作者：段春艳、班群、冯源 主编 陶龙忠、林涛、李明华 副主编
出版社：化学工业出版社
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晶体硅太阳电池生产工艺试读：
前言
随着煤炭、石油等不可再生能源可开采量的减少，关系国计民生的能源短缺问题日益突出，而且传统能源所带来的环境污染问题也急需解决，发展清洁可再生能源是中国走可持续发展之路的必然选择。太阳能作为人类取之不尽的清洁能源，势必将在未来中国经济发展中起到举足轻重的作用。据专家预测，到2050年，我国太阳能发电将在整个能源结构中占到20%～50%的比例。由于光伏产业的快速发展，训练有素的光伏产业技术工人和从事光伏发电系统技术设计、施工的专业技术人才大量短缺。职业教育与行业发展紧密相关，对于大规模培养造就高级技术技能型人才，贯彻人才强国战略，提升自主创新能力和产业竞争力，促进产业转型升级以及促进就业，都具有重要意义。
本教材是与光伏工程技术专业、光伏发电技术以及光伏技术相关专业相结合的新能源类教材，在市场上类似的教材种类较少。本教材对高职高专光伏相关专业学生的学习有较大的帮助，更适合这个层次学生知识和技能的学习，不会出现过于简单偏操作和难于理解偏理论的现象，具有较强的教学实施性。
本教材采用模块结构体系组织编写，按照知识内容和生产流程将内容划分为晶体硅太阳电池工艺基础、硅片清洗制绒、扩散制结、硅片后清洗刻蚀生产、硅片减反射膜的制备、丝网印刷电极制备、烧结工艺、晶硅太阳电池检测与包装、高效晶硅太阳电池9个模块，每个模块给出了知识目标和技能目标，让学生系统而全面地学习知识和技能，使学生在学习岗位技能的同时，根据实际情况选学知识，提高理论知识水平（结合了高职学生的特点）和技术改革能力，为培养具有一定工艺技术改进和创新能力的高端技术技能型人才奠定基础。
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本教材由段春艳、班群、冯源主编，陶龙忠、林涛、李明华为副主编，戴裕崴主审，参加编写的人员还有陈达明和曾飞。本书在编写过程中得到了广东爱康太阳能科技有限公司、东莞南玻太阳能科技有限公司等单位的大力支持与帮助，在此表示衷心的感谢！
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正，提出宝贵意见，以便我们在重印和修订中及时改正。编者模块1 晶体硅太阳电池工艺基础知识目标①了解光伏产业链的组成部分。②了解太阳电池产业现状。③了解晶体硅太阳电池技术现状。④了解光传导现象与光电效应。⑤掌握太阳电池的发电原理。⑥了解太阳电池的种类和结构。⑦了解晶体硅太阳电池的主要工艺。技能目标①会查阅文献，撰写晶体硅太阳电池技术现状报告。②能够判别不同类型的太阳电池。③能够利用PCID等软件进行典型太阳电池的结构性能模拟。④能够从电池的外观区分单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池。⑤能够根据相关标准对硅片进行外观检验，以及厚度、TTV、导电类型、电阻率检验。1.1 晶体硅太阳电池技术现状1.1.1 光伏产业链
太阳能光伏产业链主要包含主原料链、辅料链、装备链和产业服务链。（1）主原料链
主原料链指的是从太阳电池原材料生产、电池片生产、光伏组件生产到光伏系统应用，整个太阳能发电系统从生产到应用如图1-1所示。图1-1 太阳能光伏产业的主原料链
根据太阳电池的工艺环节、种类和特点的不同，可以把主原料链分解为三个部分：晶体硅太阳电池相关光伏产业链环节；薄膜硅太阳电池相关光伏产业链环节；化合物薄膜太阳电池相关光伏产业链环节。
①晶体硅太阳电池相关产业链环节 晶体硅光伏产业链包括硅料（硅锭/硅棒）、硅片、太阳电池、光伏组件、系统及应用5个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池、组件环节；下游为系统应用环节。图1-2给出了晶体硅太阳电池从原材料生产到最终应用发电涉及的主要产业链环节。图1-2 晶体硅太阳电池相关产业链环节
硅料的生产主要为将硅矿石提纯处理成高纯硅料，硅料进一步提纯为多晶硅和单晶硅，到制成硅片的过程。
对于从金属硅到多晶硅的提纯，分为两个主流路线：一个是化学法，也就是目前主要应用的西门子法，它是将金属硅先转变为三氯氢硅，然后再进行分馏和精馏提纯，得到高纯度的三氯氢硅后再还原而成多晶硅；另外一个方法是物理法，目前统称为冶金法，它直接对金属硅通过一些手段分离杂质，因为硅在整个提纯过程中未发生化学反应而得名。化学法的纯度较高，但能耗和成本也较高，污染处理成本较大。冶金法电耗低，成本低，但目前的纯度比西门子法略低一些。
