文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文簡單介紹了晶體硅太陽電池基本結構和晶體硅太陽電池晶體硅材料的制備。

太陽能光電轉換原理主要依賴于半導體材料的光電效應，特別是光生伏特效應。通過合理設計和制造太陽電池，可以有效地將太陽能轉換為電能，為各種應用提供可持續的能源。

晶體硅太陽電池的結構是將太陽能轉化為電能的太陽能光電轉換器件的關鍵部分。

1晶體硅太陽電池基本結構

基本結構

晶體硅太陽電池的基本結構是半導體的P-N結。這意味著在P型硅晶片和N型硅晶片之間形成了一個界面，使得電子和空穴能夠在該界面處分離并產生電流。

P型硅晶片與N型半導體層

P型硅晶片：作為基極，P型硅晶片是通過在硅中摻入三價元素（如硼）而形成的。這種摻雜使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了帶正電的空穴。

N型半導體層：通過擴散等技術，在P型硅晶片上形成了一層厚度約為0.20~0.50微米的N型半導體層。這層N型半導體層是通過在硅中摻入五價元素（如磷）而形成的，使得硅晶片中的部分硅原子被替代，形成了帶負電的電子。

絨面結構與減反射層

絨面結構：在N型硅晶片表面上制備了呈“金字塔”形狀的絨面結構。這種結構能夠減少入射太陽光的反射損失，增加電池對太陽光能的吸收。

減反射層：為了進一步減少反射，通常在絨面結構上沉積了一層薄膜作為減反射層。這層薄膜一般可均勻沉積60~100納米左右的SiO2或Si3N4等材料。減反射層能夠使得入射太陽光在薄膜與硅晶片之間發生多次反射和干涉，從而減少反射損失并提高光能的吸收效率。

金屬電極

上電極：在N型硅晶片表面的絨面結構和減反射層之上，制備了呈“梳齒”形狀的金屬電極。這種電極形狀能夠增加與硅晶片的接觸面積，從而更有效地收集電子。為了減少電子和空穴的復合損失，上電極通常采用鋁-銀材料制成。

下電極：在P型硅晶片表面上直接制備了布滿下表面的板狀金屬電極作為下電極。為了減少電池內部的串聯電阻，下電極通常采用鎳-錫材料制成。

歐姆接觸

上、下電極分別與N+區和P區形成了良好的歐姆接觸。這意味著電極與硅晶片之間的接觸電阻很小，能夠使得電子和空穴在電極與硅晶片之間順暢地流動。

晶體硅太陽電池的結構包括P型硅晶片、N型半導體層、絨面結構與減反射層以及金屬電極等部分。這些部分共同協作，使得晶體硅太陽電池能夠有效地將太陽能轉化為電能。

2晶體硅太陽電池晶體硅材料的制備

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備是一個復雜而精細的過程，主要可以分為單晶硅和多晶硅兩種材料的制備。以下是關于這一過程的詳細分述：

一、晶體硅材料的分類與特性

單晶硅：單晶硅是指整個材料的晶格原子都按照同一間距規則在空間進行周期性排列的晶體材料。由于其結構高度有序，單晶硅太陽電池通常具有較高的光電轉換效率。單晶硅通常是采用直拉法制備而成，形成的單晶棒呈圓柱形，因此單晶硅太陽電池晶片的形狀通常是四角呈圓弧的“準方”形。

多晶硅：多晶硅則是由很多個小單晶（晶粒）組成，各個晶粒的方向（晶向）不同。與單晶硅相比，多晶硅的制備工藝相對簡單，成本較低，但光電轉換效率可能稍低。

二、晶體硅材料的制備工藝流程

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備的主要生產工藝流程包括原材料準備、晶體生長、切割加工、后續處理等步驟。

原材料準備

原料選擇：根據生產需求，選擇適合的原材料。對于單晶硅，通常使用高純多晶硅或者是微電子工業生產中用剩的單晶硅材料的頭、尾料等。對于多晶硅，多使用半導體級的高純多晶硅，某些情況下也可以使用微電子工業用單晶硅生產中的剩余原料。

原料處理：對于非免洗硅料，包括回爐料、頭尾料等，需要進行破碎、化學腐蝕、清洗、烘干等處理，以去除雜質和表面污染。

晶體生長

單晶硅生長：采用直拉法（CZ法）或懸浮區熔法（FZ法）等方法，在合適的溫度和氣氛下，使高純硅原料熔化并結晶生長成單晶硅棒。

多晶硅生長：采用定向凝固法（DSS法）、澆鑄法（鑄造法）等方法，將熔融的硅原料倒入模具中，通過控制冷卻速度和溫度梯度，使硅原料結晶生長成多晶硅錠。

切割加工

將生長好的單晶硅棒或多晶硅錠進行切割，得到一定厚度和尺寸的晶片。

對晶片進行邊緣處理、表面拋光等，以提高晶片的質量和光電轉換效率。

后續處理

對晶片進行擴散工藝處理，形成P-N結。

制備絨面結構和減反射層，提高晶片對太陽光的吸收效率。

制備金屬電極，形成歐姆接觸，以便將產生的電流導出。

三、生產環境與質量控制

為了確保晶體硅太陽電池組件的質量和高光電轉換效率，需要在適合的生產環境下對關鍵生產工序進行嚴格有效的質量控制。

生產環境：為了防止雜質污染，應在廠房中配置一定面積的潔凈區。根據資金使用情況，可以將晶體硅材料制備工序和主要的加工設備配置在至少為10000級潔凈區或局部的1000級潔凈區內。

質量控制：對鑄造多晶硅的制備工藝、硅晶片的擴散工藝、絨面結構制備工藝、減反射層沉積等關鍵工序進行嚴格的質量控制。通過化學分析、物理測試等手段，確保晶體硅材料的質量和性能符合要求。

晶體硅太陽電池用的晶體硅材料制備是一個復雜而精細的過程，需要嚴格控制原材料選擇、晶體生長、切割加工和后續處理等各個環節的質量，以確保最終產品的性能和質量。