第四章 硅太阳能电池的设计

太阳能电池的研究与制备技术太阳能电池是一种可以将太阳能转化为电能的设备，已经成为世界能源领域的重要研究方向之一。

在人类追求可持续发展的时代背景下，太阳能电池的广泛应用促进了改善环境，减少污染，推动了人类文明的发展。

太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪初，当时法国科学家贝克勒耳发现一种基于半导体的太阳能电池效应。

在随后的100多年时间里，太阳能电池的制备技术不断提升，在材料、设计、生产等方面取得了多项重要进展。

太阳能电池的材料是制备太阳能电池的关键之一。

而能够产生太阳能电池效应的物质必须是“半导体”，因为它既能导电又能隔绝电流。

世界上大部分太阳能电池使用的是硅材料，因其稳定性和效率较高而成为主流。

但是，硅材料的制备困难，而且太阳能电池效率与硅材料的纯度直接相关，硅太阳能电池的制备和使用成本都较高，限制了其在大规模应用中的发展。

因此，研究人员一直在寻找材料更为廉价、效率更高的新型太阳能电池。

其中铜铟硒材料太阳能电池已经成为发展较快的一种，它的拓扑结构独特且半导体对电子的吸收更高效，可以在不增加生产成本的情况下提高转换效率。

铜铟硒太阳能电池的制备难度与硅太阳能电池相当，但其短脚效应和弱磷氧化物对太阳能电池的影响已经得到了一定的解决。

太阳能电池的设计也是决定其效率的关键之一，其中最主要的因素是太阳能电池的接触面积。

接触面积越大，电池的能量转换效率越高。

一种解决方案是使用三维太阳能电池，这种技术依赖于多个电池在锥形表面上的排列，可以实现完全覆盖灰尘和其他杂质。

太阳能电池的生产是一个复杂的过程，涉及到多种技术。

常见的生产过程包括注入、扩散、电镀、腐蚀和涂层等。

每个阶段都需要严密控制，以确保太阳能电池在生产过程中的质量和效率。

除了硅材料和铜铟硒材料太阳能电池，氢化铟镓（InGaP）太阳能电池和镍酸钴（NiCo）太阳能电池等也都是研究的热点。

未来几年，随着太阳能电池材料研发的深入和技术的进一步提升，太阳能电池的效率和生产成本有望实现双提升，用于大规模应用。

太阳能电池单晶硅
太阳能电池单晶硅是目前最常见的太阳能电池类型之一。

它由单晶硅制成，具有较高的转换效率和较长的使用寿命，广泛应用于家庭光伏发电系统、商业光伏电站、太阳能灯、太阳能电池板等领域。

太阳能电池单晶硅的制作工艺比较复杂，需要经过多个步骤才能完成。

下面是太阳能电池单晶硅的制作过程：
1. 硅单晶体生长：将硅原料熔化，然后通过种晶的方式让硅原子在晶体种子上逐渐生长，最终形成硅单晶体。

2. 切割硅片：将硅单晶体切割成厚度为0.3-0.4mm的硅片，通常采用金刚石线锯进行切割。

3. 清洗硅片：用酸洗液对硅片进行清洗，去除表面的氧化物和杂质。

4. 晶体硅片制备：将硅片放入炉中，在高温下进行扩散、氧化等处理，形成PN结。

5. 制作电极：在硅片表面涂上铝等金属，形成正负极。

6. 焊接：将多个硅片按照一定方式组合起来，形成太阳能电池板。

太阳能电池单晶硅的转换效率在20%左右，比其他太阳能电池类型高。

但由于制作过程复杂，成本较高，因此在大规模应用中仍存在一定的限制。

微电子课程设计硅太阳能电池结构设计与参数提取第二章选题及要求2.1课题名称与背景课题名称：硅太阳电池结构设计与参数提取课题背景：1、太阳能利用太阳能是一种新型能源，具有无污染、可再生的特点。

太阳能电池/光伏电池（Solar Cells）是一种将太阳能转化为电能的元器件，其基本结构是PN结。

硅太阳电池因工艺成熟、成本低廉而占据全球光伏产业80%以上的份额。

图2.1 太阳能光谱图2、光伏效应太阳能电池的基本结构是半导体PN结，当存在光照时，光子被吸收而产生光生载流子，光生载流子发生扩散而在PN结中形成与内建电厂相反的光生电场。

称为光生伏特效应。

3、等效电路与负载特性在光照下，太阳电池的基本结构的等效电路如图2.2所示图2.2 等效电路电流公式为s 0()=exp(1)s ph sh q V IR V IR I I I nkT R ++---其中n 为二极管理想因子，s R 为串联电阻，sh R 为旁路电阻。

