光伏原理
第一章--太阳能电池发展概况
温室效应
透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热对流而形成的保温效应
酸雨：PH<5.6
潮汐能：月球引力变化引起潮汐现象，潮汐导致海平面周期性升降，海水涨落潮水流动产生的能量叫潮汐能
三种常见的再生能源
- 波浪能
- 太阳能
- 光电化学电池
- 电化学光伏电池
- 光电解电池
- 光催化电池
太阳能
- 一是把太阳能转化为热能
- 将太阳能转化为电能
太阳能发电优缺点
太阳辐射与吸收
太阳向宇宙空间发生的辐射功率 3.8*10^23kw，20亿分之一
到达地球表面8*10^13kw，太阳每秒钟照射到地球上相当于500w吨煤炭
太阳穿过地球大气层衰减原因
大气层吸收
大气层散射
- 分子散射（瑞利散射）：散射粒子小于辐射波长，散射强度与波长四次方成反比，大气对长波光的散射较弱，对短波光散射强
- 悬浮微粒与灰尘的散射：散射粒子大于辐射波长，散射对波长无选择性
- 云层差异影响，云层厚度，云量，形状入射光能量
光伏阵列：是多片光伏模组（光伏板）的连接，也是更多光伏电池连接，一块光伏模组能够产生电流，光伏阵列能够利用逆变器将直流电转化成交流电以供负载使用
大气质量
太阳处在某位置和处在头顶处，太阳光到达地面前所需要走过的路程之比表示大气对地球表面接收太阳光影响程度
当θ=0时，AM=1，记为AM1， 表示一个标准大气质量， 是典型晴天太阳光垂直照射到地球表面的情况，相当于晴朗 夏日在海平面上所承受的太阳光。
当θ=48.2°时， AM=1.5，记为AM1.5，是典型晴天时太 阳光以θ=48.2°照射到地面的情况，其辐射强度为1kW/m2 。
AM0称为太阳常数（或大气质量零辐射）：地球大气 层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位 面积上的辐射功率，基本为一常数。光伏应用中采用的太 阳常数为1.353kW/m2 。
标准测试条件： 为了使测试条件具有可比性，国际电工委员会第82技 术委员会，即太阳光伏能源系统标准化技术委员会规定了 标准测试条件。地面用太阳电池的标准测试条件为：测试 温度为25±2℃，光源的光谱辐照度1000W/m2 ，并具有标准 的AM1.5太阳光谱辐照分布。航天用太阳电池的标准测试条 件为：测试温度为25±1℃，光源的光谱辐照度1353W/m2 ， 并具有标准的AM0太阳光谱辐照分布。
太阳电池分类与发展历史
太阳电池：是一种能量转换光电元件，由太阳照射后，，把光能量转化为电能
按结构分类
同质结
由同一种材料，带隙宽度相同但导电类型不同
异质结
两个带隙宽度不同半导体材料的pn结
肖特基
金属半导体界面上肖特基势垒构成
复合
有两个多个pn结
材料分类
空间太阳
地面太阳电池
光敏传感器
新型光伏材料
有机聚合物
优点：成本低质量轻
缺点：转化率低，不稳定
染料敏化太阳电池
太阳电池材料一般要求
- 材料禁带不能太宽
- 较高的光电转化效率
- 材料本身对环境不造成污染
- 材料便于工业化生产
影响电池性能的影响因素
- 晶体结构
- 文浓度
- 日照强度
- 光谱响应
- 负载电阻
- 遮挡或阴影
发展概况
- 贝克勒尔发现液体电解液光电效应
- 史密斯发现Se中有光电导效应
- 亚当斯在Se中发现光生电流，这是首次在固体中发现光伏效应
- 弗瑞兹制备出第一个大面积太阳电池
- 肖特基首次提出CU2O光伏效应
- 朗格首次提出光伏效应太阳电池
- 奥尔发现光伏效应
- 美国人造卫星上用了太阳电池排布的矩阵板
发展历程
- 起始阶段
- 停滞阶段
- 过渡阶段
- 低谷阶段
- 高潮阶段
光伏系统应用
独立光伏发电系统包括，光伏组件，储能装置（蓄电池）变换装置（逆变器），控制系统和负载
电池板
核心部分
控制器
控制整个系统工作状态
蓄电池
将太阳能电池板发出电能存储起来，到需要时候释放
逆变器
110VAC交流电源，直流电能转换从交流1电能
单体太阳能电池组件：： 太阳电池单体--太阳电池逐渐--太阳电池方阵
第二章---太阳电池物理基础
半导体吸收载流子产生与复合
半导体光吸收过程
任何一种物质对光波都会或多或少吸收
朗波特定律
a介质对光电吸收系数,x是光进入材料距离
光强随着光波进入材料距离增大按着数规律衰减
1/α（吸收长度或穿透深度）：表示能量下降到最初强度的 1/e时，光在材料中传播的深度。
吸光度：光线通过溶液或物质前的乳适合光强度与光线通过溶液或某一物质后的透射光强度比值（I0 /I1）的以10为底的对数（即lg(I0 /I1 )），其 中I0为入射光强，I1为透射光强，影响它的因素有溶剂、浓度、温度等
反射率：反射光强度与入射光强度之比
透射率:透射光强度与入射光强度比
本征吸收
电子在价带和导带之间跃迁吸收，hv满足
本征吸收光谱在低频端存在一个频率界限v0（长波端存在一个波长界限λ0））
当入射光频率低于v0或波长大于λ0不可能产生本征吸收，吸收系数迅速减小
ν0 或λ0 称为半导体的本征吸收限
竖直跃迁（直接光吸收）对应于导带底和价带顶kk空间相同点情况
能量守恒
跃迁满足准动量守恒
波矢 是一个矢量，方向表示波传播的方向。波矢有两种常见的定义， 区别在于振幅因子是否乘以2π，两种定义分别用于物理学(2π/λ)和晶体学 以及它们的相关领域(1/λ)
非竖直跃迁（间接光吸收过程）
对应于导带边和价带边在KK空间不同点
- 导带边和价带边处于K空间相同点的半导体通常被称为直接带隙绊倒你电子要跃迁大导带上产生的导电电子和空穴只需要吸收能量
- 直接带隙半导体粒子GaAs，InP,InSb
- 导带边和价带边处于k空间不同点半导体通常被称为间接带隙半导体，形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量
- 间接带隙半导体，Ge ，Si
- 在间接带隙半导体中发生非竖直跃迁是一个二级过程，发生几率比竖直跃迁小的多
相让间接带隙材料发光可以采用掺杂引入发光体，将能量引入发光体使其发光
促进复合中心复合叫间接复合，取决于复合中心浓度和性质
半导体本征吸收谱
Si和Ge是间接跃迁能带结构的半导体，具有类似的光吸收 谱；GaAs和InP等是直接跃迁能带结构的半导体，光吸收谱曲线 都很陡峭。
吸收系数和材料和波长有关，随着入射光子波长减小或能量增加，本征吸收系数在增加
Eph < Eg: 透过；Eph = Eg: 有效吸收；Eph > Eg: 强烈吸收
在本征吸收低能量一端，吸收系数下降很快，对应本征吸收边（激发价带电子到空带的光长波限），能量位置对应材料带隙宽度
间接跃迁的光吸收系数要比直接跃迁小很多
其他吸收
激子吸收
电子和空穴保持库仑力的相互作用，形成一个电中心系统，叫激子，能产生光吸收称为激子吸收
杂质吸收
束缚在杂质上的电子可以吸收光子跃迁到导带，空穴可以吸收光子跃迁到价带
自由载流子吸收
入射光子能量不足以使电子从价带中跃出，仍会被吸收。且吸收系数随着波长增大而增大，该过程由载流子在带内跃迁引起
晶格振动吸收
晶格振动也能吸收光子，光子能量直接转换为晶格振动动能，一般发生在远红外区
本征吸收：产生电子空穴对
杂质吸收：每个过程智能产生一种副号牌载流子。或电子或空穴
载流子吸收：使电子或空穴动能增加
晶格振动吸收：增加晶格热运动能
载流子产生
价带和导带之间跃迁
价电子跃迁到导带，形成导带电子，价带空穴，，称为电子空穴对
导带电子落回到价带空位上，使导带中电子数减少一个价带中空穴中空穴数减少一个，电子-空穴复合
电子-空穴对产生与复合保持一种动态平衡，使得导带中电子数目，价带空穴数目保持不变
借助于热激发产生的，杂质电离或本征激发所需要能量都是来自于热运动能量。这种载流子我们称为平衡载流子
非平衡载流子
基本方程
G:电子-空穴对产生率，，单位时间单位体积内激发产生导带电子和价带空穴数
R：电子-空穴对复合率，，单位时间，单位体积内复合消失的导带电子和价带空穴数
载流子数目随时间变化率
产生率：与导带中空穴状态密度和价带中相应的占据状态密度
复合率：与导带中占据状态密度以及价带中空状态密度有关
复合率电子以及空穴浓度有关
小注入：：注入额外载流子密度比热平衡条件下的多数载流子密度低的多，以n型半导体为例子
非热平衡状态，导带和价带载流子密度
小注入基本不改变多数载流子密度，，但对少数载流子密度
主要差别是少数载流子数量起了重要变化，通常所说额外载流子实际是指额外少数载流子，简称少子
弛豫过程：：当外部作用撤出后，额外载流子会逐渐消失，半导体由非平衡态恢复到平衡态过程
弛豫过程是额外载流子的复合，对由载流子抽取建立起来的非平衡态，弛豫过程是载流子热产生，产生和复合是半导体载流子系统恢复平衡态动力
本征半导体
是完全不含杂质的无晶格缺陷纯净半导体，一般是导电能力主要由材料本征激发决定纯净半导体
载流子复合
辐射复合：，电子和空穴复合时候释放一定能量能量以光子形式放出，这种复合叫辐射复合
直接辐射复合：是辐射复合主要形式，此外辐射复合也可以通过复合中心进行
非辐射复合主要是多声子复合，俄歇复合
辐射复合是LED灯，激光这类半导体器件主要复合机制
辐射复合是直接带隙材料的主要复合机制，非辐射复合 是间接带隙材料的主要复合机制
“载流子寿命”（用符号 和 表示）: 指电子-空穴对产 生后到复合前存在的平均时间。
对光伏应用而言，寿命越高，光照注入非平衡载流子就越有机会被分离出来，光伏效率就越高，，寿命与非平衡载流子复合几率有关，最终决定于材料杂质和结构缺陷
光照停止后
单位时间内非平衡载流子浓度减少
非平衡载流子浓度随时间指数衰减规律
寿命标志非平衡载流子浓度减少到1/e经历时间，寿命不同，非平衡载流子衰减快慢不同
非平衡载流子随时间衰减
直接复合
- 导带电子和价带空穴直接复合发射光子、
- 光子能量接近禁带宽度，所以材料对其吸收很弱
- 禁带宽度越小，直接复合概率越大
肖克莱里德霍尔复合
- SRH复合
- 导带电子被禁带中能级俘获
- 在杂质能级电子热激发到导带千牛，如果空穴也能被杂质能级俘获，复合发出另一个光子
复合概率和复合中心关系
- 与复合中心浓度成正比
- 与复合中心能级位置到导带和价带距离有关，太近，热激发回导带，处在禁带中间能级发生复合概率最大
