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电子工业专用设备
ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
・太阳能电池・
太阳能电池的种类
李万河
（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊１０１６０１）
摘
要：介绍了太阳能电池的种类，并重点对单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池的制备和
结构特点进行了介绍。
关键词：太阳能电池；单晶硅；多晶硅；薄膜太阳能电池中图分类号：ＴＫ５７３
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００４－４５０７（２００８）００－０００５－０５
ＴｈｅＫｉｎｄｏｆＳｏｌａｒＣｅｌｌ
ＬＩＷａｎ－ｈｅ
（Ｔｈｅ４５ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，ＢｅｉｊｉｎｇＥａｓｔＹａｎｊｉａｏ１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｉｎｄｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｂａｓｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌ，ｓｕｃｈａｓｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ，ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅａｎｄｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，ａｎｄｔｈｅｉｒｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｗｅｉｇｈｔｉｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｏｌａｒｃｅｌｌ；Ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎ；Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎ；Ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｓｏｌａｒｃｅｌｌ
１引言
１８３９年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使
硅太阳能电池
表１太阳能电池种类
太阳能电池的种类
晶体非晶体
化合物半导体
Ⅲ－Ⅴ族Ⅱ－Ⅵ族其它
有机半导体太阳能电池
半导体材料单晶硅、多晶硅ａ－Ｓｉａ－ＳｉＧｅａ－ＳｉＣａ－ＳｉＮａ－ＳｉＳｎＧａＡｓＡｌＧａＡｓＩｎＰＣｄＳＣｄＴｅＣｕ２ＳＣｕＩｎＳｅ２ＣｕＩｎＳ２酞菁、羟基角鲨烯、聚乙炔
半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象被称为“光伏效应”。１９５４年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。一套基本的太阳能发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成。
许多半导体材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类很多，见表１。
一般希望太阳能电池具有以下特性：（１）转换效率高；（２）制造能耗少；
收稿日期：２００８－０２－２６
作者简介：李万河（１９６４－），男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，从１９８９起一直从事半导体专用设备的开发研究工作。
（总第１５９期）５
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（３）制造成本低；（４）原材料丰富；（５）电池使用寿命长；（６）无公害。
下面就几种太阳能电池进行介绍，包括它们的制备、结构和特点。
２单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的特点：
（１）作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对
环境基本上没有影响。
（２）单晶制备以及ｐｎ结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。
（３）硅的密度低，材料轻。即使是５０μｍ以下厚度的薄片也有很好的强度。
（４）与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。（５）电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证２０年以上的工作寿命。
单晶硅太阳能电池因为资源丰富，转换效率高，所以是现在开发最快的产业。但因其制造工艺复杂，需消耗大量的能源，所以有成本高，能源回收周期长的缺点。单晶硅太阳能电池制作过程见图１。
原料
多晶
氢还原加热
切片
研磨
→
加热薄片太阳能电
池的形成三氯硅烷
～１５００℃
～１０００℃
（ａ）薄片制造工序
ｐ型单晶Ｓｉ薄片ｐ
↓
!
ｐｎ结制造$↓
" %" %" 气相扩散%" %ｎ
＋
" %" " 涂敷扩散%%ｐ
#
离子移植
&
↓
↓
表面电极做电极
ｎ＋↓
ｐ
背面电极
完成
（ｂ）电池工序
图１
单晶硅太阳能电池的制作过程
６（总第１５９期从图１中可以看出，制作太阳能电池的关键过程就是ｐｎ结的制备。ｐｎ结的制备图中给出了三种方法：气相扩散、涂敷扩散和离子移植。目前，工业化生产中大部分用气相扩散的方法获得，表面和背面电极是利用丝网印刷的方法把金属电极直接印刷上去。
太阳能电池的一项重要指标是“光电转换效率”，因此围绕太阳能电池的技术革新都是提高其转换率。下面介绍几种提高转换率的方法：
