太陽能電池的結構工作原理和制造技術近幾年來，受世界太陽能電池發展“熱潮”的影響，我國太陽能電池產業發展空前高漲，本文收集了太陽能電池的一些有關技術，以供讀者參考。

（一）太陽能電池的發展歷史：

太陽能電池是產生光生伏打效應（簡稱光伏效應）的半導體器件。因此，太陽能電池又稱為光伏電池，太陽能電池產業又稱為光伏產業。

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用于空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為8％。1973年世界爆發石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優點更加顯現。一些發達國家制定了一系列鼓舞光伏發電的優惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產業創造了良好的發展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產業進入了高速發展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業和下游太陽能電池設備業的發展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產業擴大了20倍，今后10年世界光伏產業仍以每年30％以上的增長速度發展。

世界太陽能電池的發展歷史如表1所示：

表1世界太陽能電池發展的主要節點

年份重要節點

1954美國貝爾實驗室發明單晶硅太陽能電池，效率為6％

1955第一個光伏航標燈問世，美國RCA發明GaAs太陽能電池

1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛星，轉換效率為8％。

1959第一個單晶硅太陽能電池問世。

1960太陽能電池首次實現并網運行。

1974突破反射絨面技術，硅太陽能電池效率達到18％。

1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世

1978美國建成100KW光伏電站

1980單晶硅太陽能電池效率達到20％，多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％

1986美國建成6.5KW光伏電站

1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”

1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32％。

1997美國提出“克林頓總統百萬太陽能屋頂計劃

日本提出“新陽光計劃”

1998單晶硅太陽能電池效率達到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃”

2000世界太陽能電池總產量達287MW，歐洲計劃2010年生產60億瓦光伏電池。

（二）、太陽能電池的種類

（三）、硅太陽能電池的結構及工作原理

硅太陽能電池的外形及基本結構如圖1。基本材料為p型單晶硅，厚度為0.3—0.5mm左右。上表面為N+型區，構成一個pN＋結。頂區表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N＋區和p區形成歐姆接觸，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。

當入發射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區，pN＋結空間電荷區和p區中激發出光生電子——空穴對。各區中的光生載流子如果在復合前能越過耗盡區，就對發光電壓作出貢獻。光生電子留于N＋區，光生空穴留于p區，在pN＋結的兩側形成正負電荷的積累，產生光生電壓，此為光生伏打效應。當光伏電池兩端接一負載后，光電池就從p區經負載流至N＋區，負載中就有功率輸出。

太陽能電池各區對不同波長光的敏感型是不同的。靠近頂區濕產生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的5－10％（隨N＋區厚度而變），pN＋結空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5％左右。電池基體區域產生的光電流對紅外光敏感，占80－90％，是光生電流的主要組成部分。

（四）、太陽能電池的制造技術

晶體硅太陽能電池的制造工藝流程如圖2。提高太陽能電池的轉換效率和降低成本是太陽能電池技術發展的主流。

1、具體的制造工藝技術說明如下：

（1）切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。

（2）清洗：用常規的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。

（3）制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。

（4）磷擴散：采用涂布源（或液態源，或固態氮化磷片狀源）進行擴散，制成pN＋結，結深一般為0.3－0.5um。

（5）周邊刻蝕：擴散時在硅片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層。

（6）去除背面pN＋結。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面pN＋結。

（7）制作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

（8）制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2，SiO2，Al2O3，SiO，Si3N4，TIO2，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、pECVD法或噴涂法等。

（9）燒結：將電池芯片燒結于鎳或銅的底板上。

（10）測試分檔：按規定參數規范，測試分類。

由此可見，太陽能電池芯片的制造采用的工藝方法與半導體器件基本相同，生產的工藝設備也基本相同，但工藝加工精度遠低于集成電路芯片的制造要求，這為太陽能電池的規模生產提供了有利條件。

（五）、太陽能電池的芯片尺寸：

規模化生產太陽能電池的芯片尺寸分別為（103×103）mm2、（125×125）mm2、（156×156）mm2和（210×210）mm2的方片。目前的主流仍是（156×156）mm2，2007年將過渡到（210×210）mm2為主流芯片。最近德國已推出了代表國際最先進的（210×210）mm2硅片全自動生產設備。