其负载特性曲线如图2.3所示图2.3 负载特性曲线定义FF 为填充因子，oc V 为开路电压，sc I 为短路电流，其中max .oc sc P FF V I =即两矩形面积之比，..oc sc inV I FF P η=2.2 课题内容（1）太阳电池结构设计：利用太阳能电池基础知识，完成电池PN结衬底、结深、掺杂浓度的设计，以及电极材料选择、电极宽度设计；（2）太阳电池虚拟制造：利用现代TCAD工艺仿真软件对太阳电池进行工艺仿真和虚拟制造，显示制造结果，并保存电池结构以进行下一步操作；（3）太阳电池性能仿真：利用现代TCAD工艺仿真软件对步骤2中的电池进行响应特性、负载特性等器件性能仿真，并与设计指标进行比对；（4）太阳电池参数提取：通过参考书和参考文献调研等方式，根据太阳电池等效电路模型，设计和编写响应的软件程序，从步骤3输出的负载特性曲线中提取电池性质参数，包括理想因子n，串联电阻Rs和旁路电阻Rsh；（5）太阳电池优化设计：若所设计电池的能量转换效率等指标未达到设计要求，则进一步根据步骤4获得的性质参数，分析改进电池的设计方案，并重复步骤1~4，直至电池开路电压、短路电流和能量转换效率达到设计的指标要求。

第四章第一节无机非金属材料的主角——硅教学目标：1.了解硅在自然界中的含量、存在；2.了解硅单质、二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质，了解两者的用途；3．了解硅酸的性质，掌握硅酸钠的用途；了解传统硅酸盐产品的用途；4．了解新型无机非金属材料的用途及开展前景；5.通过硅酸的制备，硅酸钠的性质实验，学习实验设计的思维方式。

教学重难点：重点：硅、二氧化硅和硅酸的主要性质，硅酸盐的表示难点：硅、二氧化硅的化学性质，硅酸盐的表示教学过程：同学们，我们在第三章学习了金属及其化合物，也知道在我们自然界和日常生活中，金属广泛存在，那么除了金属以外，还有非金属，从今天这节课开始，我们将学习非金属。

第四章第一节无机非金属材料的主角——硅。

地壳中的元素有哪些，同学们还记得吗？请同学们回想一下。

我们在已经学习了氧元素，那么硅元素有哪些我们要学习掌握的呢？【硅元素在自然界中的存在】〔PPT展示图片〕硅在地壳中的含量为26.3％，仅次于氧。

硅的化合物构成了地壳中大局部的岩石、沙子和土壤,约占地壳质量的90%以上。

硅在自然界的存在形态：——没有游离态，只有化合态，以二氧化硅和硅酸盐的形式存在于岩石和矿物中。

【硅和碳的比拟】我们再来看一下硅元素在元素周期表中的位置，在碳的下面，请同学们画出碳和硅的原子结构示意图〔PPT 展示另个原子结构示意图〕，硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。

二者的电子层数不同，所以其性质也有差异性。

碳是构成有机物的主要元素，硅是构成岩石与许多矿物的根本元素。

我们按照前面学习的顺序，了解一下硅单质。

展示图片——单质硅，归纳单质硅的物理性质。

1.物理性质：〔1〕灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体〔2〕熔、沸点高、硬度大〔3〕晶体硅是良好的半导我们了解到硅原子最外层为4个电子，既不易失去也不易得到电子，常温下硅单质的化学性质不活泼。

那硅单质具有哪些化学性质呢？〔1〕常温下只和F2、HF、强碱反响Si + 2F2 === SiF4Si + 4 HF === SiF4 + 2H2Si + 2NaOH + H2O ===Na2SiO3 + 2H2〔2〕加热时能和O2反响△Si + O2====SiO23.用途：半导体材料、制合金、制太阳能电池等4.硅的制备〔1〕SiO2+2C == Si+2CO ↑〔粗硅〕假设C过量：SiO2+3C == SiC + 2CO ↑〔2〕 Si+2Cl2 == SiCl4〔3〕SiCl4+2H2 == Si+4HCl 〔高纯硅〕常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质〔金刚石〕存在，而硅却没有，说明了什么？请同学们阅读教材第74页。

硅太阳能电池-制造工艺————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：PV的意思：它是英文单词Photovoltaic的简写，中文意思是“光生伏特”（简称“光伏”）。

在物理学中，光生伏特效应（简称为光伏效应），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象硅太阳能电池制造工艺流程图1、硅片切割，材料准备：工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。

2、去除损伤层：硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。

因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。

3、制绒：制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。

对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。

对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。

4、扩散制结：扩散的目的在于形成PN结。

普遍采用磷做n型掺杂。

由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。

5、边缘刻蚀、清洗：扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。

周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。

周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。

目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。

扩散工艺培训1、什么是扩散？扩散的作用是什么？扩散是一种由热运动所引起的杂质原子和基体原子的输运过程。

由于热运动，把原子从一个位置输运到另一个位置，使基体原子与杂质原子不断地相互混合，从而改变基片表面层的导电类型。

扩散是常规硅太阳电池工艺中，形成PN结的主要方法。

2、硅太阳电池主要的扩散杂质源：硅太阳电池所用的主要的扩散杂质源有气态源、液态源、固态源等。

气态源-磷化氢PH3磷化氢是无色、易燃、有剧毒的气体。

考虑到安全问题没有在硅太阳电池的扩散中被使用。

固态源-五氧化二磷P2O5P2O5为固体，有很强的吸水性，作为杂质源操作在使用和保存时保持一定的状态是不可能的，用来扩散重复性差。

液态源-三氯氧磷POCL3POCl3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，高温下蒸汽压很高。

