黑硅太阳能电池为目标，设臵四个课题分别从激光作用Si 表面机理、黑硅材料制备、纳米结构器件物理、太阳能电池制备四个方面开展研究。表1给出了各课题在关键科学问题研究上的侧重点。课题1是围绕第一个关键科学问题，主要研究超短脉冲激光对硅表面的作用机理，揭示黑硅表面准有序晶锥是在低频短脉冲激光多次重复辐照下形成过程，为黑硅的制备打下基础。课题2主要是制备黑硅材料，并围绕第二个关键科学问题，研究减少反射的黑硅及其复合材料的表面微结构，和广谱吸收的机理，分析金属纳米颗粒等离激元的减发机理，分析晶锥内微观结构特性。课题3是研究硅纳米结构材料物理及其器件物理，围绕第二和第三个关键科学问题，计算和模拟微米结构表面减反模型，以及光生载流子的分离、输运和收集问题，设计PN同/异质结，搭建黑硅太阳能电池模型。课题4围绕第三个科学问题，研究和制备高效黑硅单结、双结和有机/无机复合太阳能电池。
总之，课题1、2、3和4是围绕“新型硅纳米结构材料及其全光谱高效太阳能电池研究”这个大目标，团结协作，形成一个有机的整体，在共同完成本项目的总体目标上是分工协作，紧密地内在联系在一起。
四、年度计划
2010年1-12月：
（1）激光与硅表面作用
研究激光脉冲加工黑硅初期的瞬态过程，分析其中的光电、光压等光物理化学过程。研究激光波长、脉宽、频率、峰值功率、能量、作用时间、气体氛围以及更换不同晶相硅材料等参数对黑硅构造的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察和分析晶锥的微观几何结构。
（2）黑硅材料研制
建立和完善黑硅材料制备平台，订购超短脉冲激光源、电子束快速退火设备、积分球全太阳光谱仪以及黑硅研制的特殊设备、全面开展黑硅材料研制及其特性分析研究；研究在不同薄膜（如单晶硅、多晶硅、微晶硅、非晶硅薄膜）材料上掺杂硫系元素制备黑硅材料的技术；分析黑硅表面微纳结构与实验条件的关系，实现对黑硅表面微纳结构的控制，制备出具有减发射和广谱吸收的表面微纳结构黑硅材料。
目标：在整个太阳光谱范围内（250-2500nm）黑硅材料反射率<15%、吸收率>70%，黑硅材料用于太阳电池研制。
（3）理论分析
运用有限元方法构造Si基单个表面非光滑的锥形模型，逐步扩展到阵列；计算晶锥对光子的反射概率。
将不同剂量的硒（Se）离子注入到硅表层，对其光学吸收、电学Hall、和显微结构等物理特性进行测试分析，研究掺杂表面层的厚度、杂质浓度和分布、缺陷等对黑硅深能级以及光吸收特性的影响。
用深能级瞬态谱（DLTS）对硒（Se）在黑硅中引入的深能级进行测试、表征与分析，建立价带、深能级和导带三级/或多能级光吸收模型，根据杂质能级的光电离截面计算电子在深能级上被激发的概率。
（4）黑硅太阳能电池研究
制备硒/硼、磷/硼离子pn单结电池，测试其光电响应、发电效率，研究低缺陷（相对黑硅而言）器件的广谱光电转换特性；通过对注入剂量和深度的控制，研究内建电场与光吸收区重合程度对光生电子—空穴对分离的影响。
设计黑硅pin电池结构，并对其进行器件流片，测试电池效率，分析影响效率的瓶颈，解决晶锥阵列难以去胶、晶锥表层容易脱落、电极难以制备等问题，优化器件结构，使其效率达到8%；
对比黑硅电池与注入掺杂电池的区别，研究缺陷对载流子复合的影响，同时与课题2中少子寿命测试结合起来分析；
（5）有机/黑硅复合
制备有机/黑硅复合体，研究材料的光吸收特点、表面抗反射特性，同时降低自由载流子向收集电极输运过程中的复合几率。
利用金属纳米颗粒表面等离激元独特的光学特性作为一种陷光结构，减小电
池表面对太阳光的反射从而提高太阳能电池的光吸收率。
（6）激光器研发
在对LD泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4晶体、SESAM被动锁模产生1064nm激光进行理论研究的基础上，研制出瓦级输出的皮秒1064nm脉冲激光器，光束质量M2<1.5，脉宽为10～30ps，稳定性优于2%；对皮秒激光的倍频特性开展研究，选取合适的倍频晶体，实现高效率最佳化设计，获得1064nm和532nm双波长激光输出。
2011年1-12月：
（1）激光与硅表面作用
初步建立激光脉冲加工硅表面超快动力学和热力学过程模型，揭示其光与物质相互作用机理。研究黑硅表面晶锥形成过程和机理。利用时间分辨荧光显微成像技术，研究黑硅的结构、杂质、缺陷等对载流子微观输运过程的影响，丰富和完善黑硅材料的载流子输运机制，寻找有效抑制载流子复合、提高光电转换效率的新机制。
（2）黑硅材料研制
研究黑硅表面微纳结构对黑硅材料光吸收性质的影响：表面形貌与黑硅减反的关系、表面纳米层硫系元素掺杂种类、浓度及分布与黑硅红外光吸收的关系；
分析退火技术对黑硅材料结构和光电性能的影响。
研究黑硅材料光电转换量子效率，分析黑硅用于太阳能电池制备相对于普通硅材料在太阳光谱各波段提高效率的可能性及物理机制；根据对不同条件下制备的黑硅光电性能分析数据，优化黑硅材料及制备技术，使黑硅材料质量达到器件级应用水平；实现对金属纳米颗粒消光谱的人工调控。
考核：在整个太阳光谱范围内黑硅材料反射率<10%、吸收率>80%，黑硅材料迁移率>100cm2/V?s，材料面积>10?10mm2；表面均匀性>80%。
（3）理论分析
通过计算机编程，建立不同折射率的晶锥阵列模型，计算不同的形状、尺寸、密度对入射光的反射率，以及不同入射光波长、不同入射角对反射率的影响；并根据模拟计算结果提出最佳的微纳米晶锥阵列参数。
将硫（S）离子注入硅材料表层，对其光学吸收、电学Hall、显微结构等物理特性进行测试分析；研究掺杂表面层的厚度、杂质浓度和分布、缺陷等对黑硅深能级以及光吸收特性的影响。
通过深能级瞬态谱（DLTS）对硫（S）在黑硅中形成的深能级进行测试、表征与分析，建立价带、深能级和导带三级/或多能级光吸收模型，根据杂质能级的光电离截面计算电子在深能级上被激发的概率。
（4）黑硅太阳能电池制备：
制备硒/硼、磷/硼离子pn单结电池，测试其光电响应、发电效率，研究少缺陷下（相对黑硅而言）器件的光电转换特性。
晶体硅太阳能电池的制造 工艺流程 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