芯片的厚度也愈來愈薄，從→300→270→240→210→180um，目前晶體硅片主要使用厚度為210—240um。

（六）、太陽能電池的芯片材料及轉換效率：

1、晶體硅（單晶硅和多晶硅）太陽能電池：

2004年晶體硅太陽能電池占總量的84.6％，生產技術成熟，是光伏產業的主導產品。在光伏產業中占據著統治地位。

對于高效單晶硅太陽能電池，國際公認澳大利亞新南威爾士大學達到了最高轉換效率為24.7％，目前世界技術先進產品轉換效率為19－20％。對于多晶硅太陽能電池澳大利亞新南威爾士大學多晶硅電池效率已突破19.8％，技術先進產品的效率為15－18％。

2、非晶體硅太陽能電池：

α－Si（非晶硅）太陽能電池一般采用高頻輝光使硅烷分解沉積而成。由于分解溫度低（250－5000C），可在薄玻璃、陶瓷、不銹鋼和塑料底片上沉積1um厚的薄膜，且易于大面積化。非晶硅太陽能電池多數采用pIN結構，有時還制成多層疊層式結構。

非晶硅太陽能電池大量生產的大面積產品的轉換效率為10－12％，小面積產品轉換效率已提高到14.6％，疊層結構電池的最高效率為21％。

3、砷化鎵（GaAs）太陽能電池：

GaAs太陽能電池多數采用液相外延法或MOCVD技術制備，GaAs太陽能電池的效率可高達29.5％，一般在19.5％左右。產品具有耐高溫和抗輻射特點，但生產成本較高，產量受限，主要用作空間電源。以硅片為襯底，擁MOCVD方法制造GaAs/Si異質結太陽能電池是降低成本很有希望的方法，最高效率23.3％，GaAs疊層結構的太陽能電池效率接近40％。

4、其他化合物半導體太陽能電池：

這方面主要有CIS（銅銦硒）薄膜、CdTe(碲化鎘)薄膜和Inp(磷化銦)太陽能電池等。這些太陽能電池的結構與非晶硅電池相似。但CIS薄膜一般厚度為2－3um，已達到的轉換效率為17.7％。CdTe薄膜很適合于制作太陽能電池。其理論轉換效率達30％，目前國際先進水平轉換效率為15.8％，多用于空間方面。2004年世界各種太陽能電池產量的種類分布如表2

表22004年世界各種太陽能電池產量的種類分布

序號太陽能電池種類總產量（MW）百分比（％）

1單晶硅平板電池314.428.6

2多晶硅平板電池669.256.0

3非晶硅（室內室外）47.13.9

4帶硅電池41..03.4

5CdTea（碲化鎘）電池13.01.1

6CIS(銅銦硒)3.00.25

7非晶硅/單晶硅電池80.06.7

總量1195.2100

（七）、提高太陽能電池效率的特殊技術：

晶體硅太陽能電池的理論效率為25％（AMO1.0光譜條件下）。太陽能電池的理論效率與入射光能轉變成電流之前的各種可能損耗的因素有關。其中，有些因素由太陽能電池的基本物理決定的，有些則與材料和工藝相關。從提高太陽能電池效率的原理上講，應從以下幾方面著手：

