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1、传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！目录1 引言1 1.1 能源与环境11.2 太阳能21.3 大阳电池的发展2 2 原理及方法22.1 硅太阳电池制备工艺22.1.1 单晶硅太阳电池制备方法32.1.2 多晶硅太阳电池制备方法32.1.3 薄膜太阳电池制备方法42.2 硅太阳电池的发电原理43 比较研究43.1 在我国太阳电池技术熟练程度43.2 晶硅电池的技术发展53.2.1 晶硅电池的各项技术发展53.2.2 向高效化方向发展53.2.3 向薄片化方向发展64 结论95 致谢96 参考文献97 附录9 传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！太阳电池的制备
2、与发展摘要 能源是人类社会发展不可缺少的重要资源。21世纪以来，随着社会的快速发展，化石能源的告急，新能源问题不仅成为一个国家的发展问题，更成为全世界发展的问题。随着过去以来化石能源对环境造成的严重危害不断的在生活中表现出来，环境污染问题也成为世界难题。所以新能源能够在社会立足首先得解决环境问题。 现在世界无污染能源主要有风力、水力、太阳能等，而风力和水力的利用受地理环境和天气情况的限制比较大，所以人们把目光投向了大阳能。太阳能是由太阳的氢经过核聚变而产生的一种新能源。它不仅储量巨大而且不存在枯竭、污染、不均匀等问题。如果能合理的开发与应用太阳能，将会为人类提供充足的能源。 目前太阳能的利用主
3、要是在太阳电池方面，利用太阳电池将太阳能直接转换成电能。而太阳电池的核心就是半导体材料做的PN结，太阳电池主要是依靠PN结实现发电。如果能在PN结方面取得新的突破，太阳电池的转化效率也将上升到一个新的台阶。提高太阳电池的转化效率也是太阳电池发展一直以来的难题。20世纪80年代，以碲化镉、砷化镓等新型半导体材料为基础的无机太阳能电池。 关键词：大阳电池；单晶硅；多晶硅；薄膜；PN结1 引言 本论文主要谈论了单晶硅、多晶硅以及薄膜太阳电池的制备工艺、研究发展、与未来的发展趋势。通过在单晶硅、多晶硅与薄膜太阳电池在制备工艺、使用优缺点、以及将来的环境需求等方面的比较，得出薄膜太阳电池必将是太阳电池发
4、展不可厚非的趋势。目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。1.1 能源与环境传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！21世纪以来，新
5、能源新技术的开发一直是各个国家共同的难题。但是随着时间的推移和人类的不断努力，新能源的开发也将进入了新的领域，新技术更是新能源开发与环境和谐发展不可缺少的因素。人类的发展不可以不顾地球的负荷能力。没有一个清洁健康的地球，人类就没有美好的未来。新能源的发展不仅需要新技术研发的不断进步，更要是在环境保护的前提下才可以继续前进。因为人类的发展不仅是现在的发展，更是人类后代的发展。1.2 太阳能至21世纪原始的化石能源告急，环境不断恶化以来，人们就在不断的向清洁的新能源方向发展。因此太阳电池得到了世界各国的青睐，太阳电池的研究发展成为世界科技的热门。掌握太阳电池设备新技术就掌握了经济发展的命脉，于是新
6、兴的光伏产业大规模发展起来。在我国，光伏产业迅速发展，由下游向上游迅猛发展，许多上游原料制备企业也纷纷开始建立起来。太阳电池只要在有光的环境下就可以把光能转化成电能，而太阳可以将阳光照到地球上的每个角落。太阳电池的能量来源问题可以不做考虑。1.3 大阳电池的发展太阳电池是利用半导体PN结的光伏效应,将吸收的太阳能转换为电能并由正负电极输出的器件称为光电转换电池,又称为太阳电池或光伏电池(简称 PV)。光伏发电既无噪音,又无污染,维护简单,资源分布广和永不枯竭等特点,工作寿命可达20310年,是一种理想的清洁可再生能源。在当今矿物资源日渐贫乏和环境污染给人类社会可持续发展带来了巨大压力情况下,太
7、阳能发电被认为是二十一世纪最重要的新能源,其发展潜力巨大。在过去的二十年间,太阳电池市场的平均年成长率为22；1995以后年均增长率超过30,近几年达到40, 太阳电池产业已进入飞速发展的阶段。当今全球光伏市场是以晶体硅太阳电池为主,约占90以上。但是晶体硅电池生产材料成本高和高能耗,在能源价格不断上涨的趋势下,依靠规模效益降低成本基本没有多少空间。因此,发展低成本、新型薄膜太阳电池是未来国际光伏产业的必然趋势2 原理及方法 太阳电池的种类很多，如单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池等。根据种类的不同其制造方法也不同。下面我们对单晶硅和多晶硅太阳电池的制造方法及原理进行介绍。2.1 硅太阳电池制备工
8、艺传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 目前硅太阳电池制备工艺比较成熟。虽然各种硅太阳电池的制备工艺有所不同，但基本原理一致，仅根据不同要求对个别工艺过程稍有变动。常规硅太阳电池的制备工艺流程如图2-1所示。 图2-1 硅太阳电池制备工艺流程图2.1.1 单晶硅太阳电池制备方法先将高纯度的硅加热至1500摄氏度，生成大型结晶单晶硅。然后将其切成厚为300500微米的薄片，利用气体扩散法加不纯物形成PN结。最后形成电极以及 防止光线反射的反射防止膜。制造流程如图2-2所示。2.1.2 多晶硅太阳电池制备方法 为了解决单晶硅太阳电池制造工艺复杂、制造能耗较大的问题，人们研究开发了
