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附录 译文
电池技术
现在我们已经成为太阳能电池操作方法的专家，我们将在详细介绍如何用晶体硅生产太阳能电池。然后，我们将熟悉诸如非晶硅或砷化镓等替代材料的电池。
最后，将处理单个技术的生态方面。
5.1 晶体硅电池的生产
光伏发电的主要动力是硅太阳能电池。因此，我们将详细介绍它的生产，从沙子经硅，晶片和电池加工直至成品太阳能模块。
5.1.1 从沙子到硅
第一步是将石英砂转化为高级硅，以生产晶圆。
5.1.1.1 多晶硅的生产
太阳能电池的起点是硅（来自拉丁语silicia：砾石土）。它是仅次于氧气的第二大元素。但是，它几乎永远不会以其纯粹的形式出现在自然界中，它主要以氧化硅（石英硅）形式存在。因此，从最真实的意义上讲，硅就像沙滩上的沙子。首先，在电弧炉中还原硅，并在大约1800°C的温度下添加煤和电能（图5-1）：
（5-1）
因此，我们获得了纯度为98%的冶金硅（冶金级：MG-SI）。名称是因为这种硅也用于生产钢铁。对于用于太阳能电池的MG-Si，仍必须进行复杂的清洁。在所谓的硅烷工艺中，将细磨的硅在流化床反应器中用盐酸（氯化氢，HCL）混合，在放热反应中，这产生三氯硅烷（SiHCl3）和氢。
(5-2)
现在可以通过重复蒸馏进一步清洁三氯硅烷，幸好沸点仅为31.8°C。硅的回收在反应器中进行（西门子反应堆）。其中将带有氢气的气态三氯硅烷送入1350°C的热细硅棒。硅在棒处分离出来，成为高度纯化的多晶硅。这导致例如长度为2米的杆，直径约为30厘米（图5-1）。
- 冶金硅的生产
- 加工成高纯度的多晶硅（太阳能等级）：
图5-1 用石英砂生产多晶硅
多晶硅的纯度至少应为99.999％（5个9，表示5N），才能被称为太阳能级硅（SG-Si）。此处纯度为99.9999999％（9N，电子等级：EG-Si）是正常的。
现在可以通过重复蒸馏进一步清洁三氯硅烷，幸好沸点仅为31.8°C。硅的回收在反应器中进行（西门子反应堆）。其中将带有氢气的气态三氯硅烷送入1350°C的热细硅棒。硅在棒处分离出来，成为高度纯化的多晶硅。这导致例如长度为2米的杆，直径约为30厘米（图5-1）。
由于西门子工艺的能源消耗相对较高，因此人们一直在寻找替代清洁硅的替代品。一种可能性是使用流化反应器，其中连续分离最纯的硅。与西门子反应堆相比，它们具有更高的生产率和70％的能源消耗。
但是，处理是困难的，并且需要很多技能和经验。例如，6N-Silicon公司的工艺包括将MG-硅熔化在液态铝中。与硅在1414°C时更高的“正常”熔点相比，在800°C的实践中这已经可以实现。
然后使熔体冷却以形成硅晶体。铝吸收了硼或磷等外来原子。但是，冷却后，硅会被铝污染，必须在后续步骤中将其提取出来。但是，所需的纯度尚未达到西门子工艺所能达到的水平。多晶硅的结构太差以至于不能直接用于太阳能电池。因此，在下文中，我们将考虑改善晶体性能的两个最重要的过程。
图5-2通过切克劳斯基工艺生产单晶硅棒（照片：Wacker Chemie AG）
5.1.1.2 单晶硅的生产
Czochralski工艺（CZ工艺）是最常用于生产单晶硅的工艺。为此，将多片多晶硅在1450°C的坩埚中熔化，然后将固定在金属棒上的籽晶从上方浸入熔体中。然后，随着光的旋转，将其缓慢向上拉出，从而使液态硅附着到其上并结晶（图5-2）。因此，最终形成单晶硅棒（锭），其厚度可以通过温度和抽出速度的变化来调节。