多晶硅料可以铸造成多晶硅锭，然后通过线切割制备成多晶硅片，进而制作成多晶硅太阳电池，即为多晶硅太阳电池的技术路线。将多晶硅粒通过拉晶处理制备成单晶硅棒，再切割成单晶硅片，制作成单晶硅太阳电池，即为单晶硅太阳电池的技术路线。
晶体硅太阳电池片制得后，需要进行组件封装。组件封装过程需要白玻璃、EVA、背板等许多原材料。组件封装之后，就可以和其他部件如逆变器、蓄电池等组成光伏发电系统。组件后的电站还包括很多东西，例如支架、汇流盒、电缆、逆变、追日系统等，这些属于装备类。
②薄膜硅太阳电池相关产业链环节 薄膜硅的源头也是采用金属硅，先制成硅烷（气体），然后通过气相沉积技术在薄膜衬底上形成非晶硅薄膜，之后制作p-n结，形成薄膜电池。薄膜电池由于直接沉积在玻璃或不锈钢衬底上，单面封装制成薄膜组件，电池与组件的生产环节为一个整体。薄膜组件可以用在光伏电站和光伏建筑一体化方面。
③化合物薄膜太阳电池相关光伏产业链环节 除了硅薄膜太阳电池以外，还有碲化镉、砷化镓和铜铟镓硒等薄膜太阳电池，封装制成化合物薄膜太阳电池组件，用于光伏电站和光伏建筑一体化方面。（2）辅料链
光伏产业的辅料链在光伏产业中所占的比重非常大，涉及的辅料数量和品种较多。以晶体硅太阳电池的辅料为例。以硅片为界，分成硅片前和硅片后两个部分说明。
①硅片前辅料 主要是提纯和生产多晶硅、单晶硅所用的辅料，包括：氯产品，如盐酸、氯气、三氯氢硅等，氢气以及氢氯化所用的气体，多晶硅铸锭用的氮化硅粉，惰性气体，以及其他反应气体；在多晶硅铸锭时用到的石英坩埚，铸锭炉和单晶炉内用的石英坩埚（又分为石英陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚），隔热用的碳毡（分为硬毡和软毡），以及工作时需要消耗的温度传感器件。此外，在多晶硅铸锭和单晶硅拉制时，还需要用到保护气体和反应气体。
②硅片后辅料 在硅片切割过程中，要用到切割线（包括钢线、钼线、金刚砂线）、切削液、金刚砂微粉（或称碳化硅微粉）。在硅片切割后清洗时，要用到各类的碱、酸和纯净水。
硅片切割后，进入电池片生产阶段，此时除了前期对于硅片的清洗制绒需要各类酸碱和纯水辅料外，扩散还需要用到三氯氧磷气体，PECVD（等离子体化学气相沉积）要用到硅烷气体，电极加工要用到银浆和铝浆，这些辅材的消耗量甚至不亚于主原料硅的价值。
在组件加工方面，要用到白玻璃、EVA薄膜（近期也产生了用有机硅薄膜的新产品）、铝合金框（最近开始使用工程塑料代替），还有各种黏结剂。
在电站建设方面，则主要是电缆和支架材料。支架材料目前以钢结构为主，也有采用铝合金和工程塑料代替的。（3）装备链
如果从产值上看，光伏产业价值最大、最先启动的市场，其实不是光伏电池和组件，而是装备市场。依然以硅片为分界线，将晶体硅太阳电池的装备链分两部分分析。
①硅片前装备 金属硅的冶炼需要矿热炉，还有除尘设备。此外，变压器和破碎及硅石清洗设备也是免不了的。
金属硅炼出来后，如果后面采用冶金法生产多晶硅，需要用精炼炉进行炉外精炼。通常采用中频感应炉比较多，一台10000kV·A的矿热炉，可能要配10～20个5t标准铁容的中频感应炉。还有粉末冶金设备、湿法冶金装置、真空熔炼装置是少不了的。
如果采用西门子法，需要精馏塔、还原炉、氢化装置、氯化装置，这样一套装置造价不菲。随着国内西门子法多晶硅厂的增加，相关设备国产化的程度也越来越高，现在，无论是精馏塔、还原炉，还是氢化装置（包括热氢化和冷氢化）和氯化装置，都已经有国产化产品。
多晶硅技术出现后，多晶硅的铸锭炉、单晶炉需求量更大，接着是破锭机、铸方设备、倒角抛光设备、硅片多线切割机、硅片清洗设备等。
②硅片后设备 电池生产的清洗制绒设备、扩散炉、PECVD、丝印机、烧结炉，有了这些，才能生产出太阳电池。层压机是生产组件的主要设备。另外，玻璃的生产、EVA薄膜的生产也同样需要大量的设备。
组件出来后，要安装在支架上。如果是地面电站，还要加上追日（跟踪）系统，这些也属于光伏发电装备。
组件出来的直流电要经过逆变器、控制器才能变成交流电。如果要并网，还要有同期装置，对电网进行相位和频率跟踪才能并网。
如果不是并网电站，而是用户端或离网型，那么还要考虑储能系统，包括蓄电池和充放电控制系统。鉴于目前的铅酸电池在容量上和环保方面还有不少问题，因此，研究开发大容量、长寿命、高效率的储能装置，不仅是当务之急，而且也是一个潜力非常巨大的市场。（4）产业服务链