9、多晶硅太阳电池制备方法。多晶硅是一种将众多的单晶硅粒子集合而成的物质。多晶硅太阳电池制备方法有两种。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 一种方法是将被溶解的硅片放入坩埚中慢慢地冷却使其固化的方法。然后与单晶硅片一样将其切成厚300-500微米的薄片，添加不纯物并形成PN结，电极以及反射防止膜。 另一种方法是从硅溶液直接得到硅片状多晶硅的方法。这种方法不仅可以直接做成薄片状多晶硅，有效利用了硅原料，而且太阳电池的制造比较简单。2.1.3 薄膜太阳电池制备方法 薄膜太阳电池是一种半导体层厚度在几微米到几十微米以下的太阳电池。它是在成本比较低的玻璃存底上堆积结晶硅系等材等薄膜而形
10、成的元件。它具有节约材料、效率高、特性稳定以及存底成本较低的特点。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数靘，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上)，目前转换效率最高以可达13%，薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沉积(deposition)技术，一层又一层地把p-型或n-型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2 (CI
11、S)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe.等。2.2 太阳电池的发电原理 对于两种不同的硅半导体（P型与N型）结合而成的太阳电池，当太阳光照时，太阳的光能被太阳电池吸收，产生正离子（+）和负离子（电子）。正离子向P型半导体集结，而负离子向N型半导体集结，当在太阳电池的表面和背面的电极之间接上负载时，便有电流通过。如图2-3所示。3 比较研究3.1 在我国太阳电池技术熟练程度：传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！1）晶硅电池：单晶硅，多晶硅，2）薄膜电池：a-Si,CIGS,CdTe,球形电池，多晶硅薄膜，有机电池，3） 性概念电池：量子点，量子阱电池，迭层电池，中间
12、带电池，杂质带电池，上、下转换器电池，a-Si/C-Si异质结，偶极子天线电池，热载流子电池。3.2 晶硅电池的技术发展3.2.1 晶硅电池的各项技术发展 单晶硅电池在70年代引入地面应用。在石油危机推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展的时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。1) 钝化技术：热氧化SiO2，氢钝化，PECVD-SiN工艺钝化（多晶硅），a-Si钝化等；2) 陷光技术：表面织构化技术，减反射技术；3) 背表面场（BSF）技术；4) 表面织构化（绒面）技术；5) 异质结太阳电池技术；6) MIS-电池；7) MINP电池-；8) 聚光电池-。3.2.2 向高效化方
13、向发展1) 单晶硅高效电池： 斯坦福大学的背面点接触电池：=22% 特点：正负电极在同一面，没有栅线阴影损失； 新南威尔士大学的PERL电池：=24.7%；传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ Fraunhofer研究所电池：=23%； 北京太阳能研究所高效电池：=19.8%。2) 多晶硅高效电池 多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料， 能直接制备出适宜规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg， 制造过程简单、省电节约硅材料，因此具有更大降低成本的潜力。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率单晶硅低；晶向不一致，表面组织化困难。3.2.3 向薄片化方
14、向发展1) 硅片减薄70年代450-500m80年代400-450m90年代350-400m目前260-300m2010年200-260m2020年100-200m硅片是晶硅电池成本构成中的主要部分。硅-间接半导体，理论上100m可以吸收全部太阳光。电池制造工艺-硅片厚度下限150m。降低硅片厚度是结构电池降低成本的重要技术方向之一。如图表3-2。 表3-2 硅片厚度的发展2) 带硅技术直接拉制硅片-免去切片损失（内园切割，刀锋损失300-400m。线据切割，刀锋损失-200m）。EFG带硅技术 采用石墨模具-电池效率13%-15%。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于RWE（ASE）