对硅太阳能电池，经由陷阱复合SRH为主要复合过程
总之，对电子和空穴具有大体相等的俘获系数且位于禁带中央附近深能级是最有效的复合中心
俄歇复合
- 导带中的电子1与价带中的空穴2复合， 带间复合释放的能量交给了晶体中另一个 临近的电子3，将电子3从导带底跃迁到导 带的高能态，最后高能态的电子再通过发 射声子而回到导带底。
- 也存在也与杂质或缺陷能级有关的俄歇复 合过程。
- 俄歇复合概率与载流子浓度的三次方 有关，故容易发生在载流子浓度高的情 况。如高掺杂、窄带隙、强注入或高温 条件下的半导体（如高温下GaAs）。
4.表面和界面复合
晶体周期性在表面中断，产生大量悬挂键，表面损伤以及外来杂质吸附，它们都可能在带隙中引入缺陷状态，所以电池表面是复合率非常高的区域
表面复合速度s （单位为cm/s）越大，表面复合越严重。硅的 裸露表面复合速率一般为1000～5000 cm/s，具体视表面粗糙 度和污染情况而略有不同。
太阳电池表面要经过钝化处理，来降低表面复合速度，钝化的实质是令能级被填充而不起作用
少子扩散长度：在复合之前，一个载流子从产生处开始运动的平均路程
少数载流子寿命和扩散长度很大程度上取决于材料的类型复合数量
吸收光的多少取决于半导体材料的吸收系数和厚度，假设被半导体吸收的光全部用来产生电子空穴对
载流子生成率随着材料深度增加呈指数下降，材料表面生成率最高
光照太阳电池少数载流子可以近似为光生载流子数
实际中是非平衡少数载流子起作用
霍尔效应
一种载流子霍尔效应
本质上是运动带电粒子在磁场中受洛伦兹力而引起偏转，带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷累积，从而形成附加的横向电场，就是霍尔电场EH
霍尔效应应用
判别半导体导电类型，测定载流子n,p和迁移率
p型和N型半导体霍尔系数RH符号相反（p型为正，n型是负），霍尔电压VH正负相反，所以可以判断半导体导电类型
霍尔器件
两种载流子霍尔效应
P型半导体：空穴是多子，电子是少子。空穴和电子
均受到向左的洛伦兹力作用。在初始阶段，由于空穴是多子，
故半导体左侧面聚集的空穴多于电子，右侧面聚集的负离子多
于正离子，形成了向左的横向电流和向右的霍尔电场。此后，
空穴受到向右的电场力作用，而电子受到向左的电场力作用。
在洛伦兹力和电场力的共同作用下，半导体的左侧面聚集电子
的速度大于空穴的聚集速度。当向左侧面流动的电子数等于空
穴数时，横向电流等于零，霍尔电场达到稳定值。
n型半导体：电子是多子，空穴是少子。空穴和电子
均受到向左的洛伦兹力作用。在初始阶段，由于电子是多子，
故半导体左侧面聚集的电子多于空穴，右侧面聚集的正离子
多于负离子，形成了向右的横向电流和向左的霍尔电场。此
后，空穴受到向左的电场力作用，而电子受到向右的电场力
作用。在洛伦兹力和电场力的共同作用下，半导体的左侧面
聚集空穴的速度大于电子的聚集速度。当向左侧面流动的电
子数等于空穴数时，横向电流等于零，霍尔电场达到稳定值
霍尔效应测试仪
测量半导体材料的载流子浓度，迁移率，电阻率，霍尔系数
太阳电池工作基本原理
热平衡状态下pn结
平衡状态下pn结特征
势垒区内电子空穴扩散漂移抵消
整个pn结具有统一的费米能级
能带弯曲--势垒高度
理想pn结模型
半导体均匀掺杂且小注入，注入少子比平衡多子少的多
突变耗尽层：外加电压和接触电势差都落在耗尽层上，耗尽层中的电 荷是由电离杂质组成，耗尽层外是电中性的。注入的少子在 P区和N 区是纯扩散运动。
通过耗尽层的电子空穴电流是常量，不考虑耗尽层中国载流子产生与复合
玻尔兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻尔兹曼统计分布
pn结加正向偏压
势垒区内载流子浓度很低，电阻很大，势垒区外p区和nnn区中载流子很大，带你足足很小，加外向正向偏压v基本降落在势垒区
扩散区：加正向偏压V，势垒区电场减弱，产生了电子从n区向p区以及空穴从p区向n区净扩散流，并产生了从p区边界向n区内部电子扩散你流和从n区边界向n区内部空穴扩散流，被相应区域内多子全部复合
当正向偏压一定时，单位时间内从n区到p区边界处 的电子浓度和从p区到n区边界处的空穴浓度是一定的，并 在扩散区内形成一稳定的分布，使得p区的电子扩散流和n 区的空穴扩散流均一定。在假定通过势垒区的电子流和空 穴流均保持不变的情况下，通过p-n结的总电流为通过p区 边界的电子扩散流与通过n区的空穴扩散流之和。
非平衡载流子注入：由于外加正向偏压作用，使得非平衡载流子进入半导体过程是非平衡载流子电注入
加反向偏压
势垒区电场增强，产生电子从p区向nn区以及空穴从n区到p区的净漂移电流，当这些少子被电场驱走后，内部少子补充，形成反向偏压的电子扩散电流和空穴扩散流，该情况少子抽取或吸出
pn结中总的反向电流等于势垒区边界附近少子扩散流的和，在反向偏压下，p-n结的电流较小并趋于不变。
理想pn结模型中电流电压方程（肖克莱）
结论
pn结具有单向导电性，正向偏压时，正向电流密度随正向偏压呈指数关系迅速增大，反向偏压，反向电流蜜豆是常量，与外加电压无关
正向导通
反向阻断
太阳电池工作原理
太阳电池的基本原理：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），即光电池的开路电压。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，pn结起到电源作用。当将pn结两端通过外接电阻连接起来时，p区积累的空穴和n区积累的电子通过电阻的连接发生复合，pn结两端的正向电压相对降低，于是光生电流大于正向电流，二者之差即为流经外电路电阻的电流。此时，pn结两端的正向电压等于电阻两端的电压降。
当外接电阻为零时，即pn结处于短路，此时正向电压为零，流经pn结的电流达到最大（等于光生电流），称为短路电流ISC综上可知，太阳电池产生光生电流（光照下，少子在内建电场作用下越过空间电荷区产生的电流）包含如下两个主要过程：
（1）吸收入射光子并产生电子-空穴对。电子-空穴对只
能由能量大于太阳电池禁带宽度的光子产生。
（2）少子在复合消失前运动到耗尽区的边界处，并在pn
结内建电场的作用下实现对光生载流子的分离收集。注意：在光激发下多数载流子浓度一般改变较小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。分离到P区的空穴只考虑扩散运动半导体光电器件产生光生电动势（或光生积累电荷）应
该满足以下两个条件：
（1）半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量大于或等于半导体材料的带隙，使入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。
（ 2）具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区，以分离两种光生非平衡载流子，在p区积累非平衡空穴，在n区积累非平衡电子，产生一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场，建立光生电动势（或称光生电压）。
太阳电池IV特性
pn结太阳电池工作时有三股电流
光生电流IL
正向电流IF
流经外电路负载的电流I
IL和IF都流经pn结内部，但方向相反
根据pn结整流方程，正向偏压下，通过pn结正向电流
I0是反向饱和电流，，V是光生电压
如光电池有负载电阻接成通路，则通过负载电流
光电池IV特性方程
太阳电池参数
描述太阳电池特性重要参数，短路电流ISC，开路电压VOC，填充因子 FF和转换效率η
a、短路电流：穿过电池的电压为零时流过电池的电流，或者 电池被短路时的电流，不改变内建场势垒，是电池能输出的最 大电流，等于光生电流，通常记作ISC。
短路电流大小决定因素
太阳能电池表面积，成正比
光子数量，，成正比
入射光的光谱，测量太阳能电池通常使用标准，，AM1.5
电池光学特性（吸收，反射，禁带宽度）
电池收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区少子扩散长度，最重要参数是少子扩散长度和表面钝化
b、开路电压：在开路（即没有电流通过两极时）情况下太阳 电池两端的电压。
VOC取决太阳电池的反向饱和电流和短路电流。反向饱和电流I0（施加反向电压时产生的反向电流）主要取决于电池的复合效应，其大小可改变几个数量级。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，商业用太阳能电池通常为600mV。
（1）N区和P区的净掺杂浓度。掺杂浓度ND和NA越大，接触
电势差（或内建电势差）VD 越大，电池开路电压通常也越高。
（2）温度。温度越高，本征载流子浓度ni越大，VD 越小，电池的开路电压降低。
（3）半导体材料的禁带宽度Eg。禁带宽度越大，导致本 征载流子浓度越小， VD越大，开路电压越高。
（4）光照强度（单位面积上所接受可见光的光通量，简称 照度，单位勒克斯（Lux或lx），用于指示光照的强弱和物 体表面积被照明程度的量。光通量（luminous flux）指人眼 所能感觉到的辐射功率，单位W。）。当光生开路电压VOC 增大到Vmax=VD最大值时，PN结势垒消失。实际情况下， Vmax与禁带宽度相当。开路电压随光强按指数函数形式增加， 且光强较小时仍有一定的值
电池输出功率
电压U和I乘积是输出功率
填充因子，最大输出功率P与（VOCISC） 之比，
FF是衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一，反映
了太阳电池的质量。对于开路电压VOC和短路电流ISC一定的
特性曲线来说，填充因子越大，伏安特性曲线越方，电池转
换效率越高。对于有合适效率的电池，该值应在0.70 -0.85范围之内。
能量转换效率η
电池最大输出电功率与入射光1功率之比，，是表征太阳电池性能最重要参数，取决于开路电压，短路电流和填充因子三个基本参量
硅太阳电池利用光能只有44%左右