产业服务链主要包括光伏测试仪器设备、光伏技术研发、光伏教育培训与物流服务。
①光伏测试仪器设备 光伏产业的服务链中，一个重要的环节是测试服务。测试服务贯穿于所有的主生产环节，也是前期研究和开发的重要技术保证。测试服务的水平，主要取决于测试分析设备。
对于硅材料的生产来说，测试仪器包括常规化验分析仪器，这对硅材料，尤其是多晶硅的生产是非常重要的。对于高纯度的硅材料，成分分析仪器有ICP-AES（等离子体原子光谱仪）、ICP-MS（等离子体质谱仪）、GDMS（辉光放电质谱仪）、二次离子质谱（SIMS），均用来进行生产过程中的硅材料的杂质成分测试。此外，还有傅立叶红外分光光度计，用来测试碳氧的含量。
而对于硅材料的研究方面来说，还有RBS（卢瑟福离子背散）测试、电子束显微技术（SEM扫描电镜、TEM透射电镜技术）、EBIC（电子束诱导电流技术）、SPM（扫描探针显微学）、DLTS（深能级瞬态谱技术）等，都是光伏材料研究不可缺少的设备。
对于电池和硅片的生产，则主要有电阻率扫描测试仪、少子寿命扫描（微波光电导、激光电导、波导法等）、粒度测试仪、硅锭硅片探伤仪、单片光电转换效率测试仪、漏电流测试仪、组件转换效率测试仪和光度计等。
长期以来，测试设备除了常规的化验分析设备外，绝大多数仪器还需要依赖进口。近年来，在电阻率测试、光电转换效率测试等方面，已经有了一定的进展，但取得国际权威机构认证和互认的还较少。
②光伏技术研发 由于光伏产业目前还是一个朝阳产业，无论从基础理论研究、材料研究还是器件研究、器件制造工艺，以及应用研究，都还处于一个产业成长期的初级阶段，无论从企业还是从政府，对于研发进行足够的投入，都是意义十分巨大的。
例如，光伏电池光致衰减的机理、温升衰减的机理和遏制措施，如何廉价地大规模生产光伏电池和组件？为什么光伏电池的原材料的成本和数量较低，但最终成本却很高？这些都是涉及基础材料研究和制造技术的深层次的课题，需要进行大量的研发工作。一旦这些研究取得突破，光伏发电的成本就有可能在目前的基础上再下降一个数量级。
③光伏教育培训 光伏产业由于是一个新兴产业，因此，没有现成的人力资源，需要从半导体、冶金和制造业获得人才。但无论如何，各种等级的培训是不可缺少的。
从基层说起，技术工人的培训上岗，是目前各个企业最急需的服务。良好的培训可以大大降低企业的成本，不仅是人力资源成本，更多的是生产成本和浪费的减少。
对于中高层的技术人员，则需要进行光伏专业的本科和研究生教育。
随着光伏产业的发展，光伏产业大军将迅速扩大，职业教育和培训也是一个不小的产业。
④物流服务 任何一个产业都会涉及到物流，但是光伏产业对物流的需求却往往被人低估。以多晶硅的生产为例，1万吨多晶硅，每年就需要进出大约3万吨的货物。而对于组件来说，仅仅一个100MW的光伏电站，就需要1000个集装箱车辆进行运输成品，而原料则更多。电站的安装，支架的运输量要比电池组件大5倍左右，也就是需要5000个大型货车进行运输。
如果按照新能源15%的目标，每年光伏发电装机量将达到1000GW，那么，将需要50万辆货车来运送光伏组件和支架，这还没有包括前段的中间产品。因此，光伏产业对于物流的需求，将接近钢铁和煤炭对于运输的需求。1.1.2 晶体硅太阳电池产业现状
太阳电池行业目前主要市场化的电池有晶体硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池以及铜铟镓硒（CIGS）太阳电池等。
经过多年发展，相比薄膜太阳电池，晶体硅太阳电池生产的产业链各环节都已形成成熟工艺，且具备转换效率高、技术成熟、性能稳定、成本低等优势，广泛应用于下游的光伏发电领域。目前，国际太阳电池市场以晶体硅太阳电池为主流，晶体硅太阳电池约占太阳电池市场份额的90%。
薄膜太阳电池的增长速度快于晶体硅太阳电池，一方面是由于其增长基数非常小，另一方面，晶体硅太阳电池原料成本的快速增长，一定程度上制约了晶体硅太阳电池的增长速度。随着晶体硅太阳电池的上游原料——多晶硅的行业垄断格局被打破，晶体硅太阳电池的系统成本大幅下降，市场上的并网光伏发电项目几乎全部采用稳定性好、转换效率较高的晶体硅太阳电池。因此，从中长期来看，晶体硅太阳电池的市场主流地位不会改变。1.2 晶体硅太阳电池原理与性能1.2.1 太阳电池的发电原理（1）光传导现象
当光照射在半导体上时，电子被激励。由于带间激励，价电子带的电子被激发至导带而产生自由载流子，从而导致电气传导率增加的现象，称为光传导现象。
图1-3为用能带图表示的带间激励引起的光传导现象的示意图。光子能量hω大于禁带宽度能量E时，由于带间迁移作用，价带中的g电子被激励，产生电子空穴对，使电气传导率增加。图1-3 带间激励引起的光传导现象（2）光生伏特效应
