(完整版)晶体硅太阳能电池结构及原理
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3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
单晶硅太阳能电池特点： ① 完整的结晶，易得到高效率 ② 不容易产生光致衰退 ③ 发电特性稳定，约有20年的耐久性 ④ 硅原料丰富 ⑤ 承受应力强
7
3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池的效率为13～ 16%，是目前市场上最主流的产品
①Si+2F2=SiF4 ②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑ ③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑
高温下，较活泼
3.1 பைடு நூலகம்晶硅太阳能电池的种类和结构
晶硅为间接带隙结构 温度T=300 K，Eg=1.12 eV 本征载流子浓度：
ni 1.07 1010 cm3
结晶硅电池的结构是一个具有PN结的光电器件。包括硅衬底、PN结结 构、支构面、防反射层、导电电极与背面电极
9
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
衬底：衬底的作用是作为太阳能电池的承载。硅太阳能电池是以硅半 导体材料为底材衬底。 衬底的选择：一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可 从以下几方面选择: 1. 导电类型 P型硅用B作为掺杂元素，制成n+/p型太阳能电池； n型硅用P（或As) 为掺杂元素，制成p+/n型太阳能电池； 两类电池性能相当，但n+/p型太阳能电池耐辐照性能优于p+/n型太阳 能电池，更适合空间应用。
平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电 池需要晶向为（100）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的 场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求。 4. 形状、尺寸、厚度
空间应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工 艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸 是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度约为0.2mm.
原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属
于元素周期表上IVA族的类金属元素。
14Si
晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属 于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。
硅
3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质 常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为 （111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
可通过不同途径实现表面织 构化：晶体硅可通过腐蚀晶 面的刃面来实现织构化 如果晶体硅表面是沿内部原 子排列的，则织构化表面类 似金字塔。商业单晶硅电池 常用的手段。 另一种形式的织构化：倒金 字塔。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面 不是完整的<111>晶面。 但可采取照相平版印刷、用激光机械雕刻前表面等方式实现织构化 （下图为照相平版印刷织构化多晶硅表面）：
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
防反射层
防反射层的功能是减少入射的可见光在硅器件的表面反射。需要防反 射层的原因是由于硅材料在可见光到红外线波段400～1100nm的区域 内有相对于空气较大的折射率3.5～6.0.也就是说，在可见光区域有接 近50%，红外线区域内有30%的反射损失。在三层物质的界面的电磁 波反射系数R为：
支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（111）面微小四面体金 字塔来构成组织构造。 各向异性腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说， 晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难 腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐 蚀。由于（100）面的共价键密度比（111）面低，所以(100) 面腐蚀 比(111) 面快。
触电阻会变大从而增加串联电阻 ③ 若N+与P层的掺杂量大，与电极的接触电阻会变小从而降低串联电阻
值，但表面再结合速率会变大
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
支构面
支构面的作用是通过光的散射与多重反射，提供更长的光路径。因此， 光子的吸收数目可以增多，以提供更多的电子-空穴对。
14
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
12
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
PN结结构
N+/P结的作用是形成一个最简单的半导体器件。在光照条件下，电子/ 空穴的形成与移动与该N+/P结的特性有极大关系。
N+与P层的掺杂量是很重要的器件设计参数，因为 ① N+与P层的掺杂量会决定耗尽层的大小及其电场强度 ② 若N+与P层的掺杂量小，则表面再结合速率可以减小，但与电极的接
多晶硅效率较低的原因
① 晶粒与晶粒间存在晶界，形成复 合中心，减少自由电子数量
② 晶界的硅原子键合较差，易受紫 外线破坏而产生更多的悬挂键， 随使用时间增加，悬挂键的数目 增加，造成光电效率劣化
③本身杂质比单晶硅多，且多半 聚集在晶粒边界，杂质的存在 使得自由电子与空穴不易移动
8
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
10
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
一般是P型衬底。P型衬底中的少数载流子电子的扩散系数与扩散距离 比N型中的少数载流子空穴要长，使用P型衬底可以得到较佳的光电流
2.电阻率 由原理可知，开路电压随着
硅基板电阻率的下降（掺杂浓 度的提高）而增加。
11
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
3. 晶向、位错、寿命 一般要求单晶沿（111）晶向生长，切割下的硅片表面与（111）单晶
3. 结晶硅太阳能电池结构与原理
1
本章主要内容与学习目标
本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学 生应了解以下内容：
1. 晶硅太阳能电池结构及其原理。 2. 晶硅太阳能电池高效结构设计及其原理。 3. 晶体硅高效率硅太阳能电池的发展。
2
3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质
轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
结晶硅太阳能电池可以分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池
一般来说一个电池的输出电压为0.5V左右，最大输出功率与有效面积有关，一个 效率为15%的电池输出功率为1.5W左右， 为满足需要，把很多电池并联或串联在 一起，形成模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。
3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
单晶硅太阳能电池特点： ① 完整的结晶，易得到高效率 ② 不容易产生光致衰退 ③ 发电特性稳定，约有20年的耐久性 ④ 硅原料丰富 ⑤ 承受应力强
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3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池的效率为13～ 16%，是目前市场上最主流的产品
①Si+2F2=SiF4 ②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑ ③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑
高温下，较活泼
3.1 பைடு நூலகம்晶硅太阳能电池的种类和结构
晶硅为间接带隙结构 温度T=300 K，Eg=1.12 eV 本征载流子浓度：
ni 1.07 1010 cm3
结晶硅电池的结构是一个具有PN结的光电器件。包括硅衬底、PN结结 构、支构面、防反射层、导电电极与背面电极
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
衬底：衬底的作用是作为太阳能电池的承载。硅太阳能电池是以硅半 导体材料为底材衬底。 衬底的选择：一般来说,除了价格成本和来源难易外,根据不同用途,可 从以下几方面选择: 1. 导电类型 P型硅用B作为掺杂元素，制成n+/p型太阳能电池； n型硅用P（或As) 为掺杂元素，制成p+/n型太阳能电池； 两类电池性能相当，但n+/p型太阳能电池耐辐照性能优于p+/n型太阳 能电池，更适合空间应用。
平行。除了某些特殊情况外，晶向要求不十分严格。制成绒面太阳能电 池需要晶向为（100）的单晶硅片，在不要求太阳电池有很高转换效率的 场合下，位错密度和少子寿命不做严格要求。 4. 形状、尺寸、厚度
空间应用的硅太阳电池都为方形，以减少组合方阵的表面积。随着工 艺的进步，向大面积、薄厚度、高效率方向发展，目前标准的电池尺寸 是2x2cm2或2x4cm2等，基板厚度约为0.2mm.