２．１背电场太阳能电池
为防止在衬底的背面附近由于载流子的复合引起效率的减少，在背面实现与衬底同类型的高浓度掺杂的太阳能电池。例如在ｐ－Ｓｉ衬底背面进行铝合金掺杂，在背面形成ｐｐ＋高低结势垒，即存在背表面场。如图２所示。
表面电极
ｎ＋ｐ内电场区域
ｐ＋
背面电极
图２背电声场示意图
由于背面的高低结势垒与硅片正面形成的ｎ＋ｐ结势垒方向一致，能够提高电池的开路电压；另外，高低结势垒对ｐ区少子－电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面之复合作用，又提高了ｐｎ结对光生少子的收集几率，也能提高电池的短路电流。同时，这种结构使太阳能电池对长波长光的灵敏度增大。
背电场技术是一项极为有效的措施，它对高电阻率（如１０Ω・ｃｍ）衬底的硅太阳能电池效率的提高更为明显。太阳能电池的转换效率可达１５％～２０％左右。
２．２紫外光太阳能电池
紫外光太阳能电池（见图３）是为了防止太阳能电池的表面（受光面）由于载流子的复合而使效率
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减小的电池。
微细表面电极
ｎ＋（０．１～０．２μｍ）
ｐ
背面电极
图３
紫外光太阳能电池
常规制备的电池是用普通扩散法制造的ｐｎ结硅太阳能电池，其结深约０．５μｍ，扩散电阻Ｒ约为３５Ω／ｃｍ２左右，以ｎ＋ｐ结为例，ｎ＋磷扩散杂质分布不是典型的余误差函数分布，在表面附近具有几乎恒定的浓度，其值取决于在磷扩散温度下磷在硅中的固溶度。因而表面是极薄的重掺杂层。由于重掺杂效应及严重的晶格缺陷和畸变，使该层少子寿命极低，所以称该层为“死层”。通常一次扩散的结越深，则“死层”越厚。
一般太阳能电池ｎ＋
层的厚度在０．３～０．５μｍ，当用化学腐蚀法使膜厚变为０．１～０．２μ
ｍ，就能减少“死层”，防止在ｎ＋
层表面附近的载流子的复合，提高光生空穴的收集几率，使转换效率提高。这就是紫外光太阳能电池设计的出发点，即采用“浅结”技术。
紫外光电池的浅结也会带来两个新问题：（１）采用浅结会提高表面薄层扩散电阻Ｒ，必然使电池的串联电阻Ｒｓ增大，加大功率损失。所以用“密栅”措施进行补救。
（２）应选择合适的减反膜与浅结密栅结构相配合，才能有效地提高短波光谱响应。例如：用ＳｉＯ２膜作减反膜，则它对０．４μｍ以下波长的光有较大的吸收，而使总的短波光谱响应的提高仍然受到影响。若改用Ｔａ２Ｏ５膜或用ＺｎＳ／ＭｇＦ双层减反膜，都可以得到较好的结果。
因而与常规电池相比，紫外光太阳能电池具有浅结、密栅及“死层”薄的特征，这种电池对短波长的光有特别高的灵敏度。２．３无反射太阳能电池
无反射太阳能电池，如图４所示，具有防止光
在太阳能表面反射而使效率减小的结构。
ｎ＋０．２～０．３μｍ约２μ
ｍｐ
表面电极
ｎ＋
ｐ
背面电极
图４
减反射膜示意图
下面我们来介绍一些防反射技术。２．３．１减少表面光学反射的技术
硅对入射太阳光的反射损失高达３０％以上。为了提高转换效率，减少这种反射损失，可以采用以下技术：
第一类是采用减反膜技术。硅太阳能电池常用的单层减反膜有ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯｘ等。双层减反膜可以用Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２等薄膜。膜的制备方法有：物理气相沉积（ＰＶＤ），或化学气相沉积（ＣＶＤ）等技术。例如用ＴａＯｘ和ＭｇＦ的双层减反膜，光学反射损失可减少到４％。
第二类是在＜１００＞硅片的进光面上，采用各向异性化学腐蚀，制得特殊表面结构：如绒面、微槽面等。图５是绒面结构和Ｖ型槽结构的示意图。
Ｉ００．１１Ｉ０
Ｉ００．１１Ｉ０Ｉ００．１１Ｉ０
０．３３Ｉ０
０．６７Ｉ０１．２２Ｉ０
（ａ）绒面结构
（ｂ）二次入射
（ｃ）Ｖ型槽结构
图５
绒面结构和Ｖ型槽结构示意图及二次反射原理
绒面或Ｖ型槽结构是用化学腐蚀方法在电池表面上得到许多有极小（１～２μｍ）的金字塔状或Ｖ
（总第１５９期）７
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型的凹凸层，在这种微结构表面上，入射光受表面第一次反射后，又得到第二次入射进硅衬底的机会，提高了光能利用率。这种太阳能电池的最高转换效率可达１８％。２．３．２背面反射镜技术
背面反射镜技术（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＲｅｆｌｅｃｔｏｒ，简称ＢＳＲ）是在ｎ＋ｐ太阳能电池的里面用铝等金属作成镜面反射镜，这样使长波长的光不会透射出电池。２．３．３表面钝化技术
１９８４年，澳大利亚的研究小组研制出了转换效率达１８．７％的金属－超薄绝缘层－ｎｐ结（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎ－ｓｕｌａｔｏｒ－ｎｐＪｕｎｃｔｉｏｎ，简称ＭＩＮＰ）硅太阳能电池和转换效率达１９．１％的钝化发射极（ＰａｓｓｖａｔｅｄＥｍｉｔｔｅｒＳｏｌａｒＣｅｌｌ简称ＰＥＳＣ）硅太阳能电池。
３多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的缺点是制造单晶过程复
杂，能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在１９７６年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过１０％，
对大晶粒的电池，有报道效率可达１４％。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，多晶硅太阳能电池的转换率可以做到比单晶硅太阳能电池的转换率低１．５个百分点，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。
在单晶硅材料中，硅原子在空间呈有序的周期性排列，具有长程有序性。这种有序性有利于太阳能电池的转换效率的提高。
多晶硅材料则是由许多单晶颗粒（颗粒直径为数微米至数毫米）的集合体。各个单晶颗粒的大小，晶体取向彼此各不相同。