为了保持蒸汽压的稳定，通常是把源瓶放在20℃的恒温箱中。

POCL3有巨毒，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：5POCl3 = 3PCl5 + P2O5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：2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P↓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：4PCl5 + 5O2 = 2P2O5 + 10Cl2↑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：4POCl3 + 3O2 = 2P2O5 + 6Cl2↑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：2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P↓POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大的结面积的太阳电池是非常重要的。

昆明学院2015届毕业论文（设计）论文（设计）题目单晶硅的制备及其在太阳能电池中的运用子课题题目无姓名胡渐平学号 201117030207所属院系物理科学与技术系专业年级物理学2班指导教师张连昌2015年5月单晶硅的制备及其在太阳能电池中的运用摘要本文研究单晶硅材料的制备及其在太阳能电池中的运用。

制造太阳能电池的半导体材料已知的就有十几种，因此太阳电池的种类也很多。

硅材料分为单晶硅、多晶硅、铸造硅以及薄膜硅等许多形态。

虽然形态不一制作方法不尽相同，但是实现的目的是一样的。

都是尽可能多的将太阳光的光能转化为电能，硅是地球上储藏最丰富的元素之一。

目前作为单晶硅的制备方法分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ），并且这两种方法是工业上运用最广的方法。

从多晶硅中提炼出单晶,然后通过拉硅单晶棒、切割得到单晶硅圆片,再经过刻蚀,最后生产成太阳能电池组件。

生产过程大致可分为五个步骤：（a）提纯过程（b）拉棒过程（c）切片过程（d）制电池过程（e）封装过程。

本文就单晶硅的制备和在太阳能电池中的运用略作讨论。

本文中提高单晶硅太阳能电池的绒面工艺及电化学刻蚀工艺的原理及应用于太阳能电池中对效率所带来的影响的研究。

单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池。

它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

采用的来提高单晶硅太能电池效率的各种理论研究，首先采用了电化学刻蚀工艺和绒面工艺两者对太阳能电池效率的影响，从理论上的结果来看采用两者工艺结合所形成的抗反射层可以使太阳能电池的平均反射率降到2％，并进一步研究了在电化学刻蚀中各种参数对太阳能电池表面形貌的影响。

此外，论文还提出了另一种制备纳米硅抗反射层的方法及其在太阳能电池中的抗反射效果，研究发现这种制各纳米硅抗反射层的方法十分简单，且能够取得十分优异的降低反射率的效果，并且采用结合绒面工艺的纳米硅工艺所制得抗反射膜可以使得太阳能电池表面的反射率降到1％左右，甚至优于电化学刻蚀工艺和绒面工艺两者的结合。

晶体硅太阳能电池生产厂房设计施工要点晶体硅太阳能电池是以半导体材料为基础制作的产品，是光伏发电所采用的主要电池。

世界的节约能源概念普遍下，光伏电池绿色科技已是产业新星。

而这波绿色科技潮流，又首推太阳能最为行情看涨，有可能成为全球红透半边天的明日之星。

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。

本文以EPC工程（总承包）集成服务商CEIDI西递的某项目为例，具体谈谈晶体硅太阳能电池生产厂房设计施工要点。

晶体硅太阳能电池无尘厂房的生产工艺复杂，设备占地面积大。

需要设置不同的洁净区段，厂房装修设计一率以工艺生产为中心、布局动力辅助系统、气体系统、化学品系统、三废处理系统、仓储办公系统以及生活系统等功能区域，规划布局除满足生产要求外，还应满足生装、维修的要求，且设置必要的运输通道、安装口、检修口及净化设施，做到布置合理、紧凑、有利于生产操作，这样工艺流程更加顺畅，结构也更加紧凑厂房的面积，提高了建筑的使用系数。

在生产太阳能电池的过程中，产生大量的有毒、有害的气体,故此应当考虑当地的季风风向及其他气象条件，避免新风口和排风口距离过近，避免排风口位侧。

硅烷间、氨气间、三氯氧磷间等可能突然放散大量爆炸性气体或有害气体的房间应设置事故通风系统。

事故通风的换气次数每小时不应小于12次。

事故通风动、手动控制开关，手动开关应设置在室内夕M更于操作的地方。

烧结炉的工作温度很高（400°C左右）由于对洁净度要求较高，西递CEIDI设计独立的排风系统，而且其风管的材质支管（即和设备相连接部sus304）外加保温层、主管部分采用镀锌钢板（这样既可以满足生产要求又可以节省投资）。

热风直排是最节省初期投资的方法，也最简便易行。

太阳能电池生产车间的洁净度，也是制约产品质量的一个大问题，在厂房的施工建设中也要有足够的重视，西递CEIDI通过多年的设计和施工经验，总结了一些措的人流通道和物流通道。