提高太阳能电池的转换效率和降低成本是太阳能电池技术发展的主流。 晶体硅太阳能电池的制造工艺流程说明如下： （1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。 （2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。 （3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。 （4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为－。 （5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。 （6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。 （7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。 （8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。 （9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。 （10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。
由此可见，太阳能电池芯片的制造采用的工艺方法与半导体器件基本相同，生产的工艺设备也基本相同，但工艺加工精度远低于集成电路芯片的制造要求，这为太阳能电池的规模生产提供了有利条件。
硅太阳能电池的结构及 工作原理 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。?? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、
日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。 在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显
晶体硅太阳能电池 专业班级：机械设计制造及其自动化13秋姓名：张正红 学号： 1334001250324 报告时间： 2015年12月
晶体硅太阳能电池 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。人们开始急切地寻找其他的能源物质，而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来，因此近年来，光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。 关键词：太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势 前言 “开发太阳能，造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。 大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本，通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本，通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在！ 一、晶体硅太阳能电池工作原理 太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。
.. 硅基太阳能电池的发展及应用 摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。 关键词：硅基太阳能电池转换效率 1引言 二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。 目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。
（图1：太阳能电池的种类） 太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。
晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈 是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳 能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和 提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化 技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳 折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低 成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具 活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳 能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅， 虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很 可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用 多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长 率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，技术也最为成熟。高性能单晶 硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅 的电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂 等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率 主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳 能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制 成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得 的电池转化效率超过23％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电 池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶 硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度 降低其成本是非常困难的。 