1、減少太陽能電池薄膜光反射的損失

2、降低pN結的正向電池（俗稱太陽能電池暗電流）

3、pN結的空間電荷區寬度減少，幷減少空間電荷區的復合中心。

4、提高硅晶體中少數載流子壽命，即減少重金屬雜質含量和其他可作為復合中心的雜質，晶體結構缺陷等。

5、當采取太陽能電池硅晶體各區厚度和其他結構參數。

目前提高太陽能電池效率的主要措施如下，而各項措施的采用往往引導出相應的新的工藝技術。

（1）選擇長載流子壽命的高性能襯底硅晶體。

（2）太陽能電池芯片表面制造絨面或倒金字塔多坑表面結構。電池芯片背面制作背面鏡，以降低表面反射和構成良好的隔光機制。

（3）合理設計發射結結構，以收集盡可能多的光生載流子。

（4）采用高性能表面鈍化膜，以降低表面復合速率。

（5）采用深結結構，幷在金屬接觸處加強鈍化。

（6）合理的電極接觸設計以達到低串聯電阻等。

（八）、太陽能電池的產業鏈

（九）、上海太陽能電池產業概況：

上海對于光電轉換器件的研究起步于1959年。當時在中科院技術物理研究所和上海科技大學等單位作為光電探測器件課題進行研究。上世紀八十年代，上海儀表局所屬的上海半導體器件八廠等單位生產小功率的蘭硅光電池在市場上銷售。八十年代后期，受世界太陽能電池產業迅速發展的影響，上海開始建立專業的太陽能電池芯片生產企業和專業的研究機構。近10年多來，隨著我國太陽能電池“熱潮”的到來，制造太陽能電池組件的企業紛紛建立，而且隨著單晶硅和多晶硅材料供應緊張，許多小型的硅單晶企業也蜂涌而至。從上世紀九十年代以來，上海的太陽能電池產業逐步形成規模。

目前，上海地區從事太陽能電池芯片、組件、硅材料和設備生產和技術研究的單位共20余個。

其中，太陽能電池芯片制造的主要企業有上海太陽能科技有限公司、上海泰陽公司等。2006年中芯國際（上海）公司Fab10建成投產，利用8英寸硅單晶硅片制造太陽能電池芯片，開創了上海利用8英寸多晶硅片制造太陽能電池的新范例。目前，上海太陽能電池芯片的產量在30－40MW左右。上海太陽能電池組件的生產企業共有10個左右。主要企業仍有上海太陽能科技有限公司和上海泰陽公司（與上海交通大學合作）等。目前上海太陽能電池組件的產量為50－70MW左右。由于太陽能電池組件生產技術及設備要求較為簡單，因此，太陽能電池組件生產企業中，有多家為民營企業。由于國內太陽能電池芯片供應不足，這些企業往往采用進口芯片組裝后絕大部分返銷境外，僅少數投放國內市場。

近幾年來，由于可提供太陽能電池芯片生產的硅單晶片和硅多晶硅片嚴重短缺，價格不斷大幅度上升，例如2003年進口電子級多晶硅每公斤為22－25美元，而2006年進口同樣多晶硅的價格上升200％至300％，有些經銷商轉手倒賣時，價格甚至抬高5至8倍。在這種情況下，許多中小型的硅單晶生產企業蜂涌而至。從上世紀九十年代以來，在上海及周邊地區建立中小型太陽能電池硅單晶（或硅多晶）的生產企業達4至5個之多。上海通用硅有限公司和上海卡姆丹克公司（合資企業）是其中有代表性的企業。它們各具有許多直拉單晶爐，可以拉制5.5″，6″，6.5″和8″直徑的硅單晶，形成了可供年產25——30MW太陽能電池芯片的市場。但是由于多晶硅原材料供應不足，這些企業拉制的硅單晶原材料只能供給生產20MW太陽能電池芯片所用。因此，硅材料缺乏已成為抑制上海（乃至全國）太陽能電池產業封裝的瓶頸。因此，通過上海與外省市的合作發展多晶硅產業已是涉及到微電子產業和太陽能電池產業的戰略問題。

（十）中芯國際（上海）的經驗：

中芯國際（上海）為國內集成電路（或半導體器件）芯片制造企業開展太陽能電池芯片或組件生產走出了一條成功之路，從中芯國際（上海）Fab10投產的實踐來看，證明了以下事實，即集成電路（或半導體器件）芯片制造企業太陽能電池芯片具有許多有利條件：

●基本工藝相同；

●廢舊硅圓片可充分利用，有利于降低制造成本；

●生產線設備基本上可用進口設備或國產設備節省投資；

●太陽能電池芯片制造若延伸至組件制造，更有利于企業獲得較好效益。

但由于集成電路（或半導體器件）芯片制造企業的可利用的單晶硅片數量有限，因此當太陽能電池芯片生產規模擴大時必須考慮其他晶體硅的來源。