多晶硅与单晶硅材料的差别主要是多晶硅内存在许多晶粒间界。这给多晶硅太阳能电池带来以下三方面影响：
（１）晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过；（２）晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合中心作用；
（３）在形成ｐｎ结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界向下择优扩散，形成导电分流路径，８（总第１５９期增大漏电流。
尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转换效率的提高。但因为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，所以研究人员正致力于减少晶粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。
为了尽可能减小晶粒间界的影响，使多晶硅太阳能电池具有合适的光电转换性能，对多晶硅片有如下要求：
（１）材料中绝大多数晶粒必须是柱状结构，以便光生载流子朝上、下方向输运与积累；
（２）晶粒横向尺寸越大越好，至少应大于少子扩散长度。一般希望该尺寸大于几个毫米。
通常多晶硅是选用太阳能电池级以上纯度的硅料，经过浇铸或晶带法得到。其电池的制造工艺基本上与单晶硅太阳能电池类似。
４非晶硅薄膜太阳能电池
从以上叙述中可以看出，晶体硅太阳能电池是
利用硅晶体为衬底，通过扩散的方式在其表面形成ｐｎ结来制作太阳能电池，这种电池需要耗费大量的硅晶体，而硅晶体的制作需要消耗大量的能源，能源回收周期较长。薄膜太阳能电池正是克服了这一缺点应用而生的，它是在玻璃或不锈钢基体上通过化学或物理方法淀积硅薄膜并形成ｐｎ结而制作的太阳能电池，这种方法材料成本远低于硅晶体电池，许多材料都可以作为基体材料，甚至可以采用聚合材料制作成所谓的柔性太阳能电池。
非晶硅薄膜太阳能电池具有如下特点：（１）非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在０．３～０．７５μｍ的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高４０倍左右，用很薄的非晶硅膜（约１μｍ厚）就能吸收９０％有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素；
（２）非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在１．５～２．０ｅＶ的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高；
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・太阳能电池・
（３）制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产；
（４）由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化；
（５）制备非晶硅太阳能电池能耗少，约１００ｋＷ・ｈ，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。
它图６所示的是一个典型的薄膜太阳能电池，由透明氧化物薄膜（ＴＣＯ）层、非晶硅薄膜层（Ｐ－Ｉ－Ｎ层）、背电极金属薄膜层组成，其中ＴＣＯ层通过ＰＥＣＶＤ的方法获得，非晶硅层通过ＣＶＤ获得，而背电极金属薄膜层是通过真空镀膜（溅射）的方法获取的。每层膜利用激光刻线的方式，刻出线条以形成ＰＮ结和互联的目的。
非晶硅太阳能电池结构图
非晶硅
背电极
保护层
用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的ｐ＋和ｎ＋材料形成ｐ＋－ｎ＋结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高，少子寿命低，电池的性能会很差。因此，通常在两个重掺杂层当中淀积一层未掺杂的非晶硅层作为有源集电区。
因此一块完整的太阳能电池，至少由５层薄膜组成，其中非晶硅层是由３层组成，形成所谓的Ｐ－Ｉ－Ｎ型光电二极管，这样的电池称为单结太阳能电池。
对于单结太阳能电池，即便是用晶体材料制备，其转换效率的理论极限一般在ＡＭ１．５的光照条件下也只有２５％左右。这是因为，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池
被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使
焊点
材料发热。这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。
为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域，用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，使整个电池的光谱响应接近于太阳光光谱，具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。
实际产品中一般是双极性叠层结再加上构，也就是Ｐ－Ｉ－Ｎ－Ｉ－Ｐ型结构，上层的ＴＣＯ层和下层的背电极金属层，共由七层薄膜构成。
薄膜太阳能电池具有材料成本
光
图６
ＴＣＯ
薄膜太阳能电池示意图
玻璃
非晶硅电池制作过程简易如图７所示。
激光
激光激光
涂覆透
明电极
刻图涂覆ａ－ｓｉ
图７
刻图
涂覆背面电极
刻图（完成）
不锈钢、聚脂膜等）、可制成低（玻璃、
大面积（１２００ｍｍ×６００ｍｍ）、可制成柔性等优点，但却存在转换效率低
薄膜太阳能电池制作过程
非晶硅太阳能电池的结构最常采用的是ｐ－ｉ－ｎ结构，而不是单晶硅太阳能电池的ｐ－ｎ结构。这是因为：轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果
（８％）、衰减快、设备投资高、生产工艺控制要求高等缺点。随着技术发展这种电池将会逐渐成为主导产品。
（总第１５９期）９