多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但 目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光 电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过 程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1
高效HIT太阳能电池的发展现状 2013-5-27 13:17|发布者: 沈秋晨|查看: 1973|评论: 0|原作者: 乔秀梅，贾锐等|来自: Solarzoom 摘要: 摘要：带有本征薄层的异质结（Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm（HIT））太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池，与单晶、非晶硅太阳能电池相比，其具有低温工艺，高的稳定性等优点， ... 摘要：带有本征薄层的异质结（Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm （HIT））太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池，与单晶、非晶硅太阳能电池相比，其具有低温工艺，高的稳定性等优点，具有广阔的发展前景。 本文介绍了HIT太阳能电池的基本结构和能带并对其特点进行了深入的分析，根据相关文献从清洗，透明导电氧化层（TCO）的制备，非晶硅层的制备，背表面场的制备等方面深入分析了HIT太阳能电池的技术发展状况，并以三洋公司为引线，简单介绍了HIT太阳能电池的产业发展现状。 关键词：HIT；太阳能电池；结构；特点；技术发展；产业发展 1HIT太阳能电池的结构及其特点 1.1HIT太阳能电池的结构 1.1.1基本结构 HIT电池的本质是异质结太阳能电池，A.I.Gubanov于1951年就已经提出了异质结的概念，并且进行了理论分析，但是由于当时制备异质结的工艺技术十分复杂和困难，所以异质结的样品迟迟没有制备成功。1960年Anderson成功的制备出高质量的异质结样品，还提出了十分详细的理论模型和能带结构图。带本征薄层异质结（HIT）太阳能电池是由MakotoTanaka和MikioTaguchi等人于1992年在三洋公司第一次制备成功。图1为常见的双面异质结电池的结构示意图，其特征是三明治结构，中间为衬底p(n)型晶体Si，光照侧是n(p)-i型a-Si膜，背面侧是i-p+(n+)型a-Si膜，在两侧的顶层溅射TCO膜，电极丝印在TCO膜上，构成具有对称型结构的HIT太阳电池。本征a-Si:H起到钝化晶体硅表面的缺陷的作用。最常见的是p型硅基异质结太阳能电池，其广泛应用于光伏产业，因为p型硅片是常见的光伏材料且以p型单晶硅为衬底的电池接触电阻较低，但是由于硼和间隙氧的存在，使得以p型单晶硅为衬底的太阳电池有较严重的光照衰减问题。且由于c-Si(p)/a-Si(i/p)界面氢化非晶硅价带带阶（0.45ev）要比导带带阶大（0.15ev），n型硅基比p型硅基更适合双面异质结太阳能电池。图2是异质结的能带图。对n型Si衬底HIT电池，前表面处较大的价带带阶形成少子空穴势阱，因势阱中空穴势垒较高，热发射概率小，从而有效地阻止了光生空穴的传输。在背面处，薄本征a-Si:H层以及n型a-Si:H层与n型c-Si形成有效
高效晶体硅太阳电池简介（1） PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究 的高效电池。它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％[26]。由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 Ωcm以下的硅材料。 为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示[27]。定域掺硼的温度为900 ℃，时间为20 min，随后采用了drive-in step技术（1070 ℃，2 h）。经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20 Ω/□以下。孔间距离也进行了调整，由2 mm缩短为250 μm，大大减少了横
向电阻。如此，在0.5 Ωcm和2 Ωcm的p型硅片上制作的4 cm2的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。 1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记录。这种PERL电池取得高效的原因是[28]：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 ℃的合成气氛中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。在这个电池中浓硼扩散区面积为30 μm×30 μm，接触孔的面积为10 μm ×10 μm，孔间距为250 μm，浓硼扩散区的面积仅占背面积的1.44%。定域扩散