用这种方法可以生产直径最大为300厘米，长度最大为20米的杆。对于光伏电池，直径通常为5-6英寸（12.5-15厘米）。如果仍然需要改善晶体质量，则可以使用浮区（FZ或区域熔体）工艺代替CZ工艺。此处将籽晶放置在垂直悬挂的多晶硅棒下方（图5-3）。
然后将感应线圈从下方缓慢向上推到杆上。在这种情况下，硅仅在感应区中熔化，因此单晶从底部向上形成。
图5-3 浮区工艺的原理：向上移动的加热环仅在局部熔化多晶硅，因此在结晶过程中杂质被向上驱动
图5-4 多晶锭的生产
5.1.1.3 多晶硅生产
多晶硅的生产要简单得多。图5-4显示了原理：将多片多晶硅倒入石墨坩埚中，例如，使用感应加热使其熔化。然后，通过缓慢向上拉动的加热环，使坩埚从底部冷却。在坩埚底部的各个位置形成了小的单晶，这些单晶向侧面生长直至彼此接触。在垂直冷却过程中，晶体在圆柱中向上生长（柱状生长）。
在边界层处形成晶体位移，该晶体位移随后成为电池中的重组中心。因此，人们试图使单晶变得尽可能大。列结构还具有以下优点：由光产生的少数载流子不必在垂直方向上越过晶体边界。
由于多晶硅的材料质量较差，因此用这种材料制成的太阳能电池的效率通常比单晶太阳能电池低2-3％。
多晶硅的晶体质量比多晶硅材料差。所包含的单晶的直径在微米至毫米范围内。对于多晶材料，人们所说的单晶约为毫米到10厘米。如果单晶大于10cm，则存在单晶硅。但是，这种明显的差异并不总是反映在文献中。
图5-5多晶硅片的生产：将晶锭破碎成单个块后，用线锯将其切成晶片
5.1.2 从硅到晶圆
5.1.2.1 晶圆生产
生产后，必须将铸锭锯成单独的薄片（晶圆）。这通常是用钢丝锯来完成的，它使人联想起一个鸡蛋切割器（图5-5）。厚度为100-140mm的金属丝高速穿过乙二醇和极硬的碳化硅颗粒的浆（浆），并将其带入硅的锯缝中。这更多的是研磨或研磨过程，而不是锯切。锯缝至少为120毫米。不幸的是，硅芯片不能以足够的纯度回收。当前的晶片厚度为180毫米，锯切损耗几乎与用过的零件一样大。最初的生产者使用锯线包裹了金刚石颗粒，以防止使用碳化硅颗粒。在这种情况下，应该有可能清洗硅芯片并将其用于新晶片。
5.1.2.2 带状硅的硅片
如果成功地将晶片直接从熔体中拉出，则可以完全避免锯切损失。这就是带状硅的想法。在肖特太阳能公司的所谓的边缘定型胶片进料生长工艺（EFG工艺）中，将石墨的前者浸入硅熔液中（图5-6）。流体硅通过毛细作用力在间隙中上升，可以“停靠”在纵向晶种上，并向上拉成薄板。试管的生产大约需要5个小时。然后用激光将这些管切成12.5厘米的单个晶片。此外，为了获得足够的晶体质量，拉速相对较慢。Evergreen Solar Company已开发出第二种生产硅膜的方法，其名称为String-Ribbon，该方法类似于肥皂泡的原理。两条平行的加热丝被向上拉过硅熔体。这样，在两者之间会形成硅的“肥皂皮”，并在空气中像多晶硅一样变硬。Evergreen表示，他们的工艺在所有晶圆生产工艺中的能耗最低。
图5-6 根据EFG工艺生产晶圆：无需直接从熔体上锯切即可拉动晶圆（照片：Schott Solar AG）
5.1.3 生产标准太阳能电池