电池表面反射，光生电子-空穴复合串并联电阻影响都会损失部分能量实际电池效率远小于理论极限效率
中间带材料要满足的要求：
1）中间带是孤立的，输出电压仍由母体半导体的带隙决定， 保证电池的效率；
2）中间带有电子填充，才能保证价带顶VB到中间带 IB 和 IB 到导带CB 的跃迁率同步；
3）中间带电子是非定域的，保证电子不发生非辐射复合
理想太阳电池等效电路
实际太阳电池等效电路
串联电阻
- 电池体电阻
- 前电极金属栅线接触电阻
- 栅线之间横向电流对应电阻
- 背电极的接触电阻和金属本身电阻
并联电阻
- pn结内部漏电流
- pn结边缘漏电流
- pn结局部短路
太阳电池中量子效率
量子效率QE（Quantum Efficiency）：或称光谱响应，或光电转化 效率（IPCE ）等，均是指单位时间内太阳能电池产生的电子-空穴对数目 与入射到太阳能电池表面的光子数目之比。
光导：是电子元器件电气连接 的载体）上导向前面板或者需要发光的位置的结构件
光导效应：若光子能量大于或等 于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加， 半导体的导电性增加，阻值降低，这种光电效应称光导效应
基于这种效 应的光电器件有光敏电阻
外量子效率
入射到 太阳电池表面波长λ的光子对外电路提供一个电子概率，反映的是对短路电流有贡献光生载流子密度与入射光子密度之比就是太阳电池电荷载流子数目与外部入射到太阳电池表面一定能量数目之比
内量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)：被太阳电池 吸收的波长为 λ的光子能对外电路提供一个电子的概率，反映 的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数 之比，即太阳电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳电池的 没有被反射回去的、没有透射过去的一定能量的光子数目之比。 即
R是电池半球反射率（地表在太阳辐射下，反射辐射通量与入射辐射通量比）T是电池半球透射率
内量子效率通常大于外量子效率
太阳电池效率的影响因素
宽Eg有利于Voc的提高，但使材料的吸收光谱变窄，降低载流子的激发，减少Isc。因此Eg太窄和太宽都会引起效率下降，必然存在优化的Eg值。Eg在0.8~1.6eV范围内有较高的效率输出。
2.少数载流子寿命影响
3.表面复合影响
寄生电阻影响
温度对IV特性影响
α、β是因材料而异的常数，Eg
(0)为绝对零度时的半导
体的带隙。
温度上升带隙减小，拓宽了电池的光吸收范围，短路电
流有所提高，但使本征载流子浓度 ni 迅速增加，总的结果
是Voc明显降低，电池效率下降。
不同种类太阳电池光谱响应
光学性质的影响
- ◎裸露的硅表面大约有30%的光被反射，减反射膜可以使这种反射损失减少 到约为10%。
- ◎为了在太阳电池的p型侧和n型侧制造电极，通常在电池受光照的一侧制 造金属栅线，会遮掉5%~15%的入射光。
- ◎如果电池不够厚，进入电池的一部分具有合适能量的光线将从电池背面直 接穿出去，这就确定了半导体材料所需最小厚
太阳电池特性测量
室外测量注意事项
- 不要有阳光反射阴影
- 测量主要项目是伏安特性，模块温度和日照强度
- 按照国际标准
- 修正后的伏安特性，计算出最大功率变换效率
方法一：通过用辐射强度计测定入射阳光的功率和测量电池 在最大功率点产生的电功率。
方法二：采用标定过的参考电池为基准
- 在特定的范围内，参考电池和被测电池对不同波长的光的响 应（光谱响应）必须一致。 (
- 在规定的限制范围内，用来做比较测试的光源光谱成分必须 接近标准光源的光谱成分。
四端测量法
测量太阳电池特性常用四点接触法（四探针测试法），使测试电池电压和 电流的导线保持相互分离，这就排除了测试导线本身的串联电阻及有关接触电 阻的影响。
被测电池的光谱响应也可以通过将电池输出与已标定过光谱响应的电池输 出直接比较而测得。最简单的方法是使用从单色仪或者让白光通过窄带光学滤 波器获得的稳态单色光源
提高晶体硅电池效率的方法
紫光电池：采用浅结（如0.1-0.15um），和密栅（如30条/cm），克服了“死层”，增加了电池的兰紫光响应，提高了电池的效率。
背电场电池
在常规电池nt/p或p/n的硅电池背面增加一层p或n层，即形成背电场，可以使电池性能提高，并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响。
绒面电池
·采用选择性腐蚀溶液，使（100）硅片表面形成微小的金字塔型的小丘，小丘密度大约为108-109个/厘米2。·
依靠表面金字塔形的方锥结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在硅中的前进方向，延长了光程，增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了p-n结面积，从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。
聚光电池
·通过聚光器，使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”。位于
“焦斑”或“焦带”处的太阳电池可得到较多的光能，使每一片电池能输出更多的电能。
·需要配备一套包括：聚光器，散热器，跟踪器及机械传动机构等的聚光系统。
方块电阻：又称膜电阻，是用于间接表征薄膜膜层、玻璃镀膜膜层等样 品上的真空镀膜的热红外性能的测量值，该数值大小可直接换算为热红 外辐射率，单位为Siements/sq，后增加欧姆/sq表征方式，该单位直接 翻译为方块电阻或者面电阻
方块电阻的量纲是欧姆（Ω），一般用欧姆/方块或Ω/□表示。
表征膜层致密性，同时表征对 热红外光谱的透过能力。
第三章
单晶硅太阳能电池
单晶硅的基本性质和制备
材料选择
1. 带隙在1.1eV到1.7eV之间，且以直接带隙半导体为佳；
2. 材料不具有毒性；
3. 材料易取得且制造成本低；
4. 可利用薄膜沉积技术制造大面积太阳电池；
5. 有良好的光电转换效率；
6. 具有长时间的稳定性。
硅的三种形态
非晶：无规则外形和固定熔点，内部结构也不存在长程有序
单晶硅硅片：四角有圆形大倒角
多晶硅硅片：表面有一个个晶粒形状，而单晶硅硅片表面颜色一致
多晶硅硅片是许多硅晶粒的集合体
电池性能比较
多晶硅的生产方法
改良西门子，硅烷法
单晶硅性质
自然界中主要是二氧化硅和硅酸盐形式存在
常温下，只和强碱，氟化氢，氟气
高温下，较活泼
什么是单晶硅
单晶硅具有基本完整的点阵结构晶体
不同方向具有不同的性质，是一种良好的半导体材料
单晶硅的结构和性质
以金刚石晶格排列成许多晶核，如果晶核长成晶面取向相同的晶粒，这些晶粒平行结合起来便成单晶硅
准金属，较弱的导电性，随温度升高而增加，有显著的半导电性
单晶硅应用
生产工艺
直拉法：应用于微电子集成电路和太阳能电池，是单晶硅制备的主体技术
基本原理：多晶硅原料被装在一个坩埚内，坩埚上方有一可旋转和升降的籽晶杆，杆下端有一个夹头，用于夹住籽晶。原料被加热器熔化后，将籽晶放入熔体内，控制合适的温度，使之达到饱和温度，边旋转边提拉，即可获得所需硅单晶。
具体步骤
- 清洁处理
- 装炉
- 加热熔化
- 拉晶
- 下种：下降籽晶
- 缩颈：略微升温
- 放肩：略微降温，降速
- 等径生长：放肩进入到所需要的直径前进行升温
- 收尾拉光：适当升高温度
后续处理：滚圆，切片。刻蚀清洗
切片
切片工艺技术原则：
- 切割精度高，
- 断面完整
- 提高成品率
- 提高切割速度
切割方法：外圆切割，内圆切割，线切割，激光切割
外圆切割
- 卧式
- 立式
内圆切割
硅锭切割成0.2~0.4mm的薄片
内圆：
- 刀片水平，硅料水平送进去
- 刀片垂直，硅料水平送进去
- 刀片垂直，垂直送
- 刀片固定，垂直送
线切割
通过粘有金刚石颗粒的金属丝线的运动来达到切片的 目的。
特点：
- 不需要制造复杂成型电极
- 方便快捷
- 由于采用移动长电极丝，使单位长度电极丝损耗少，对加工精度影响小
- 水基乳化液，安全无人操作
- 脉冲电源加工电流小，脉冲较窄
应用
- 挤压模，粉末冶金模
- 高硬度材料零件加工
- 特殊形状零件加工
激光切割
激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦在焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功率密度高达106~109W/cmA2。处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生10000°c以上的局部高温，使工件瞬间汽化再配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，从而将工件切穿成一个很小的孔，随着数控机床的移动无数个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。
- 激光气化切割
- 激光熔化切割
- 激光氧化切割
- 激光划片与控制断裂
激光切割的特点
- 切割质量好
- 激光切割切口细窄
- 切割表面光洁美观
- 材料经过激光切割后，热影响区宽度很小
- 切割效率高
- 切割速度快
- 非接触式切割
- 切割材料种类多
- 缺点
- 激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降激光切割设备费用高，次性投资大。
区熔法
磁场直拉法
双坩埚拉晶法
外延法
结晶硅太阳能结构电池结构
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
衬底：是太阳能电池的承载
衬底选择的：
- 导电类型
- P型硅用B作为掺杂元素
- n型硅用P
- 两类电池性能相当，更适合空间应用
衬底
质量：结晶性完美
少数载流子寿命，基板本身金属杂质有关
通常用P型硅，商用基板电阻，0.5～30 Ω·cm。
厚度影响，200～250mm