太阳能电池级硅材料行业调研报告 1国内外光伏发电现状 1.1全球光伏发电现状 2008年全球光伏发电累计装机容量：14GW 为了扶持和促进太阳能发电产业的发展，很多国家都制定了相关的激励政策用于鼓励产业界以及科技界对该产业的投入，太阳能产业已初具规模。 2008年全球光伏发电累计装机容量为14.5GW，1992年仅0.1 GW。特别是2000年以来，全球光伏发电装机容量以每年40%的速度增长，仅2008年一年就新增6GW。光伏发电仅满足全球0.1%的电力需求。但发展速度惊人。 全球光伏发电装机容量变化 2009年全球新增光伏发电装机容量7.2GW ，其中德国3.8GW，约占全球的1/2。欧洲之外，最大的市场是日本，新增装机容量预计为1GW，其次为美国0.8GW。2010年全球新增光伏装机容量16GW，是上年新增容量的两倍。德国和意大利的数据大约分别为7GW和3GW。欧洲其他主要国家的太阳能光伏发电新增装机容量预计为捷克1.3GW，法国0.5GW，西班牙0.4GW，比利时0.25GW以及希腊0.2GW。2010年全球太阳能光伏累计装机容量接近40GW，比2009年的23GW增加70%。 2011年全球新增光伏装机预计19GW。 1.2中国光伏发电现状 中国太阳能发电产业起步晚，发展快，空间大 截至2008年底，中国累计光伏装机量仅为145MW。 中国政府的一系列光伏激励政策促进了中国光伏市场的快速增长。2009年中国年度光伏新增装机量达到160MW，超过了截至2008年底的累计安装总量。2010年实际新增装机量超过500MW。截止到2010年底，光伏累计装机容量为800MW 左右，仍未达到1GW。
未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高，制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。 目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两种，它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。但是，专家认为，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。晶体硅太阳能电池依然是主力 在太阳能光伏领域，晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，因此虽然薄膜太阳能电池迅速崛起，但晶体硅太阳能电池目前仍是太阳能电池行业的主力。在2007年全球前十大太阳能电池生产商中，有9家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。 据应用材料公司提供的PV（光伏）产业预测，尽管多晶硅太阳能电池技术相对市场占有率有下降趋势(即2007年45%，2010年40%，2015年37%)，但总体上多晶硅太阳能电池年增长率在以40%—50%的速度发展，未来市场相当可观。 硅是自然界存量最多的元素之一，硅材料来源广泛、价格低廉且容易获得，大生产制造技术成熟，电池制造成本持续下降，业内专家预计，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜电池的发展等原因而下降，但主导地位仍不会根本改变。而随着太阳能电池尺寸的加大，多晶硅太阳能电池制造技术的成熟，其转换效率和单晶硅电池的差距越来越小，制造成本优势逐渐显现，所占份额也会不断提高。以高纯多晶硅为原料而制备的晶硅电池占据现有太阳能电池80%以上的市场，由于其原料易于制备，电池制备工艺最为成熟，在硅系太阳能电池中转换效率最高，无论其原料还是产品都对人类无毒无害等优点而获得了广泛的开发和应用。预计在未来的20年～30年里还不可能有其他材料和技术能取代晶硅电池位居第一的地位。 多晶硅产能扩大成本降低 多晶硅太阳能电池之所以占据主流，除取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。 随着硅太阳能商业化电池效率不断提高、商业化电池硅片厚度持续降低和规模效应等影响，硅太阳能成本仍在降低，规模每扩大1倍，成本降低约20%。
晶硅太阳能电池板的制作过程 1、表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。 2、扩散制结太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850---900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。
高效晶体硅太阳能电池技术 摘要：晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池。本文在解释常规太阳能电池能量损失机理的基础上，介绍了可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术及其工艺流程，并对每种电池技术的优、缺点及工艺难度进行了评价。 关键词：晶体硅电池；高效电池；商业化 1引言 能源是一个国家经济和社会发展的基础.目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战.2005年2月我国通过了《中华人民共和国可再生能源法》,从立法角度推进可再生能源的开发和利用,这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策。 不论从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说,太阳能在可再生能源中都具有更大的优越性,光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式。而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额.与其它的可再生能源一样,目前要使之从补充能源过渡到替代能源,太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。围绕着降低生产成本的目标,以高效电池获取更多的能量来代替低效电池一直是科学研究的的热门[1].近年来高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在美国、德国和日本,高效太阳能电池研究正如火如荼，特别是美国，商品化高效电池的转换效率已超过20%。 . 2硅太阳能电池能量损失机理 目前研究成果表面，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面：①光学损失.