分析太阳能电池的工作原理

一、太阳能电池的工作原理

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。

吉光光电当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

二、太阳能电池的制作过程

储量丰富的硅

“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

生产过程

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。

以单晶硅为例，其生产过程可分为：

工序一，硅片清洗制绒

目的——表面处理：

清除表面油污和金属杂质;

去除硅片表面的切割损坏层;

在硅片表面制作绒面，形成减反射织构，降低表面反射率;

利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成3-6微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收;

工序二，扩散

硅片的单/双面液态源磷扩散，制作N型发射极区，以形成光电转换的基本结构：PN结。

POCl3液态分子在N2载气的携带下进入炉管，在高温下经过一系列化学反应磷原子被置换，并扩散进入硅片表面，激活形成N型掺杂，与P型衬底形成PN结。主要的化学反应式如下：

POCl3+O2→P2O5+Cl2P2O5+Si→SiO2+P

工序三，等离子刻边

去除扩散后硅片周边形成的短路环;

工序四，去除磷硅玻璃

去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃(磷硅玻璃是指掺有P2O5的SiO2层)。

工序五，PECVD

目的——减反射+钝化：

PECVD即等离子体增强化学气相淀积设备，PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition;

制作减少硅片表面反射的SiN薄膜(～80nm);

SiN薄膜中含有大量的氢离子，氢离子注入到硅片中，达到表面钝化和体钝化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电池的短路电流和开路电压。

工艺原理：

硅烷与氨气反应生成SiN淀积在硅片表面形成减反射膜。

利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉积过程施加影响的技术。由于等离子体存在，促进气体分子的分解、化合、激发和电离，促进反应活性基团的生成，从而降低沉积温度。PECVD在200℃～500℃范围内成膜，远小于其它CVD在700℃～950℃范围内成膜。

反应过程中有大量的氢离子注入到硅片中，使硅片中悬挂键饱和、缺陷失去活性，达到表面钝化和体钝化的目的。

工序六，丝网印刷

用丝网印刷的方法，完成背场、背电极、正栅线电极的制作，已引出产生的光生电流;

工艺原理：

给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流有效输出;

正面电极用Ag金属浆料，通常印成栅线状，在实现良好接触的同时使光线有较高的透过率;

背面通常用Al金属浆料印满整个背面，一是为了克服由于电池串联而引起的电阻，二是减少背面的复合;

工序七，烘干和烧结

目的及工作原理：

烘干金属浆料，并将其中的添加料挥发(前3个区);

在背面形成铝硅合金和银铝合金，以制作良好的背接触(中间3个区);

铝硅合金过程实际上是一个对硅进行P掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点(577℃)以上。经过合金化后，随着温度的下降，液

相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，它补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的P层，达到了消除背结的目的。

在正面形成银硅合金，以良好的接触和遮光率;

Ag浆料中的玻璃添加料在高温(~700度)下烧穿SiN膜，使得Ag金属接触硅片表面，在银硅共熔点(760度)以上进行合金化。