表面结构化
当一束光线照射在平整的抛光硅片上时，约有30%的太阳
光会被反射掉；如果光线照射在金字塔形的绒面结构上，反射
的光线会进一步照射在相邻的绒面结构上，减少太阳光的反射；
同时，光线斜射入晶体硅，可增加太阳光在硅片内部的有效运
动长度，进而增加光线被吸收的机会
金字塔和倒金字塔
PN结：是产生光伏效应来源，由高温扩散制成。在p 型硅极板上作n型扩散，或是在n 型硅极板上作p型 扩散。
减反射膜
由一层特定厚度的介 电层组成，干涉作用导致 从减反射层表面反射的光 波和半导体表面反射的光 波反相，使反射波相互抑 制，导致反射率为0。
减反射膜
反射率
减反射材料选择
- 透明度
- 折射率
- 机械牢固度
- 稳定性
金属电极
用来取出产生光电的载流子，且具有选择性，即只允许一种 载流子由硅表面流向金属，阻止另一种形态的载流子流通。
单晶硅太阳能电池特点
- 完整结晶
- 不容易产生光致衰退
- 发电稳定
- 硅原料丰富
- 承受应力强
光致衰退效应：SI薄膜经过较长时间的强光照射或电流通过，在其内部将产生缺陷而使薄膜使用性能下降
原因，S-W效应起因于光照导致 在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级)，这种缺陷态会影 响a-Si∶H薄膜材料的费米能级EF的位置，从而使电子的分布 情况发生变化，进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对 电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额 外复合中心，使得电子的俘获截面增大、寿命下降
硅基太阳能电池制备流程
制备单晶硅片
硅基表面清洗
氧化
双面氧化是后续磷扩散准备，用掩蔽膜
涂胶
光致抗蚀剂
光学曝光，为了将掩膜上图形转移到圆片上，辐射必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，该光敏物质叫光刻胶
类型：以交联反应为主是负性光刻胶，
以降解反应为主，叫正性光刻胶
3.曝光
光刻作用：在氧化层上刻出后续形成pn结扩散窗口
4.显影
显影是用显影液除去曝光后硅片上应该去掉那部分光致刻蚀，显影后要进行烘烤竖膜
5.腐蚀
- 因为光刻胶对腐蚀液腐蚀作用要有一定抗腐蚀能力，这样才能将硅片上无光刻胶膜保护的氧化层去干净
- 腐蚀液只能对二氧化硅膜，铝膜，铬膜起到腐蚀作用
- 腐蚀速度适当
6.去胶
7.杂质扩散
8.驱入
9.金属化
10.涂胶
目的：通过光刻去除扩散结区域外的多余的金属薄膜
11.曝光mask2
12.显影
13.腐蚀
14.去胶
在完成金属化接触后，对器件进行塑封或密封
硅基太阳能电池制备流程
1.硅片选择
硅片加工成长方形，圆形，半圆形，厚度0.18~0.4mm
2.硅片表面处理
化学清洗去污
硅片表面腐蚀去除30~50um
酸性腐蚀
浓硝酸与氢氟酸配比是10:1 （2:1）
硝酸氢氟酸醋酸配比5:3:3 5:1:1 6:1：1
碱性腐蚀
氢氧化钠，氢氧化钾
化学腐蚀原理
热的氢氧化钠溶液去除硅片表面的机械损伤层
氢氟酸去除硅片表面氧化层
盐酸去除硅片表面金属杂质
络合剂：金属离子形成络合离子化合物
络离子：能稳定存在的复杂离子
络合反应：含有络离子的化合物
绒面制备
单晶绒面结构制备
利用硅的各项异性腐蚀，在硅表面形成金字塔结构
绒面结构使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于减少光反射，增加光吸收，提高电池效率
扩散制结
制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层
制结方法：热扩散法，离子注入法薄膜生长法，合金法，激光法，高频电注入
热扩散法制结
扩散要求：获得适合于太阳能电池pn结需要的结深和扩散层方块电阻R
扩散工业生产过程
磷扩散原理
影响扩散因素
- 管内气体中杂质源浓度
- 扩散温度
- 扩散时间
- 管内气流分布
扩散测试方法
测量扩散层薄层电阻，广泛采用四探针法
去除背结
在制作电极前要去除背结
去除背结常用方法，化学腐蚀法，磨片法，蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法
化学腐蚀法
磨片法
蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法
制备减反射膜
减反射膜作用
制备方法：在已经制好的电池正面蒸镀一层或多层二氧化硅或二氧化钛五氧化二或五氧化二铌减反射膜
技术要求：膜对入射光波长范围小，膜的理化能稳定，层膜体育硅粘接牢固，膜耐腐蚀
二氧化硅：镀一层减反射膜可以将入射光反射率减少到10%
膜
内反射：显示出矿物在透射光中颜色
内反射色：显示出矿物在透射光中颜色显示的颜色
解理面：指的是矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑的平面的性质
氮化硅：润滑性，耐磨，高温抗氧化，抵抗冷热冲击
a-SiNx :H膜作用
- 优良的表面钝化效果
- 高效的光学减反性能
- 低温工艺
- 体内氢钝化
表面钝化重要性
晶体周期性被破坏从而会产生悬挂键
- 可以降低表面复合速率
- 饱和半导体表面处的悬挂键，降低表面活性，增加表面清洁程序，由此降低少数载流子表面复合速率
- 度哪壶用两种方式
- 化学钝化
- 场效应钝化，同过电荷积累在界面处形成静电场
表面钝化制备方法
的呢李等离子体温增强化学气相沉积法
等离子体增强化学气相沉积是利用辉光放电的物理作用来激活粒子的一种化学气相沉积反应，是集等离子体辉光放电与化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术
辉光放电：是指低压气体中显示辉光的气体放电现象，即是稀薄
气体中的自持放电（自激导电）现象。
PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）：
即等离子体增强化学气相沉积，
是借助等离子体使含有薄膜组成原子气态物质发生化学反应，而在基片上沉积薄膜
四氢化硅：恶臭味，硅烷
用PECVD法镀氮化硅膜后，不但能作为减反射膜可减小入射光的反射，而
且，在氮化硅薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入氮化硅薄膜以及硅
片内，起到了钝化缺陷的作用。
在SI/SIN界面可以获得低的表面复合率主要有两个原因：1.反应前驱气体
释放原子态氢，降低表面态密度，使表面复合速率降低
2.在沉积SiN薄膜的过程中会伴随有带正电悬挂键，使得SiN薄膜含有高密度的固定正电荷，固定正电荷会产生场效应钝化作用降低表面复合速率
氢化非晶硅
非晶硅薄膜鱿鱼薄膜内部大量悬挂键存在，产生大量缺陷态，进而使得受到限制，对非晶硅进行氢化反应可以得到含氢的非晶硅薄膜
热氧化法
在高温下与氧化剂进行反应就可以长处一层二氧化硅薄膜对太阳电池起到钝化作用
原子沉积法
原子沉积是将不同气相前驱反应物交替通入反应器，在沉积基底上化学吸附并反应形成薄膜的过程，以限制表面反应物方式，将沉积过程控制在原子水平
叠层钝化
热生长的二氧化硅由于良好的致密性，具有很好的表面钝化作用，而等离子体增强化学气相沉积的氮化硅薄膜对硅片的表面和体内都有一定的钝化作用，
第四章
硅基薄膜太阳能电池
核心部分是光吸收层，和半导体层组成的半岛体异质结，吸光层，窗口层，背电极薄膜有机组合在一起，衬底是玻璃柔性材料
非晶硅电池与其它两种电池相比，效率最低，但是技术较成熟，占据了主要的薄膜电池市场。CdT电池由于生产成本低，在工业生产上也得到了很大发展，但由于C元素有毒，对环境有害，所以是其推广的一个主要阻力。铜铟（镓）硒太阳能电池由于转化效率是薄膜太阳能电池中最高的，而且有带隙可调、抗辐射性能好、生产过程环保、对元素含量偏离化学计量比容忍度高等优点，在未来的发展潜力最大。
非晶硅薄膜物理基础材料特性
长程有序性
晶体硅通常呈正四面体排列,每一个硅原子位于正四面体的顶点,并与另外四个硅原子以共价键紧密结合。这种结构可以延展得非常庞大,从而形成稳定的晶格结构-长程有序性
非晶的概念
非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子并不是完全杂乱无章地分布。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可看到与晶体非常相似的结构特征，一般将非晶态材料描述为：“长程无序，短程有序。”
用来描述非晶硅结构的模型 很多，左图为能与实验结果符合 较好的连续无规网络模型（CNR 模型）的示意图。在任一原子周 围，仍有四个原子与其键合，只 是键角和键长发生了变化。因此 在较大范围内，非晶硅不存在原 子的周期性排列
在实际的非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等 缺陷， 浓度可达1019 cm-3，因而有很高的缺陷态密度，提供了 电子和空穴复合的场所。因此，载流子扩散长度小、迁移率低、 寿命短，不适合直接做成半导体器件
应变：指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对 变形
化学势：是物理内容丰富的热力学强度量，如果说温度是表征 系统能量以热量传递的趋势，压强表征能量以功传递的趋势， 那么化学势是表征系统与媒质，或系统相与相之间，或系统组 元之间粒子转移的趋势。粒子总是从高化学势向低化学势区域、 相或组元转移，直到两者相等才相互处于化学平衡
由于晶体势场具有周期性，电子本征波函数是布洛赫波函数， 意味着电子在晶体中各个原胞中出现的几率是相同的，称为公有化 运动。这时的粒子波函数称之为扩展态（Extended state）——波 函数可以扩展到整个晶体里
在晶体内的无序逐渐变大，超过一个阈值后， 则会导致晶体的 布洛赫波函数完全变成局域态。非晶态固体的原子排列不具有长程 序，薛定谔方程中的势能函数不再是周期分布的，电子本征波函数 不再是布洛赫波函数，状态不能再用简约波矢K描述
