(光伏电池制造工艺课程设计)
第1章 光伏电池概述
1.1 光伏电池
光伏电池是一种利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，又称太阳能电池或光电池，是太阳电池阵电源系统的重要元件。 主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧·厘米以上的P型单晶硅。包括p-n结、电极和减反射膜等部分。受光照面加透光盖片（如石英或渗铈玻璃）保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损 伤。单体电池尺寸从2×2厘米至5.9×5.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换效率为20% ，实际已达到11.2%～14.8%。单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24%，实际达到18%。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池，但镓的产量较少，成本高。级联p-n 结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的 p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐增长，这种电池可以充分利用日光,光电转换效率大大提高。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射体、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。
1.2 光伏电池的发电原理
有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。 入射光垂直pn结面。如果结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度
一般改变较小，而少数载流子变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。
图1.2 PN结光照前，后的能带图
由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降
低为qVD-qV（图1.2所示）。，产生正向电流IF. 由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流IF。
图 1.3 太阳电池的发电原理
在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照
不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。如图1.3所示。
1.3 光伏电池的发展历史
太阳电池发展历史可以追溯到1839年，当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应（Photovoltaic effect）。直到1883年，第一个硒制太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。
中国第一个太阳电池而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者Russell Ohl开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到6%左右。随后，太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性（anisotropic）的蚀刻（etching）特性，慢慢的将太阳电池表面的硅结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失，这使得当时的太阳电池能源转换效率达到17%。1976年以后，如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本
降低使得太阳电池进入民间发电领域，太阳电池开始应用于并网发电。
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