原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属
于元素周期表上IVA族的类金属元素。
14Si
晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属 于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。
硅
3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质 常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
（100）硅片的各向异性腐蚀导致在表面产生许多密布的表面为 （111）面的四面方锥体。形成绒面的硅表面。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
可通过不同途径实现表面织 构化：晶体硅可通过腐蚀晶 面的刃面来实现织构化 如果晶体硅表面是沿内部原 子排列的，则织构化表面类 似金字塔。商业单晶硅电池 常用的手段。 另一种形式的织构化：倒金 字塔。
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
对于多晶硅来说，不能采用上述两种形式的织构化，因为多晶硅表面 不是完整的<111>晶面。 但可采取照相平版印刷、用激光机械雕刻前表面等方式实现织构化 （下图为照相平版印刷织构化多晶硅表面）：
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
防反射层
防反射层的功能是减少入射的可见光在硅器件的表面反射。需要防反 射层的原因是由于硅材料在可见光到红外线波段400～1100nm的区域 内有相对于空气较大的折射率3.5～6.0.也就是说，在可见光区域有接 近50%，红外线区域内有30%的反射损失。在三层物质的界面的电磁 波反射系数R为：
支构面通常通过在硅表面以化学侵蚀液形成（111）面微小四面体金 字塔来构成组织构造。 各向异性腐蚀就是腐蚀速度随单晶主要的不同晶向而变化，一般来说， 晶面间的共价键密度越高，则该晶面族的各晶面连接越牢，也就越难 腐蚀，因此在该晶面族的垂直方向上腐蚀速度越慢。反之，越容易腐 蚀。由于（100）面的共价键密度比（111）面低，所以(100) 面腐蚀 比(111) 面快。
触电阻会变大从而增加串联电阻 ③ 若N+与P层的掺杂量大，与电极的接触电阻会变小从而降低串联电阻
值，但表面再结合速率会变大
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
支构面
支构面的作用是通过光的散射与多重反射，提供更长的光路径。因此， 光子的吸收数目可以增多，以提供更多的电子-空穴对。
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
12
3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
PN结结构
N+/P结的作用是形成一个最简单的半导体器件。在光照条件下，电子/ 空穴的形成与移动与该N+/P结的特性有极大关系。
N+与P层的掺杂量是很重要的器件设计参数，因为 ① N+与P层的掺杂量会决定耗尽层的大小及其电场强度 ② 若N+与P层的掺杂量小，则表面再结合速率可以减小，但与电极的接
多晶硅效率较低的原因
① 晶粒与晶粒间存在晶界，形成复 合中心，减少自由电子数量
② 晶界的硅原子键合较差，易受紫 外线破坏而产生更多的悬挂键， 随使用时间增加，悬挂键的数目 增加，造成光电效率劣化
③本身杂质比单晶硅多，且多半 聚集在晶粒边界，杂质的存在 使得自由电子与空穴不易移动
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
一般是P型衬底。P型衬底中的少数载流子电子的扩散系数与扩散距离 比N型中的少数载流子空穴要长，使用P型衬底可以得到较佳的光电流
2.电阻率 由原理可知，开路电压随着
硅基板电阻率的下降（掺杂浓 度的提高）而增加。
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3.1.2 结晶硅太阳能电池的结构
3. 晶向、位错、寿命 一般要求单晶沿（111）晶向生长，切割下的硅片表面与（111）单晶
3. 结晶硅太阳能电池结构与原理
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本章主要内容与学习目标
本章介绍典型晶体硅太阳能电池的结构及其原理。通过学习本章，学 生应了解以下内容：
1. 晶硅太阳能电池结构及其原理。 2. 晶硅太阳能电池高效结构设计及其原理。 3. 晶体硅高效率硅太阳能电池的发展。
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3.1 结晶硅太阳能电池的种类和结构
硅的基本性质
轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
3.1.1 结晶硅太阳能电池的种类
结晶硅太阳能电池可以分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池
一般来说一个电池的输出电压为0.5V左右，最大输出功率与有效面积有关，一个 效率为15%的电池输出功率为1.5W左右， 为满足需要，把很多电池并联或串联在 一起，形成模组，若想得到更大效率输出，则需要阵列。