非静态固体电子本征态
扩展态波函数，可延伸到整个材料中
定域态波函数，被限制在某一个区域范围内，随着与中心距离增大呈指数衰减
迁移率边 (迁移率:指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速 度,代表了载流子导电能力的大小，和载流子（电子或空穴）浓度共同决定 了半导体的电导率。)
当无序程度较高时，局域态的电子能级可密集成 带，与能带相连接，形成由定域态组成的带尾态。这样，非晶态半导 体能带中部的态仍保持为扩展态，但在带顶和带底形成由定域态组成 的带尾态。随着无序程度的增加，定域态与扩展态的交界处向能带中 部移动，Ec和Ec `相互接近，最后相遇于能带中部，整个能带中的态都 变为定域态。
迁移率边：能带中扩展态和定域态的交 界处Ec和Ec `
价电子能态也可分为导带、价带和禁带，但导带与价带都带有伸向禁带的带尾态。带尾态与键长和键角的随机变化有关，导带底和价带顶被模糊的迁移边取代，扩展态与局域态在迁移边是连续变化的，高密度的悬挂键在隙带中引进高密度的局域态。
安德森转变
当体系的费米能级处于带尾定域态范围时，只有通过热激发使电子从定域态跃迁到迁移率边以上的能态才能产生导电性能，导电性表现为非金属型的。如果费米能级进入扩展态区域，则处于扩展态中的电子将可象金属中电子那样导电，导电性表现为金属型的这种当费米能级通过迁移率边从定域态进入扩展态时发生的导电性从非金属到金属型的转变称做安德森转变。
非晶半导体能带模型
- 每个原子的价键要求被满足，保 持了与晶态同样的共价键数或近邻有 序，形成基本的能带；
- 由于缺乏长程序，即键长和键角 的涨落，形成定域态带尾
- 在带尾定域态与扩展态之间存在 明显的分界线，即迁移率边Ec和Ev ；
- 由于悬挂键等缺陷造成能隙中间 的缺陷定域带
悬挂键引起的类施主态和类受主 态Ex、Ey相互交叠，EF被钉扎在 二者之间。
不再具有禁带意义
实验发现非晶态材料对红外光甚至部分可见光都是透明的，表明仍应有明确的带隙存在。
在Si-H中键入引起能带结构变化主要使带隙态密度降低和使价带顶下移，从而使带隙加宽，因为SI:H比Si:Si 键能大
一些特征结构,已为紫外光电子发射谱观测所证实。而同时导带底的上移要小得多。实验上发现,a-Si:H薄膜的光学带隙E。(eV)与其氢含量Cg之间存在近似线性比例关系:
H掺杂作用
- 降低带隙态密度
- 增宽带隙
非晶半导体发展简史
本征a-Si:H电导率σd随温度T的变化大约 可分为4段：
- 迁移率边上的扩展态电导；
- 带尾态跳跃电导；
- 费米能级EF附近近程跳跃电导；
- 变程跳跃电导
扩展态电导
在室温及高温下，热激发将电子 激发到迁移率边以上的导带中，其导 电机制与晶态半导体类似，材料的电 导率为
σ0是指数前因子，定义Ea =Ec -EF为 激活能。ln(σd )与1/T近似呈线性关 系，由直线的斜率可导出激活能Ea
激活能：亦称为“活化能”，是使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的 平衡或非平衡位置所需要的能量。为了开始某一物理化学过程 (例如塑性流动、 原子扩散、化学反应、形成空位等) 所需要克服的能量。此能量可由体系本身 具有的能量起伏提供，也可由外界提供。激活能越小，该过程就越容易进行
定域态电导
在非晶半导体带隙中存在大量定域态，借 助声子的参与，电子可以通过隧穿，从一个定域态跳到另一个 定域态
带尾定域态电导率
定域态电子的波函数限制在很小的区域内，波函数exp(-αr) 随距离增加而很快的衰减，跳跃只能在位置最近邻的两个定域 态间发生
EA——导带带边的能量； W1——相邻两带尾定域态间跳跃的平均激活能。
声子
在固体物理学中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。 在晶体中，原子不静止，总是围绕着其平衡位置不断的振动。另一方面，这些原子 又通过其间的相互作用力连系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之 间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。
形象地讲，若把原子比作小球的话 ，整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成，而小球之间又彼此由弹簧连接起来一 般，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传 播。这种振动在理论上可以认为是一系列基本振动（即简正振动）的叠加。当原子 振动的振幅与原子间距的比值很小时（这在一般情况下总是固体中在定量上高度正 确的原子运动图象），如果在原子振动势能展开式中只取到平方项（即简谐近似） ，这些弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。换句话说，每一种简正振动 模式实际上就是一种具有特定的频率ν、波长λ和一定传播方向的弹性波，整个系统 相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量是连续 的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，即En =（n+1/2）hν（其中 E0=hν/2为零点能）。这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为hν的“激发量 子”相加而成。这种量子化了的弹性波的最小单位，即晶格振动的简正模能量量子 就叫声子（phonon），是一种元激发，用来描述晶格的简谐振动。 声子（phonon） 按照量子力学，物体由大量原子构成，每种原子含有原子核和电子，固 体内存在原子核之间的相互作用、电子间的相互作用还有原子核与电子间的 相互作用。电子的运动规律可以用密度泛函理论得到，原子核的运动规律用 声子描述。这两个理论（密度泛函和声子）都是近似的，因为解析的严格解 到目前为止还没有得到。而要严格的按照多体理论来描述这么大量的原子和 电子组成的系统，无论解析还是数值模拟都是一个未知数。 声子是简谐近似下的产物，如果振动太剧烈，超过小振动的范围，那么 晶格振动就要用非简谐振动理论描述。 声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子 数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，声子不能脱离固体存 在。声子只是格波（原子热振动的一种描述。从整体上看,处于格点上的原 子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果,这种波称为格波。）激发的 量子，在多体理论中称为集体振荡的元激发。 声子的化学势为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并 不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。
元激发：是固体理论中一个重要的概念，使得固体物理中的 很多问题可以用统一的观点和方法来描述和处理，是整个固 体理论的一个核心内容。在固体物理中，所谓基态一般是指 体系在能量最低时的状态。对于晶体而言，处于基态意味着 晶格的周期性完整无缺，每个组成原子都固定在平衡位置。 因此，真实的晶体总是处于激发状态。对于能量靠近基态的 低激发态，往往可认为是一些独立基本激发单元的集合，具 有确定的能量和波矢，这些基本激发单元就是元激发，也称 为准粒子。所有元激发能量量子的总和，即为体系所具有的 激发态能量
费米能级附近定域态间的近程跳跃电导
温度继续降低，可能发生电子在费米能级附近的两个位置最近邻 的定域态间的跳跃，称为近程跳跃导电
W2——EF附近相邻两定域态间跃迁 所需的平均激活能
极低温度下的变程跳跃电导率
在极低温度下，kT值很小，相邻两个定域态间的能量差远大于 kT，故电子在其间的跳跃概率很小。电子不能实现在近邻定域态间 的跳跃，将会在更大范围内寻求能量上更为接近的状态发生跃迁。 这种能量相近的定域态间的跃迁称为变程跳跃。
直流电导与温度的关系
带尾定域态对漂移迁移率影响
带尾定域态对于这种输运的影响主要是一定的陷获 作用，使在扩展态中漂移的载流子陷落，停留一段时间后再 加以释放，导致载流子的漂移迁移率比其扩展态迁移率低很 多。
非晶硅掺杂
掺杂Si:H电学性质
因此，在a-Si:H体系中，因为大量 悬挂键的存在，掺杂效率非常低
a-Si:H的光学特性
由于非晶态长程无序，与周期性相联系的简约波矢k不存 在，电子跃迁过程不需要再满足准动量守恒，因此也无晶体间 接跃迁和直接跃迁的区分
特别是在0.3-0.75um的可见光波段，非晶硅的吸收系数比单 晶硅高一个量级，比单晶硅对太阳辐射的吸收效率高40倍左右， 用很薄的非晶硅膜（约1um）就能吸收90%有用的太阳能。这 是非晶硅材料最重要的特点，能够高效率吸收太阳能，也是它能够成为低价格太阳能电 池的最主要因素。
a-Si:H的吸收分为三个区域
- 本征吸收区
- 不受准动量守恒的限制，非晶硅本征光吸收>晶体硅
- 带边吸收区，带尾态的指数分布
- E10标志带尾的宽度和结构无序的程度
- 次带吸收区，提供带隙态信息
A区：本征吸收区，价态扩展态到导带扩展态跃迁吸收吸收系数大于103 -104 cm-1
本征吸收区(A区)：由电子吸收能量大于光学带隙的光子从价带内部向导带内部跃迁而产生的吸收。在此区域，a-Si:H的吸收系数较大，通常在104cm1以上，随光子能量的变化具有幂指数特征。在可见光谱范围内，a-Si:H的吸收系数要比晶体硅大得多（高1-2个数量级)，而太阳能电池主要是将可见光部分的光能(1.6eV-3.6eV)转化成电能，这也是非晶硅太阳能电池可取代晶体硅太阳能电池的重要原因之一。
B区：带尾吸收区， 吸收系数在1-103 cm 之间，吸收系数同 光子能量呈e指数关系， 反映了价带和导带尾带间的跃迁