15、公司所有。蹼状带硅技术。在表面张力的作用下，插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片，所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好，但其生长速度相对较慢。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！Astropowerd的多晶带硅制造技术。 该技术基于液相外延工艺，存底为可以重复使用的廉价陶瓷。实验室太阳电池效率达15.6%，该技术实现了小规模的商业化生产。3）薄膜太阳电池硅基薄膜太阳电池 非晶硅（a-Si）太阳电池，是Si-H（约10%）的一种合金。其优点是资源丰富、环境安全；挂钩的吸收系数该，活性层只需要1m厚，省材料；沉积温
16、度低，成本存底上，如玻璃、不锈钢和塑料膜上等；电池/组件一次完成，生产程序简单。缺点是效率低；不稳定-光衰减（S-W效应）。 多晶硅薄膜电池，其技术路线有：高温技术路线-以RTCVD为代表，其优点是薄膜结晶质量好，晶粒尺寸大，容易做出高效率电池，缺点是工艺温度高-1000摄氏度，存底难解决；低温技术路线-以PECVD为代表，其优点是工艺温度低，200-300摄氏度，存底容易获得：玻璃，不锈钢等，缺点是包膜质量低，晶粒小，纳米极；硅球太阳电池这种电池是由铝箔上形成连续排列的硅球所组成的，硅球的平均直径为1.2mm，每个小球均有PN结小球在铝箔上形成并联结构，实验室效率达到10%，硅球电池在技术上
17、有一定特色，但规模化生产仍存在许多技术障碍。化合物半导体薄膜电池 GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁带宽度在1-1.5eV，与太阳光谱匹配较好。同时这些半导体是直接带隙材料，对阳光的吸收系数大，只要几个微米厚就能吸收绝大部分的阳光，因此是制作薄膜太阳电池的优选活性材料。 GaAs电池主要用于空间，CdTe和GIS电池被认为是位来实现低于一美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池，因此成为最热的两个研究课题。染料敏化TiO2太阳电池（光化学电池）有机电池传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 比利时IMEC公司开发一种塑料太阳电池使用具有施主和受主性能的有机材料，电池效率5%。几
18、种薄膜电池的效率进展如图3-3所示。4）热光伏（TPV）电池 红外辐射 TPV 电能，应用于工业废热回收等。典型器件：GaSb（Eg-0.6-7eV），InP，Si，系统：热源-辐射器-电池。效率： 1000K 2-3% 目前 1200-1700K 10% 未来。5）太阳电池的未来发展趋势商业化趋势1998年以前，单晶硅电池站市场主导地位，其次是多晶硅。 1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅电池跃居第一。 非晶硅电池从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。 CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一。电池技术市场份额%商业化时间
19、单晶硅35.13-29.4670年代初多晶硅47.33-54.4470年代末非晶硅8.62-5.580年代初a-Si/c-Si4.61-5.990年代末带硅3.48-3.380年代中薄硅/陶瓷0.26-0.390年代中CdTe0.39-0.380年代中CIS0.18-/00年代初 CIS电池的商业化进程比较缓慢，主要是因为生产工艺难于控制，In是稀有元素。 Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速。 2001、2002年各种电池的市场份额和开始商业化时间如表3-4： 表3-4 2001、2002年各种电池的市场份额和开始商业化时间技术发展趋势 硅基电池：硅是地球上第二大元素
20、，资源丰富；环境友好；电池效率高，性能稳定；工艺基础成熟；硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点。 研究发展方向：晶硅电池 提高电池/组件效率传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！4 结论 薄膜太阳电池必将在不久的将来成为光伏电池产业的领头班。电池技术的发展也将是不可缺少的必要就因素。成本低也是电池发展不可缺少的条件，毕竟产业的发展必须要有一个可以承受它的市场环境。新型薄膜太阳电池不仅成本低，而且对环境的影响也远小于之前的硅晶电池。5 致谢 本论文的编写，感谢：李一龙院长、林逢春老师、曹志伟老师等的指导以及关怀，是你们的耐心辅导才有了一个今天的我。在此，我向你们表示衷心的感谢。并祝你们工作顺利，万事如意。是你们（老师）的无私奉献与默默无闻，才有了一个又一个的成功青年走出了社会的大门，为社会输出了一个个有用的人才。为祖国添加了不可明灭的一笔。6 参考文献 本文在编写过程中参考、引用了下列书籍、文献，在此向作者表示衷心感谢！1) 太阳能光伏系统概论 武汉大学出版社2) 硅太阳电池电池制备工艺 吉林大学出版社3) 太阳能光伏发电4) 部分资料来源于网络5) 6) 7)8) 9)10)