当不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位因接触产生势垒（或p-n结的内建电场）时，在光照条件下，半导体内部产生的光生载流子在注入到势垒（或内建电场）附近时，会因为电场对电荷分离作用而导致半导体两侧产生电位差，即为光生伏特效应（Photo-Voltaic Effect），参阅图1-4。图1-4 p-n结光照前后的能带示意图代表失去一个电子而带正电施主离子；○代表空穴；代表得到一个电子而带负电受主离子；●代表电子 （3）太阳电池的发电原理
太阳电池发展至今，因材料与结构的不同，呈现多元化的发展态势。目前市场上的主流商业化太阳电池，一般都是由导电类型为P型与N型的半导体组合而成的p-n结型太阳电池。这种电池主要由P型半导体、N型半导体、电极、减反射膜等结构构成。其典型结构如图1-5所示。图1-5 太阳电池的工作原理
对于这种经典太阳电池而言，根据光生伏特效应，当光在一定条件作用于该电池时，会在半导体内部形成电子空穴对，即所谓的光生载流子。当电子空穴对接近p-n结区时，会被结区中的空间电荷区所产生之内建电场分离为定向移动的电子和空穴。其中，空穴移动方向为n区到p区，电子移动方向为p区到n区，进而在电池的两侧实现电荷积累，产成光生电动势。如果在电池的引出电极上接入负载，则可向负载输出电流来进行供电。这就是p-n结型常规太阳电池的发电原理。1.2.2 太阳电池的种类与结构（1）太阳电池的种类
晶硅电池是第Ⅰ代太阳电池的典型代表，它是以晶体硅材料、硅片等为基础制备得到的，主要包括单晶硅和多晶硅电池两种类型。前者以单晶硅材料来制备，后者则是以多晶硅材料为基础。由于多晶硅太阳电池材料本身存在固有的晶界和杂质问题，相同尺寸的电池技术下，其光电转换效率通常比单晶硅电池低一些。截止到2016年底，常规晶硅太阳电池产业化平均效率水平：单晶约为19%～21%，多晶约为18%～19%。
太阳电池的种类见图1-6，主要特征见表1-1。图1-6 太阳电池的种类表1-1 各类太阳电池的主要特征 （2）晶体硅太阳电池的常见结构
①单晶硅太阳电池的结构 在硅系太阳电池中，单晶硅太阳电池的转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟加工处理工艺基础上的。现在的单晶硅电池生产工艺已近成熟。在实际的电池制作中，除常规结构外，也有采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂、局域化背场点接触等技术的新型电池不断涌现。常规市场化单晶硅太阳电池结构如图1-7所示。图1-7 常规市场化单晶硅太阳电池结构
目前，无聚光单结的单晶硅太阳电池实验室光电转换效率最高纪录是硅异质结高效电池HIBC（局域化掺杂背电极）结构太阳电池，其效率为26.33%，超过了PERL（发射层钝化，局域化掺杂背电极）结构太阳电池（图1-8），其效率为25.2%。而近年来在商业化的高效率单晶硅太阳电池中，IBC电池量产平均效率已趋近23%；PERC结构单晶硅电池（局域化背点接触高效单晶硅电池）更是在2016得到大规模的发展，其量产化平均效率已达21.1%，实验室最高效率在2016年12月创下了22.61%的世界纪录。图1-8 PERL电池结构
②多晶硅太阳电池结构 多晶硅太阳电池的出现主要是为了节约成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方形硅锭，设备相比单晶硅材料要求更简单，制造过程大为简化，省电，节约硅材料，对材质要求也较低。但由于杂质和晶界的影响，效率比单晶硅衬底所制成的低。
目前，多晶硅电池的实验室效率最高记录由Fraunhofer的n-TOPCON电池于2017年创造，将多晶电池的效率提升到21.9%。这一结果超越了中国常州天合光能公司的多晶PERC团队于2015年创造的21.25%的光电转换率，其结构如图1-9所示。图1-9 PERC多晶硅电池结构1.2.3 太阳电池的性能与检测项目（1）太阳电池的性能
①太阳电池的单二极管等效电路模型 为了方便对太阳电池的器件性能进行模拟，理想的p-n结太阳电池可以通过建立二极管等效电路模型的方法来进行分析，一般常用的模型有单二极管、双二极管和三二极管模型等。其中，单二极管等效电路模型只考虑结特性，分析起来比较直观，易于操作，是一种主流的器件模拟方式的选择，下面就其结构与功能进行具体介绍。