带尾吸收区(B区)：这个区域的吸收对应电子从价带边扩展态到导带尾态的跃迁，或者电子从价带尾态到导带边扩展态的跃迁。在此区域，1<<103cm1,与hy呈指数关系，所以也称指数吸收区。
C区：次带吸收区，吸收系数小于1cm-1，包含了缺陷能级之间 跃迁的吸收。
次带吸收区(C区)：通常位于近红外区的低能吸收，对应于电子从价带到带隙态或从带隙态到导带的跃迁。此区域的吸收系数a很小，又称为非本征吸收，其特点是a随光子能量的减小趋于平缓。
B和C的吸收系数包含了禁带内能级跃迁的吸收
a-Si:H的光致退化
1977年，D.L.Staebler等首先发现，用辉光放电法制备的 a-Si:H薄膜经光照后光电导随时间下降，撤去光照后暗电导 也随之降低3-4个量级，最终可趋于饱和，但经150度以上温 度退火处理1-3h，光暗电导又可恢复原来的状态。这种非晶 硅光致亚稳变化称为光致退化效应（Staebler-Wronski效应， 简称SW效应）
光致退化效应是非晶硅作为光伏材料的主要缺点，也是制 约其大发展的主要障碍
晶体硅与非晶硅基本特征的比较
1）晶体具有原子长程有序的特点，而非晶硅在数纳米甚至更小的范围内呈
有限的短程有序，但长程无序。
2）晶体硅是由连续共价键组成，非晶硅的共价键是连续、无规则网络结构。
3）单晶硅的物理特性是各向异性，非晶硅各向同性的。
4）非晶硅具有导带尾带、价带尾带，缺陷能级比晶体硅中显著，有大量的
悬挂键，电子输运性质出现了跃迁导电机制，电子和空穴的迁移率很小, 电
阻率很高。
5）晶体硅是间接带隙结构，而非晶硅是直接带隙结构，禁带宽度是1.5eV。
6）在一定范围内，非晶硅的密度、电导率、禁带等性质可连续变化和调整。
7）非晶硅比晶体硅具有更高的晶格势能，在热力学上是处于亚稳状态，可
以转化为多晶硅、微晶硅和纳米晶硅。
非晶硅碳与非晶硅锗合金材料
微晶硅及微晶硅薄膜材料
20世纪80年代初，在辉光放电分解硅烷制备非晶硅的过程
中，适当增加硅烷的氢稀释度或等离子体功率，可制得一种电
导率高很多的薄膜。它是由晶粒尺寸在数纳米至数十纳米的硅
晶粒自镶嵌于非晶硅基质中构成的，故称之为微晶硅。
习惯上，氢化微晶硅（microcrystalline silicon，c-Si:H)
或简称微晶硅（c-Si)是划归为非晶硅基薄膜材料一类
非晶硅薄膜材料的制备方法及沉积动力学
(A)稀释硅烷。在常规半导体工艺中，最简单而常用的方法是热分解化学气相沉积法。这种方法是将反应气体加热到很高的温度（大于1000℃)，在高温下反应气体被分解而沉积在衬底表面。热分解化学气相沉积法在常规半导体工业中
应用很广,主要用来制备多晶硅薄膜。由于反应温度太高,氢原子很难与硅键合存在于薄膜中。如前面所讨论的,氢原子在非晶硅基材料中起到饱和悬挂键的作用。没有复原子的存在,材料中缺陷态密度很高,所以热分解化学气相沉积法不适合用来制备氢化硅基薄膜材料。为了降低沉积温度,需要额外的激发源来分解气体。常用的技术有等离子体辉光放电法(glow discharge),热丝催化化学气相沉积法(how wire CVD),和光诱导化学气相沉积法(photo-CVD)。根据激发源的不同,等离子体辉光放电法又可分成直流(DC)、射频(RF)、超高频(VHF)和微波等离子体辉光放电,
目前被广泛采用的制备氢化非晶硅薄膜的技术是等离子体增强化 学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）。 它是利用源气体（SiH4 /H2或SiH2Cl2 /H2 /Ar等）与等离子体中电子的 非弹性碰撞，激发各种硅基活性基团，经过一系列复杂的气相反应和 输运过程，并通过表面吸附和反应在基底上沉积薄膜。通过等离子增 强使CVD技术的沉积温度下降几百度，甚至有时可以在室温的衬底上 得到CVD薄膜。下图介绍几种PECVD装置
直流等离子体增强化学气相沉积
辉光等离子体 （glow plasma）：空腔内所充的低压气体，在外电压作用 下，产生辉光放电所形成的等离子体。它可用作等离子体显示，是一种新 颖的显示技术。其特点是亮度高，寿命长、响应快、显示精度高
是一种平行板结构装置。 其 中一个电极接地（和反应室的壁 相接），另一个电极接直流电源 的负极，即阴极。衬底放在具有 温控装置的阳极板上，电子在电 场的作用下加速获得足够的能量， 并与中性分子碰撞，使之分解为 新的电子和离子。在一定范围内， 电场越强分子的离化程度越高。
等离子体及其分类
等离子体(plasma)：又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原 子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长 度（也叫德拜半径，是描述等离子体中电荷的作用尺度的典型长度，是等 离子体的重要参量。当所讨论的尺度大于德拜长度时，可以将等离子体看 作是整体电中性的，反之，则是带有电荷的。 ）的宏观电中性电离气体， 其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙 中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种 很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。 等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物 理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺
地球上,人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。
日常生活中:日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用:等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用:托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹
等离子体中存在电子、正离子和中性粒子（包括不带电荷的粒子， 如原子、分子及原子团）等三种粒子，设其密度分别为ne，ni，ng
等离子体按气体电离程度分为下列三种：
(Ⅰ) 完全电离等离子体： β=1，如日冕，高温核聚变中的高温等 离子体。
(Ⅱ) 部分电离等离子体： 0.01 < β<1如大气电离层、极光、雷 电、电晕放电等。实际上在电离气体中，1.0％的电离度就可使其电 导率接近完全电离时的电导率。
（Ⅲ）弱电电离等离子体,β < 0.01，如火焰中的等离子体大部分是 中性粒子，带电粒子成分较少。
按照经典力学的定义，温度是系统平衡态的参量，是粒子 平均平动动能的量度
根据碰撞理论，系统的热平衡是通过粒子之间的非弹性碰 撞完成的。电子和正离子、中性粒子的质量差别悬殊，受外场 加速不同，因此平均动能差别很大。对于等离子系统，要在有 限的时间内所有粒子都达到相同的热平衡是不可能的。系统中 质量相同或相近的粒子容易先达到热平衡，故等离子体中将出 现电子热平衡和粒子--离子热平衡，其平衡温度依次取为Te， Ti，Tg，Ti =Tg =T，等离子体的宏观温度取决于重粒子的温度
按系统温度分类
徳拜屏蔽现象
任一个放入等离子体中的外来 电荷都会被异性电荷所包围, 形成了一层空间电荷层。所以 它的电场只能作用在一定的距 离内，超过这个距离的等离子 体不受引入电场的干扰，这种 屏蔽效应称为徳拜屏蔽。这个 距离，即屏蔽粒子场所占的空 间尺度成为徳拜长度λD。
显然，在r≤λD的微观尺度内， 电中性的概念是无效的。 德拜屏蔽是等离子体的一个重 要属性，是抗御外界干扰保持 电中性并对此作出反应的一种 能力
等离子体振荡
等离子在热平衡时是准电中性的。 若等离子体内部受到某种扰动而使其中一 些区域内电荷密度不为零，就会产生强的 静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发 生振荡。这种振荡主要是由电场和等离子 体的流体运动相互制约形成。
物理图像:密度扰动电荷分离(大于德拜半径尺度)电场→驱动粒子(电子、离子)运动→“过冲”运动往返振荡→等离子体最重要的本征频率:电子、离子振荡频率。
在电子学中，过冲指从一个值转变到另一个值时， 任何参数的瞬时值超过它的最终（稳态）值。
ne为电子密度。等离子体浓度为1010/cm3，等离子体振荡频 率为900 MHz，远大于常用的射频（13.56 MHz）。因此， 直流等离子体的很多概念可用于射频或超高频等离子体中
等离子体鞘层及电位
实验发现，等离子体与固体壁 接触处，形成一个把等离子体 和物体隔开的暗区（不发光 区），这一薄层区称为等离子 体鞘层。
鞘层的产生
电子质量比离子质量小得多，而电子热运动的平均速度 一般比离子的大得多，可认为两者平均能量相等，即
因为离子质量比电子质量大得多，所以电子的方均根速度比 离子的方均根速度大得多。
流向固体器壁的电子流远超过离 子流，从而使固体壁负电荷过剩，得 到一个负电位。这个负电位反过来又 会阻碍电子流的扩散，而使离子流加 速，最终流向固体壁的电子流和离子 流达到平衡，使固体壁上负电位数值 不再改变。这样，在固体壁到电中性 的等离子体之间，形成一个电位逐渐 过渡的“边界电位过渡层”，即鞘层
等离子体鞘层为什么表现为暗区
通常的等离子体鞘层呈负电位降，等离子体中的电子 不能深入鞘层内部，而电极上轰击产生的二次电子又需要 一定距离加速才能获得高于激发能的动能，因此鞘层内的 中性不能被激发。另一方面，中性气体分子、原子的激发 态寿命很短（纳秒量级），在鞘层外部被激发后，几乎原 地退激发发光，不会携带能量到鞘层再放光
阴极鞘 层区的电势差是外加电压和等离子 体电势之和，大于阳极鞘层区的电 势差。
射频等离子体增强化学气相沉积
用射频电源取代直流电源。由于射频信号可以直接从沉积 系统辐射出来，从而干扰无线电通信系统，所以国际上统一规 定工业用射频等离子体辉光放电的射频频率为13.56MHz。