包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失,其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的,而长波非吸收损失与半导体性质有关；②电学损失.它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属-半导体接触（欧姆接触）电阻损失.相对而言,欧姆损失在技术上比较容易降低,其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳电池的开路电压。而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压V oc。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入了大量的复合中心。此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度S b对太阳电池特性的影响也很明显。而从商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本和提高效率,现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格.因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施. 3高效晶体硅太阳能电池技术 3.1背接触电池IBC/MWT/EWT （1）IBC电池（PCC电池） 背接触电池是由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达19%～20%。 这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点[2]：（1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积，有利于增加电池效率；（2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面所替代。
第一章晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程 晶体硅太阳电池已经成为当今光伏工业的主流,随着单晶硅、多晶硅太阳电池工厂的新近投资,这种作用还将持续下去[1]。从1954年Chapin,Fuller和Pearson研制成功硅PN结太阳电池以来,这一利用p-n结光伏效应工作的器件经过半个世纪的改进和演变,发展成为具有多种几何结构和相应的制造流程的一类太阳电池产品。到目前为止,尽管被称为“第二代光伏器件”的薄膜太阳(CdTe、CIS、非晶硅、微晶硅、多晶硅、硅-锗合金电池也取得了进展,但在短期内仍然无法替代晶体硅太阳电池。 关于太阳电池的基本特性,Hovel已作出了全面的论述[2]。我们按照太阳电池的器件结构、硅p-n 结太阳电池的基本工作原理到一般的制造工艺流程的顺序进行介绍。 1. 晶体硅太阳电池的器件结构 晶体硅太阳电池的基本结构见图1.,它由扩散法在表面形成的浅PN结,正面欧姆接触栅格电极,覆盖于整个背面的欧姆接触电极以及正面减反射膜构成。 图1. 硅PN结太阳电池基本结构图2. PERT太阳电池结构 高效率晶体硅太阳电池则有着更为复杂的结构和制造流程,如钝化发射极太阳电池PESC (passivated emitter solar cell ,钝化发射极和背面太阳电池PERC (passivated emitter and rear cell,钝化发射结背面点接触太阳电池PERL (passivated emitter, rear locally-diffused cells,钝化发射极背面全扩散太阳电池PERT (passivated
emitter, rear totally-diffused cells,具有本征层的(a-Si/ (c-Si异质结太阳电池(HIT TM 电池,倾斜蒸发电极MIS-n+p 太阳电池OECO(obliquely-evaporated-contact,V型机械刻槽埋栅电极太阳电池(Buried Contact Solar Cell with V-grooved surface,背面接触电极太阳电池(Backside Contact Solar Cell等等。这些高效率晶体硅太阳电池,主要特点是充分考虑到引起光电转换效率损失的因素,在器件结构上进行了仔细的设计。图2.、图3.所示分别为PERT太阳电池、 PERL太阳电池结构。 图3. PERL太阳电池结构图4.丝网印刷电极太阳电池结构 目前商业化生产的大多数晶体硅太阳电池,采用1970年代开发出的丝网印刷电极结构,见图4。这种结构的太阳电池具有制造过程简单,设备产能较高的优点。缺
太阳能电池结构 从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。 光伏电池中的电场效应 这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。 这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。 当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。 光伏电池的工作原理 我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低？
可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。） 光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。 为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。请记住，功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为1.4电子伏特。 我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。 在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。 最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。 普通硅光伏电池的基本结构 单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。电池材料中还采用了多晶硅，尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高，但可以降低成本。此外，还采用了没有晶体结构的非晶硅，