如图1-10所示。光照下的p-n结可以看成一个理想二极管和恒流源并联。恒流源的电流即为光生电流I，通过p-n结的结电流为I。太LD阳电池经过光照后产生一定的光电流I，其中一部分用来抵消结电流LI，另一部分为供给负载的电流I。其端电压V、结电流I以及工作电DD流I的大小都与负载R有关，但负载电阻不是唯一的决定因素。L图1-10 理想太阳电池的等效电路模型
I的大小为：I=I-I （1-1）LD
根据扩散理论，二极管的结电流I可以表示为：D （1-2）
式中，q为电子的电荷，k为波耳兹曼常数；T为绝对温度；A为理想因子，在1～2之间变动。
将式（1-2）代入式（1-1），得： （1-3）
而对于实际的太阳电池，由于前电极、背电极和电池的接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，将它们的总效果用一个串联电阻来表征，一般用R表示。由于电池s边沿的漏电，以及制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一个并联电阻来等效，一般用R来表示。这样，实际的太sh阳电池的等效电路如图1-11所示，则负载的电流和电压大小分别为： （1-4）V=IR （1-5）L图1-11 实际太阳电池等效电路模型
②太阳电池的负载特性曲线及其参数 当负载R从0变化到无穷L大的时候，可以根据式（1-4）和式（1-5）画出太阳电池的负载特性曲线（又可称为伏安特性曲线或I-V曲线）。曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，斜率为1/R，工作点的横坐标L和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。在曲线上存在一个点M，也就是当负载电阻R到达某一个特定值R时，负载上的工作电流与Lm工作电压之积最大（P=IV），也就是获得一最高的匹配功率，称mmm这点M为该太阳电池的最大功率点，一般记做MPP。其中，I为最佳m工作电流，V为最佳工作电压，R为最佳负载电阻，P为最大输出mmm功率。
根据上述推导，当负载R连续变化时，经过测量得到一系列I-VL数据，由此可以做出图1-12所示的太阳电池伏安特性曲线，同时计算出一些重要的参数以表征太阳电池的性能。这些参数主要有开路电压V（Open Circuit Voltage）、短路电流I（Short Circuit Current）、ocsc最佳工作电压V、最佳工作电流I、最大功率点功率P、填充因子mmmFF（Fill Factor的缩写）和电池效率η，它们是表征电池技术水平和档次的重要依据。下面分别介绍如何根据负载特性曲线求得这些参数。
a.开路电压V、短路电流I的获得 从负载特性曲线可知，测ocsc量得到的曲线与坐标横轴（V轴）与纵轴（I轴）的交点分别是开路电压V和短路电流I。ocsc
b.最佳工作电压V、最佳工作电流I、最大功率点功率P的计mmm算 一般情况下，直接求P并不方便，因此一般用计算机对数据按m照一定的取样间隔求得取样点的P=IV ，然后直接取其中的最大值作为近似的P值。此时，该点所对应的电压和电流就是最佳工作电压mV和最佳工作电流I。mm
c.填充因子FF的计算 最大功率（P）与开路电压短路电流之m积（V×I）的比值，称为填充因子（FF），在图1-12中就是四边形ocscOIMV与四边形OIAV面积之比。填充因子是直接表征太阳电池mmscoc性能优劣的重要参数之一，标志着电池的整体制作与设计水平： （1-6）图1-12 负载特性曲线
d.太阳电池效率η的计算 在太阳电池受到光照时，输出电功率和入射光功率之比称为太阳电池的光电转换效率，通常简称为太阳电池的效率，其计算公式如下： （1-7）
式中，A为太阳电池总面积（包括电极的图形面积），但电极并t不产生光电，所以可以把A换成有效面积A（也称为活性面积），即ta扣除了电极图形面积后的面积，计算得到的转换效率要高一些；Pin为单位面积的入射光功率，实际测量时，P采取标准测试条件in（STC），即AM1.5 光谱条件，电池环境温度25℃，P=100mW/in2cm 。
③太阳电池的光谱响应特性 太阳光谱中，不同波长的光具有的能量是不同的，所含的光子的数目也是不同的。在本征半导体中，能量小于禁带宽度的光子不能激发电子空穴对，只会在半导体中产生吸收和反射，只有能量大于或等于禁带宽度的光子才能激发电子空穴对。可见，能量不同的光子具有不同的激发电子空穴对的转换能力，一般用光谱响应表示不同波长的光子产生电子空穴对的能力。