射频（RF）：是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率， 频率范围从300KHz～300GHz之间。射频电流是一种高频交流变化电磁波的 简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高 频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频(大于10K)；射频（300K300G）是高频的较高频段；微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导 体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100khz 时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz 时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离 传输能力。具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。射频技术在无线通 信领域中被广泛使用，有线电视系统就是采用射频传输方式。
频率的基本单位是赫兹（Hz），也常用单位为千赫（kHz）或兆赫（MHz）或吉赫 （GHz）。1kHz=1000Hz，1MHz=1000kHz，1GHz=1000MHz
无线电通信（radio communications）：是将需要传送的声音、文字、数据、图 像等电信号调制在无线电波上经空间和地面传至对方的通信方式。无线电通信所用 的频率（波长），分为12个频段（波段）。根据频率和波长的差异，无线电通信大 致可分为长波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信。 中国之声FM97.1MHz（呼市），FM（Frequency Modulation）即调频
长波通信(3kHz ～ 30kHz)。长波主要沿地球表面进行传播（又称地
波），也可在地面与电离层之间形成的波导中传播，传播距离可达几
千公里甚至上万公里。长波能穿透海水和土壤，因此多用于海上、水
下、地下的通信与导航业务。
中波通信(30kHz ～ 3MHz)。中波在白天主要依靠地面传播，夜间可
由电离层反射传播。中波通信主要用于广播和导航业务。
短波通信（3MHz ～ 30MHz）。短波主要靠电离层发射的天波传播，
可经电离层一次或几次反射，传播距离可达几千公里甚至上万公里。
短波通信适用于应急、抗灾通信和远距离越洋通信。
超短波通信（30MHz ～ 300MHz）。超短波对电离层的穿透力强， 主要以直线视距方式传播，比短波天波传播方式稳定性高，受季节 和昼夜变化的影响小。由于频带较宽，超短波通信被广泛应用于传 送电视、调频广播、雷达、导航、移动通信等业务。
微波通信（300MHz ～ 300GHz）。微波主要是以直线视距传播， 但受地形、地物以及雨雪雾影响大。其传播性能稳定，传输带宽更 宽，地面传播距离一般在几十公里。能穿透电离层，对空传播可达 数万公里。微波通信主要用于干线或支线无线通信、移动通信和卫 星通信。如对讲机。
超高频等离子体增强化学气相沉积
超高频等离子体辉光放电法与常规的射频等离子体辉光放 电法基本原理相同，所不同的是激发源的频率在超高频区。目 前常用的超高频在40-130MHz，广泛应用的频率在60-75MHz。 超高频等离子体辉光放电法制备非晶硅的主要优点是在相同的 功率密度下可以提高生长速率。
热丝化学气相沉积
HWCVD是通过将热丝（钨丝，
钽丝等）加热到约1800—2000°C，
当气体碰到热丝时被分解，并生
成各种活性基团。这些活性基团
经过一系列物理化学反应迁移至
衬底表面形成薄膜。
优点：
（1） 不存在电场加速的高速离子对衬
底表面的轰击。
（2）衬底温度可控制在较低的范围
（150—400°C），从而使材料中含
有足够的氢原子来饱和悬挂键。
缺点：
（1） 加热丝可能对材料产生污染；
（2）热丝的寿命；
（3）大面积材料的均匀性存在问题
薄膜沉积过程分为气相化学反应(1)(2)和表面化学反应(3)(4)：
（1）硅烷于等离子体中被电子撞击后产生离子及中性基团，即初级反应；
（2）初级反应的产物向生长表面输送，同时产物间再互相碰撞形成新的基团，
即次级反应；
（3）初级及次级产物于基板表面吸附并迁移，即表面反应；
（4）表面反应键结连接形成薄膜，同时释放其它气体产物并回等离子体中
次级反应：
包括初级反应的生成物与原始物、电子以及生成物之 间发生的所有反应。
硅基薄膜的沉积的表面化学反应
在初级反应中，SiH3基团的生命周期最长、浓度最高 （>1012 /cm3 ），是沉积a-Si:H薄膜最主要基团
SiH3基团沉积的薄膜生长过程包括:
氢原子在薄膜生长中的作用：
（a）补偿一个硅悬挂键，形成Si—H键；
（b）夺走Si—H的氢，释放出氢分子；
（c）断开Si—Si键，形成一个Si—H键和一个悬挂键；
（d）氢原子对a-Si：H薄膜的刻蚀作用。
与中性粒子相比，带电离子虽然浓度较低，但是在材料的 沉积过程中有着不可忽视的作用，对材料的生长有双重影响：
非晶硅薄膜太阳能电池的优缺点
(1) 由于非晶硅薄膜具有非常高的光吸收系数（>104cm-1 ），厚度为
1μm的非晶硅薄膜足以把可利用的太阳光吸收殆尽。非晶硅薄膜太
阳电池的厚度通常只有晶体硅太阳电池厚度的1/200，大大节省了昂
贵硅材料使用量，降低了材料成本，也是它能够成为廉价太阳电池
的最主要因素。
(2) 非晶硅薄膜材料无论从理论还是制备技术上都发展得非常成熟。
由于非晶硅薄膜在太阳电池、薄膜显示器件等领域的巨大应用潜力，
人们对非晶硅薄膜材料进行了广泛深入的研究（是人们研究的最多
的材料之一），并形成了一整套相当完备的理论体系。此外，制备
非晶硅薄膜的技术也非常成熟。目前普遍采用的PECVD技术可以在
低温（约200℃）下、大面积均匀沉积器件质量的非晶硅薄膜。
(3) 材料及制造成本都非常低。电池制备采用低温工艺（约
200℃），生产的耗能小，能量回收时间比晶体硅电池要短得
多，低温工艺对设备的要求也不会太苛刻，可以使用玻璃、
不锈钢或聚酞亚胺塑料等廉价衬底。
(4) 非晶硅的禁带宽度比晶体硅大，由此决定了非晶硅太阳
电池的开路电压比晶体硅太阳电池的开路电压高。此外，随
制备条件的不同其带隙宽度可在1.5-2.0eV的范围内变化
(5) 由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考
虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底之间的晶格匹配问题。
因此，它几乎可以沉积在任何衬底上，包括廉价的玻璃、聚
酞亚胺塑料和不锈钢衬底上，并且易于实现大面积制备。
(6) 便于工业化大规模连续生产。通过在连续的不同的沉积区
沉积不同组分的薄膜，薄膜生长及器件制作可同时完成，而且
便于实现全程自动化、流水化作业
(7) 由于a-Si薄膜的结构力学性能结实，可以在柔性衬底上制作
轻型的太阳电池。柔性衬底的非晶硅电池具有极高的功率/重
量比，轻便，柔韧性强等优点，因此，在空间航天器及军事等
应用领域具有极大的优势。
(8) 与晶体硅电池相比，非晶硅电池有更好的弱光性能和温度特性。
(9) 采用双面玻璃封装的半透明非晶硅薄膜太阳电池组件是一种理想
的光伏玻璃幕墙材料。它既能作为窗户玻璃起到透光、装饰和美观的
作用，还能发电，一举多得。因此，包括光伏幕墙玻璃在内的非晶硅
薄膜太阳电池与建筑材料相结合的应用是非晶硅薄膜太阳电池未来发
展的重要方向，并且被业界所普遍看好。
缺点：
1）效率较低。
2）稳定性差，在太阳光的长期照射下会
有严重的衰减，到目前为止仍无法解决。
非晶硅太阳能电池的结构
硅基薄膜电池的p-i-n结构：p层和n层分别是B重掺杂和P重掺杂 的非晶硅材料，i层是本征非晶硅材料。
i 层：光吸收层，厚度 0.5—1μm； n +和p +层： 用来建立内建电场； p +层的典型厚度为8nm； n +层 的典型厚度为20nm。
非晶硅太阳电池采用p-i-n结构，而不采用单晶硅太阳电池的p-n 结构的原因
(1)由于非晶硅材料内部含有较多的晶体缺陷，材料中载流子的
扩散长度和寿命都比在相应的硅体材料中低很多。如果选用通
常的pn结电池结构，光生载流子在没有扩散到结区之前就会被
复合，几乎不能对光生载流子形成有效的收集。如果用很薄的
材料，光的吸收率会很低，相应的光生电流也很小。
(2) 轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻
掺杂的或一边是轻掺杂另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较
小，电池的开路电压受到限制。因此，通常选用重掺杂的非晶
硅来建立内建电场
(3)非晶硅太阳电池采用p-i-n结构的好处是：利用重掺杂的p
+和n+区在电池内部形成内建电场，用来收集光生载流子；在重掺
杂的p+和n+区之间沉积一层缺陷态密度较小，具有高光敏性
（光电导与暗电导之比在105~106）、高光学吸收系数>104 cm-1）
的本征非晶硅层作为吸收光子并产生光生载流子的有源区，载
流子可以在内建电场的作用被分离收集。根据非晶硅材料的特
点，将太阳电池的不同功能区分离，从而最大限度地发挥非晶
硅材料的优点来提高电池的效率。
(4) 具有p-n结结构的晶体硅太阳电池是扩散过程决定的器件，
具有p-i-n结构的非晶硅太阳电池是漂移过程决定的器件。
单结非晶硅太阳能电池
p-i-n型电池一般沉积在玻璃衬底上，以p、i、n的顺序连 续沉积各层而得。下面说明各层的作用
由于太阳光透过玻璃入射到电池，人们通常叫玻璃为衬顶。 所用的玻璃是含钠离子较低的玻璃
在玻璃衬底上要先沉积一层透明导电膜（Transparent conductive oxide，TCO）。透明导电膜有两个作用，其一是 让光通过衬底进入太阳电池，其二是提供收集电流的电极（称 顶电极）。
为了提高光在背电极的有效散射，可以在n层上直接沉积 一层氧化锌（ZnO），然后再沉积背电极。 氧化锌有两个作用：