晶体硅太阳能电池生产工艺流程图 电池片工艺流程说明： (1)清洗、制绒：首先用化学碱（或酸）腐蚀硅片，以去除硅片表面机械损伤层，并进行硅片表面织构化，形成金字塔结构的绒面从而减少光反射。现在常用的硅片的厚度在180μm 左右。去除硅片表面损伤层是太阳能电池制造的第一道常规工序。 (2)甩干：清洗后的硅片使用离心甩干机进行甩干。 (3)扩散、刻蚀：多数厂家都选用P型硅片来制作太阳能电池，一 般用POCl3液态源作为扩散源。扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉,进行磷扩散形成P-N结。扩散的最高温度可达到850-900℃。这种 方法制出的PN结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于10％，少子寿命大于10 微秒。扩散过程遵从如下反应式： 4POCl3＋3O2（过量）→ 2P2O5＋2Cl2（气）2P2O5＋5Si → 5SiO2+ 4P 腐蚀磷硅玻璃和等离子刻蚀边缘电流通路，用化学方法除去扩 散生成的副产物。SiO2 与HF生成可溶于水的SiF62-，从而使硅表面的 磷硅玻璃（掺P2O5的SiO2）溶解，化学反应为： SiO2＋6HF → H2（SiF6）＋2H2O (4)减反射膜沉积：采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 技术在电池表面沉
积一层氮化硅减反射膜，不仅可以减少光的反射，而且由于在制备SiNx 减反射膜过程中有大量的氢原子进入，因此也起到了很好的表面钝化和体钝化的效果。这是因为对于具有大量晶界的多晶硅材料而言，晶界的悬挂键被饱和，降低了复合中心的原因。由于表面钝化和体钝化作用明显，就可以降低对制作太阳能电池材料的要求。由于增强了对光的吸收，氢原子对太阳能电池起到很好的表面和体内钝化作用，从而提高了电池的短路电流和开路电压。 (5)印刷、烧结：为了从电池上获取电流，一般在电池的正、背两面制作电极。正面栅网电极的形式和厚度要求一方面要有高的透过率，另一方面要保证栅网电极有一个尽可能低的接触电阻。背面做成BSF结构，以减小表面电子复合，印刷后要进行高温烧结。 (6)检测分选：为了保证产品质量的一致性，通常要对每个电池片测试，并按电流和功率大小进行分类，也可根据电池效率进行分级。 (7)包装入库：将分选好的电池片一部分可以进行包装，入库，准备外卖；其他的准备进入电池组件生产工序待用。
用于晶体硅太阳电池生产的PECVD技术进展 一引言 为了降低晶体硅太阳电池的效率，通常需要减少太阳电池正表面的反射，还需要对晶体硅表面进行钝化处理，以降低表面缺陷对于少数载流子的复合作用。 硅的折射率为3.8，如果直接将光滑的硅表面放置在折射率为1.0的空气中，其对光的反射率可达到30%左右。人们使用表面的织构化降低了一部分反射，但是还是很难将反射率降得很低，尤其是对多晶硅，使用各向同性的酸腐蚀液，如果腐蚀过深，会影响到PN 结的漏电流，因此其对表面反射降低的效果不明显。因此，考虑在硅表面与空气之间插一层折射率适中的透光介质膜，以降低表面的反射，在工业化应用中，SiNx膜被选择作为硅表面的减反射膜，SiNx膜的折射率随着x值的不同，可以从1.9变到2.3左右，这样比较适合于在3.8的硅和1.0的空气中进行可见光的减反射设计，是一种较为优良的减反射膜。 另一方面，硅表面有很多悬挂键，对于N 型发射区的非平衡载流子具有很强的吸引力，使得少数载流子发生复合作用，从而减少电流。因此需要使用一些原子或分子将这些表面的悬挂键饱和。实验发现，含氢的SiNx膜对于硅表面具有很强的钝化作用，减少了表面不饱和的悬挂键，减少了表面能级。 综合来看，SiNx膜被制备在硅的表面起到两个最用，其一是减少表面对可见光的反射；其二，表面钝化作用。 二PECVD技术的分类 用来制备SiNx膜的方法有很多种，包括：化学气相沉积法（CVD法）、等离子增强化学气相沉积（PECVD法）、低压化学气相沉积法（LPCVD法）。在目前产业上常用的是PECVD法。 PECVD法按沉积腔室等离子源与样品的关系上可以分成两种类型： 直接法：样品直接接触等离子体，样品或样品的支撑体就是电极的一部分。
太阳能光伏电池结构及工作原理 从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。 光伏电池中的电场效应 这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。 这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。 当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。
光伏电池的工作原理 我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率会这么低？ 可见光只是电磁频谱的一部分。电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。） 光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。但其他一些光子的能量却很强。只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。 为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。请记住，功率是电压和电流的乘积。最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为1.4电子伏特。 我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。 最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。