定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在p-n结表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。在太阳电池中，光谱响应实际上指的是“内光谱响应”，即在短路情况下，在电池两端收集到的载流子数与射入材料的光子之比：SR（λ）=J（λ）/qF（λ）［1-R（λ）］ （1-8）sc
式中，J（λ）为短路电流密度；F（λ）为太阳光子流密度；scR（λ）为太阳电池表面反射率。
在实际工作中，采用“相对光谱响应”的概念比较方便。所谓相对光谱响应，就是将某一频率处测得的最大光谱响应标定为1，以此作基准，来量度其他波长的光谱响应所获得的相对值。
光子能量从1.1eV开始产生光谱响应，而到1.5eV左右光谱响应最大。随着光子能量继续上升，吸收系数也随之增大，因此大部分光生载流子集中产生在顶区表面。但顶区中少子寿命极低，表面复合速度极大，因而高能光谱响应也随着衰减。而且光子能量越大，吸收也越大，表面区域载流子损失也越多，因此光谱响应衰减也越迅速。如图1-13所示。图1-13 相对光谱响应
④太阳电池的温度特性 太阳电池材料的重要参数，如本征载流子浓度、扩散长度和吸收系数等都是温度的函数。本征载流子浓度ni对开路电压影响很大，随着温度上升，n按指数形式增大，因此开路i电压迅速下降，暗电流也迅速增大。但随着温度的升高，少子寿命也会有一定程度的提高，而且可吸收利用的光子所必需的能量亦可得到降低，这样会使有效的光生载流子数量增加，进而提高了短路电流，抵消了部分开路电压的下降。
而对于晶硅太阳电池而言，随着温度升高、迁移率和寿命的变化，扩散长度会得到提高。由于基区扩散长度的改善，随着温度上升，吸收限移向低能量范围，提高了长波光谱响应，因此光生电流会有所增加。而晶硅电池的开路电压随温度升高而降低，两者之间的变化几乎呈线性关系，此现象是由暗电流增大引起的。填充因子与温度的关系相对比较复杂：当温度高于200K（27℃）时，填充因子随着温度升高而降低。这是由于开路电压降低以及I-V曲线柔化，曲线的膝部变圆的缘故； 但在低于200K时，随着温度降低，填充因子略微减小。
温度对典型晶硅太阳电池伏安特性的影响如图1-14所示。根据上述分析，温度升高时，V和FF减小，虽然I略有提升，但电池转换ocsc效率仍降低。图1-14 温度对伏安特性的影响
⑤太阳电池的光照特性 光照强度不同，太阳电池的最佳工作点也不同。若温度不变，当强度增加时，短路电流就线性增大，而开路电压也按对数关系增大。低光照强度时，串联电阻影响相对来说并不那么显著，但漏电流大小可以与光电流相比较，因此会大大地影响输出电压和填充因子。在高光照强度时，旁路电阻不太重要，而串联电阻起着明显的作用。
假设忽略串联电阻和并联电阻的影响，光照强度分布均匀，那么在几个数量级范围内短路电流正比于光照强度，开路电压随着光照强度的升高呈对数增长。由于开路电压和填充因子的变化，随着光照强度的增加，效率也随着提高。（2）太阳电池性能的检测项目
在整个太阳电池制造工艺中有许多测量要求，主要包括外观检测和电学性能的检测。测试的范围涵盖硅片、太阳电池制备过程中所涉及的上述两种性能的检测，主要检测项目如表1-2所示。表1-2 太阳电池性能的主要检测项目
具体的太阳电池性能的检测技术及仪器设备，可参考段春艳等编写的《光伏产品检测技术》（化学工业出版社，2016年9月出版）。1.3 晶体硅太阳电池生产工艺流程1.3.1 常规晶体硅太阳电池生产工艺
常规晶体硅太阳电池的制造工艺流程，主要包括清洗制绒、扩散制结、后清洗［去磷硅玻璃（PSG）、去背结］、减反膜制备（PECVD）、电极（背电极、背电场和前电极）印刷及烘干、烧结、测试分选等。在各工序的环节间设有中间环节检测项目，主要有抽样检测制绒效果、抽样检测扩散后方块电阻、抽样检测减反膜厚度和折射率以及抽样检测印刷前后电池湿重等。（1）常规单晶硅太阳电池生产工艺
常规单晶硅太阳电池的工艺流程如图1-15 所示。图1-15 常规单晶硅太阳电池的工艺流程
①清洗制绒 用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层单面除去约5～10μm。用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀，在硅片表面制备绒面。
②扩散（以p型硅片磷扩散为例） 采用液态磷源（或固态氮化+磷片状源和涂布磷源等）进行扩散，制成p-n结，其结深一般为0.2～0.7μm。