- 首先，它有一定的粗糙度，可以增加光散射；
- 其次，它可以起到阻挡金属离子扩散到半导体中的作用， 从而降低由于金属离子扩散所引起的电池短路
在依次沉积完p-i-n非晶硅和ZnO后，可以直接沉积背电极。
常用的背电极是蒸发铝和银。
一方面由于银的反射率比铝高，使用银电极可以提高电池
的短路电流，故实验室中常采用银做背电极。
另一方面由于银的成本比铝高，而且在电流的长期可靠性
方面存在一些问题，在大批量非晶硅太阳电池的生产中铝电极
仍然是常用
n-i-p型
n-i-p型电池一般沉积在不透明衬底上，如不锈钢和塑料。 以 n 、i、 p的顺序连续沉积各层而得
即先在不锈钢衬底上沉积背反射膜包括（Ag/ZnO和 Al/ZnO)）。在背反射膜上依次沉积n、i、p型非晶硅或微晶 硅材料，而后在p层上沉积透明导电膜（TCO），厚度一般 仅为70nm，然后在TCO上增加金属栅线，以增加光电流的 收集率
为什么p层总在迎光面？
太阳电池对太阳光的吸收强度是按指数衰减的，即越靠 近迎光面吸收太阳光越多，故光生电子-空穴对主要在迎光面 i层表面附近区域产生。P层是收集空穴的，若p层在迎光面， 可使得空穴需要运动的距离较短。考虑到硅基薄膜中空穴的 漂 移 迁 移 率 [ 约 0.01cm2 /(V·s)] 比 电 子 的 漂 移 迁 移 率 [ 约 1cm2 /(V·s)]要小近两个数量级。所以，薄膜电池的p区应该生 长在靠近受光面一侧，以便于收集空穴。电子传输距离虽然 长点，但由于其迁移率大，损失较小。p层也叫窗口层。
透明导电膜（TCO），
即在平板玻璃表面通过物 理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜， 主要包括In、Sn、Zn和Cd（镉）的氧化物及其复合多元氧化 物薄膜材料。衡量透明导电膜的三个重要指标：
（1）电导率。透明导电膜本身是电池的正电极，r<104
Ω·cm，其电导率直接影响电池的串联电阻，进而影响填充因子。
（2）可见光的透过率。在可见光范围有80%以上的光透过
率，透过率的大小直接影响电池的电流。
（3）红外光的反射率（>70%）
透明导电氧化物原料和工艺众多，通过科学研究的不断筛选， 目前主要有以下三种TCO薄膜与光伏电池的性能要求匹配：
（1） ITO（In2O3 :Sn）薄膜是目前应用最广泛的透明导电 膜。电导率一般在10-3～10-4Ω·cm，可见光的透过率达85%以上， 对玻璃的附着力强（即膜层牢固）。ITO薄膜早期曾作为太阳电 池的前电极使用。但铟为稀有元素，在自然界中贮存量少，价格 较高。另外，ITO还存在光散射的能力较差，在等离子体中不稳 定等缺点。目前，ITO薄膜已不作为太阳电池的主流产品
制备ITO玻璃的最常用方法是磁控溅射法
（2） FTO （SnO2：F）薄膜导电性能比ITO略差，但具 有成本相对较低，光学性能适宜等优点。目前已成为薄膜光伏 电池TCO薄膜的主流产品。但是，在高氢稀释的等离子体作用 下，氧化锡易被氢原子还原，大大降低透明导电膜的透过率。
制 备 FTO 玻 璃 的 最 常 用 方 法 是 常 压 化 学 气 相 沉 积 (Atmospheric pressure CVD，APCVD) 法
（3）AZO（ZnO：Al）薄膜的突出优势是原料易得，制 造成本低廉，无毒，易于实现掺杂，稳定性好，近红外透过率 高，并且在等离子体中稳定性好（即不受氢离子的还原作用）。 经过近年来的大量研究，材料性能已可与ITO相比拟。预计会 很快成为ITO的替代产品。目前主要存在的问题是工业化大面 积镀膜时的技术问题。
制备AZO玻璃的最常用方法是磁控溅射法
多结（叠层）非晶硅电池
由于太阳光具有很宽的光谱，对于太阳电池有用的光谱 区覆盖紫外光、可见光和红外光。显然用一种禁带宽度的半 导体材料不能有效地利用所有太阳光子的能量。 • 一方面对于光子能量小于半导体禁带宽度的光在半导体中的 吸收系数很小，对于太阳电池的转换效率没有贡献。 四、多结（叠层）非晶硅电池 • 另一方面对于光子能量远大于禁带宽度的光，有效的能量只 是禁带宽度的部分，大于禁带宽度的部分能量通过热电子的 形式损失掉。 可见，利用多结电池可有效利用不同能量的光子
叠层非晶硅电池的结构和原理
硅基薄膜层的沉积
• “单室沉积”指在同一真空室内完成沉积p、i、n三层非
晶硅薄膜的技术。
• 最大问题是反应气体的交叉污染。电池的简单结构是p-i-n，
其中p层的生长过程中需要含硼的气体，在沉积完p层后，
真空室内壁和电极上吸附一定量含B的残留气体，这些含
硼的气体会影响本征层的质量。同样n层的沉积过程中需
要含磷的气体，如磷烷（PH3）。在沉积完n层后，残留
的含磷气体也会对下结电池的p层产生一定的影响。为了
将交叉污染的影响降低，在每层沉积后要用氢气对反应室
进行冲洗
虽然单室设备存在反应气体交叉污染的问题，导致非晶硅
电池的性能和重复性都不太好。但是由于设备造价低、运
行稳定等特点，单室设备还是吸引了许多公司的重视。日
本Kanaka公司最近利用单室设备制备出初始效率为13.4%
的a-Si:H/c-Si:H双结电池。从这一结果可以看出，如果
在技术上能有效地控制减少掺杂气体的交叉污染，利用单
室反应系统是降低生产成本最为有效的方法。
为了避免交叉污染问题，人们发展出沉积非晶硅薄膜的“多
室技术”，即非晶硅薄膜的p、i、n层分别在专用的真空室
内沉积。
• 多室系统可以有效地避免反应气体的交叉污染，由它制备的
非晶硅薄膜电池的性能和重复性都很好。同时电池的不同层
可以同时沉积。多室反应系统是生产高效硅基薄膜电池的重
要手段。
• 多室系统的缺点是设备成本高，需要维护的部件多。对于生
产规模较大的企业，多室分离沉积系统仍然是以玻璃为衬底
的硅基薄膜太阳电池的重要沉积设备
非晶硅电池的发展
（1）加强a-Si基础材料亚稳特性及其克服办法的研究，达到基
本上消除薄膜硅太阳电池性能的光致衰退。
（2）加强晶化薄膜硅材料制备技术探索和研究，使未来的薄膜
硅太阳电池产品既具备a-Si薄膜太阳电池低成本的优势，
又具备晶体硅太阳电池长寿、高效和高稳定的优势。
（3）加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠
层电池的研究，把自身优点与其它电池的优点嫁接起来。
（4）选择最佳的新技术途径，进行产业化技术开发，在更高的
技术水平上实现更大规模的太阳电池产业化和市场商品化。
HIT异质结太阳能电池
HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）（带本征薄层异
质结） 太阳电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混
合型太阳电池，它具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特
性好等特点，是一种低价高效电池。
4.4 HIT异质结太阳能电池
2014年 4月10日，日本Sanyo公司宣布研发出效率高达25.6 %
的HIT太阳电池。该电池面积为143.7cm2，开路电压0.74V，短路
电流6.01A(41.8 mA/cm²)，填充因子0.827。这是目前实用面积(100
cm2以上)晶硅太阳能电池的世界最高效率。
异质结：两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料
的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异
型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的
条件：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。
HⅡT电池发展历史>1968年，第一个a-Si/c-Si异质结器件。
>1974年，第一个氢化非晶硅器件。（a-SiH,H钝化，减少缺陷)>1983年，第一个太阳能电池。
>2010年，转换效率达到23%。(Sany0)
HIT 太阳电池原理
1. 与p型a-Si形成pn结；
2. 在光照条件下产生载流子；
3. 与背面a-Si形成背电场。
在异质结界面附近建 立 起 一个 方 向由 n 区指向 p区的内建电 场，即p-n结；同时 n 型的c-Si与 n +的aSi：H形成 n-n +结构， 形成n +区指向 n 区的 内建电场，即背电场。 背电场产生的光生电 压与 HIT 太阳电池 结构本身的 p-n 结两 端的光生电压极性相 同，从 而 可 以 提 高 HIT 太 阳电 池的开 路电压。
>溅射法：磁控溅射、离子束溅射等
>蒸发法：热蒸发、离子束蒸发等溅射法的工艺稳定性更好，制备薄膜的质量也较好。
HIT 太阳能电池优点
低温制备:成本优势
发射极很薄:低吸收
宽带隙发射极:低吸收,高Voc
高Voc:高转换效率
低温度系数(转换效率对温度不敏感) :在温度高地区使用
高耐辐射性能:可应用在宇宙空间中
优秀的结特性
2.对称结构
可以减少生产过程中的热应力和机械应力，有利于衬底厚 度减薄。前后表面同时对光线的吸收使得发电量更多。 双面HIT电池可以在任何角度、任何方向捕获周围或散射 掉的太阳光转换成电流输出
优秀的温度特性
HIT 电池的温度系数较传统由扩散工艺形成的电池低，即 便在户外高温度的工作条件下，仍能表现出很好的输出特性
4.简单的低温工艺
全部工艺在 200℃下完成，能量消耗少，同时还能避免热
应力以及由此造成的对硅片的损伤，对硅片机械质量的要求也
相应变低。
5.高稳定性
由于 HIT 电池中本征非晶硅层的厚度很薄，对光电转换
的贡献很小，故不存在非晶硅薄膜电池中由于本征层引起的 SW（Steabler-Wronski）效应。
6.产量较高
由于 HIT 电池 p-n 结的形成和表面钝化同时发生，工艺时
间缩短，提高了产量
HIT电池的主要研究方向
通过形成高质量低损伤的a-Si膜技术,更进一步改善a-Si/cSi界面钝化性能，不断降低缺陷态密度。
优化光陷，降低反射率。
提高透明导电膜的电导率，透射率。
c-Si的表面清净化技术;
降低金属栅线的接触电阻