③刻蚀去PSG 扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上、下电极短路。用湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。目前一般产业界常用“水上漂”的湿法腐蚀。+
④去除背面p-n结 业界目前常用湿法腐蚀法，并与刻蚀去PSG工序同时进行。
⑤制作减反射膜 为了减少入射光的反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF、SiO、AlO、2223SiN、TiO、TaO等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法、溅x225射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。目前主流的方法是PECVD法制备SiN减反射膜。x
⑥电极及背电场制备 用真空蒸镀、化学镀镍或印刷烧结等工艺制作电极及背电场。通常先制作背电极和背电场，然后制作前电极。使用银浆、铝浆的丝网印刷工艺是目前业界主流采用的工艺方法。
⑦烧结 使电极和背电场与电池衬底形成牢靠良好的欧姆接触。
⑧测试分挡 按规定参数规范和技术指标对电池测试分类。（2）常规多晶硅太阳电池的生产工艺
多晶硅太阳电池由多晶材料加工而成，其典型外观如图1-16所示。多晶硅材料本身由多个不规则的晶粒和晶界组成，因此多晶硅电池片从外观上会发现有一定的花纹。图1-16 多晶硅硅片与多晶硅太阳电池
多晶硅太阳电池的生产工艺流程与单晶硅大体相近，但在具体的工艺参数和原料选择上是有所差别的。以清洗制绒工艺环节为例，单晶硅的晶向比较统一，因此在（100）晶向的硅片上通过碱液制绒之后可得到减反射效果较好的金字塔；而多晶硅材料因其晶粒和晶向的随机性，通过碱液制绒后绒面效果不好，只能采用酸制绒、等离子体干法制绒、湿法黑硅制绒等其他方式进行。
此外，制造多晶硅太阳电池时要尽量降低对光生载流子的复合损失，晶界对多晶硅片少子寿命影响没有缺陷大，目前小晶粒多晶硅片效果更好。目前采用的方法如下。
①磷和铝吸杂 在多晶硅表面沉积磷或铝层，或用三氯氧磷液态源进行高温下高浓度预扩散，在表面产生缺陷，高温下杂质可能在高缺陷区富集，再将该层去掉，即可除去一些杂质。磷和铝吸杂的效果与基片原来的状态有很大关系，特别是氧和碳的含量，氧碳含量高时效果较差。
②氢钝化 实验室中在约450℃下用气氛（20%氢+80%氮气）对晶界进行氢钝化处理，可大大降低晶界两侧的界面态，从而降低晶界复合，提高太阳电池效率。多晶硅太阳电池大多采用氮化硅（SiN）x作减反射膜，主要用等离子体化学气相沉积（PECVD）方法，在制备氮化硅的过程中也会有等离子态的氢对多晶硅晶界起氢钝化作用。
③建立界面场 通过对多晶硅太阳电池的n型区晶界重掺杂磷，磷向晶界两侧扩散形成n+n-界面结构，在p型区晶界重掺杂铝，铝亦向晶界两侧扩散形成p+p-界面结构，以上两种结构又统称为高低结。这两种结构在相应边界产生的界面电场均能阻止该区的光生载流子在晶界面处复合，从而提高太阳电池效率。1.3.2 硅材料的生产工艺
硅在自然界中主要是以氧化物为主的化合物形态存在于石英石、石英砂等天然原料中。通过氧化还原反应，可以将二氧化硅还原为硅单质。按照硅单质中杂质含量的不同，可以将硅材料分为以下三类。
①冶金级硅（Metallurgical Grade Silicon，简称MG） 硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。冶金级硅中的硅含量一般为98%以上，较高的在99.8%以上。
②太阳能级硅（Solar Grade Silicon，简称SG） 主要指能满足硅基太阳电池生产的硅材料。在半导体业界，一般用字母“N”来代表硅材料的纯度，以太阳能级硅为例，其最低的硅元素含量一般要求在99.9999%～99.99999%之间，也就是6N～7N。
③电子级硅（Electronic Grade Silicon，简称EG） 一般硅元素含量最低在99.9999999%～99.999999999%之间，也就是9N～11N。（1）冶金级硅的制备
冶金级硅是制造太阳能级硅或电子级硅的原料，它一般是由石英砂（主要成分为二氧化硅）在电弧炉中用碳还原而成。尽管石英砂在自然界中比较常见，但仅有少量杂质含量满足标准要求的原料可用于冶金级硅的制备。一般而言，要求二氧化硅（SiO）的含量在99%以2上，并对砷、磷和硫等杂质的含量有严格的限制。
冶金级硅的主化学反应式如下式所示：SiO+2CSi+2CO （1-9）2
然而在电弧炉中发生的实际反应过程是非常复杂的：在炉体的不同部位，由于温度差异，会有不同的反应发生。冶金硅的形成发生在炉子底部，即温度最高处。
冶金级硅主要用于钢铁工业和铝合金工业，这种情况下要求其纯度为98%。纯度大于99%的冶金级硅用于制备氯硅烷，是合成有机硅的关键中间体。用于制造半导体的冶金级硅中除了含有99%以上的Si外，还含有Fe、Al、Ca、P、B等，这就需要采用提纯方法将冶金级硅纯化。（2）化学法制备电子级硅
化学法就是冶金级硅中的硅元素参加化学反应，生成硅的化合物——四氯化硅（SiCl）或三氯氢硅（SiHCl），然后将其从杂质中分43离出来，最终把硅元素还原成为高纯多晶硅。在化学法提纯冶金级硅过程中，硅是主要的反应元素。
①改良西门子法制备多晶硅 改良西门子法工艺的前身西门子法最早于1954年推出，至今仍被广泛使用。它的第一步是在250～350℃的温度下冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应。使用流化床的好处是反应热容易散发和冶金硅容易加入。在流化床上发生的主要反应有：Si+3HClSiHCl+H （1-10）32Si+4HClSiCl+2H （1-11）42
其中主要反应产物是三氯硅烷，在最终产物中，还有少量的二氯二氢硅（SiHCl）、未反应的氢气（H）、一些易挥发的金属氯化物222和硼（B）、磷（P）、砷（As）等电活性元素的氯化物。
西门子法的第二步是对SiHCl进行分馏，在这个过程中可以把具3有不同沸点的氯化物分离开来。金属氯化物和SiHCl的分离相对容易，3而三氯化磷（PCl）、三氯化硼（BCl）以及一些有机氯化物和33SiHCl的分离就比较困难，必须采取多次分馏的方法。3
西门子法的第三步是硅的沉积。多晶硅反应炉一般都采用单端口的钟罩方式。反应炉的底盘是水冷的，盘上有SiHCl和H的进气口和32HCl的出气口。此外，还有连接晶种的电极。接在电极上的硅桥呈倒立的U字形，它是超纯的细硅芯。沉积多晶硅时，电流通过硅桥使之发热，当温度达到1100℃左右时，会在硅桥表面发生如下反应：SiHCl+HSi+3HCl （1-12）32
通常多晶硅的沉积反应要进行200～300h，使沉积在硅桥上的硅棒达到150～200mm。
鉴于西门子法在生产过程中会产生多种副产物，在西门子法工艺的基础上通过增加尾气干法回收系统，SiCl氢化工艺，实现了闭路4循环，即改良西门子法。改良西门子法的生产流程，是利用氯气和氢气合成HCl，HCl和工业硅粉在一定的温度下合成SiHCl，然后对3SiHCl进行分离精馏提纯，提纯后的SiHCl在氢还原炉内进行化学气33相沉积反应得高纯多晶硅。
②硅烷法制备高纯多晶硅 20世纪60年代末期，ASiMi公司提出了用SiH为原料生产多晶硅。利用SiH原料制造多晶硅棒，一般使用44金属钟罩炉。在高温时，SiH会分解产生Si和H，其反应式如下：42SiHSi+2H （1-13）42
分解产生的硅会渐渐沉积在硅种上，其沉积速率可以通过温度的分布和SiH的气流量来控制。与西门子法相比，SiH的转换效率高了44很多，95%的SiH都能转换成多晶硅。而且，由于SiH可以在较低的44温度下沉积，所以消耗的电能也比较少。（3）冶金法制备太阳能级硅
半导体级（电子级）多晶硅的制备和提纯工艺复杂，成本很高。相比微电子器件而言，太阳电池对材料和器件中的杂质容忍度要大得多（太阳电池对某些杂质，如Fe、O的含量要求比较高），因此，太阳电池用硅材料的原料，通常利用微电子工业用单晶硅材料废弃的头尾料和废材料，以及质量较低的电子级高纯多晶硅，这样可以降低太阳电池的总成本，因为硅原材料的成本约占硅太阳电池总成本的25%以上。随着光伏产业的快速发展，微电子工业的废硅材料将不能满足光伏产业的需要，因此光伏产业迫切地需要纯度高于金属硅、低于半导体多晶硅，而且成本又远远低于电子级多晶硅的太阳电池专用的太阳能级硅材料。
制造太阳能级多晶硅最直接且最经济的方法，是将金属硅进行低成本提纯，纯化至可以用于太阳电池制造的太阳能级硅，而不是采用化学法提纯工艺。不同的冶金级硅中含有不同的杂质，但主要杂质基本相同，可分为两类：一类是Al、Fe、Ca、Mg、Mn、Cr、Ti、V、Zr和Cu等金属杂质；另一类为B、P、As和C等非金属杂质。表1-3对冶金级硅和太阳能级硅中主要杂质的含量进行了对比。表1-3 冶金级硅和太阳能级硅中主要杂质的含量对比
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