在下文中，我们将考虑生产现代硅电池的典型步骤（见图5-7）。首先，将已经掺杂的晶片浸入蚀刻浴中，以去除表面上的污染物或晶体损伤（损伤蚀刻）。然后对表面进行纹理化（例如，通过用钾溶剂蚀刻）。然后通过借助于磷扩散形成n -发射极来实现p-n结的形成。这是一个相对耗能的过程，因为需要800-900°C的温度。在下一步中，进行氮化硅（Si3N4）减反射涂层的沉积，这会同时导致表面钝化。为此目的，将带有缝隙的面罩放在电池上，并刷上金属浆。这样，仅将其放置在晶片上的特定位置。后侧触点的形成分两个步骤进行。首先施加银浆的焊接接触表面，以便随后将连接线焊接到它们上。下一步将应用正面触点。在此，也使用银浆以实现低串联电阻。
图5-7 生产标准电池的工艺步骤
P
随后对电池进行接触焙烧（约800°C），可确保浆料硬化，并在前触点和发射极之间“反射”抗反射层。同时，焙烧还实现了Al原子从阳极扩散。向后接触基底，以产生背面场所需的p 层（请参阅第4.2.4节）。由于磷的扩散，单元的边界区域也被n掺杂，由此p-n结基本上被短路。因此，作为最后步骤，进行电池的边缘绝缘（蚀刻或激光切割工艺）。太阳能电池的生产过程通过在标准测试条件下测量I/V特性曲线来完成，以便将电池分配到质量等级。图5.8显示了在各个生产步骤后单晶体电池的视图。
将银用于太阳能电池触点肯定很昂贵。有替代方案吗？实际上，银的成本是进一步降低生产成本的真正障碍。同时，有许多有前途的尝试来尝试不使用白银。生产者的许多尝试之一是使用铜。通常，在背面区域，整个表面都涂有铝。不幸的是，锌覆盖的电池连接器条不能直接焊接到铝上，这就是迄今为止使用银的原因。一种新工艺利用了直接与铝连接的锌接触带。因此，除了银浆之外，丝网印刷步骤在生产中也消失了。
早期附图中的太阳能电池始终具有p掺杂的基极和n掺杂的发射极。难道就不能做到这一点吗？如今，通常的做法是，电池生产商购买p掺杂的晶圆，然后以众所周知的工艺用发射极的磷光体对其进行掺杂。然而，这些p型电池具有重要的缺点：与污染物（例如铬或铁）一起，硼形成复合物，该复合物再次形成另外的重组中心。由此形成的亚稳硼-氧络合物会导致其他重组中心发生光的入射。这样，取决于材料的质量，例如，在运行（降级）一个月之内，效率会降低约7％。
图5-8 各个生产步骤后的单晶电池视图
5.1.4 太阳能电池组件的生产
为了使太阳能电池易于管理供电，将它们集成到太阳能模块中。图5-9显示了玻璃箔太阳能模块的结构原理。最后，将一块玻璃板放在前侧，然后将背面铝箔放在后侧。然后将该三明治在层压机中在真空下加热至150°C。EVA材料软化并在孔周围流动，然后再次硬化。
玻璃箔模块的替代方案是玻璃-玻璃模块（图5-9）。由于建筑上的原因，通常将其用于立面或集成在屋顶中。
图5-9 玻璃箔的结构以及玻璃-玻璃模块
图5-1 0生产太阳能电池组件的步骤（照片：Solar-Fabrik AG）
第二片玻璃用于提高机械稳定性，因为没有金属框。图5-10显示了生产太阳能电池组件的各个步骤。
第6章介绍了太阳能电池组件的功能，并详细讨论了有关最佳电池电路的问题。在下文中，我们将研究替代性电池技术。
图5-11 a-Si晶格的结构以及用于生产a-Si薄膜电池的等离子增强化学气相沉积（PECVD）的描述。
5.2 非晶硅电池
正如我们在第3章中了解到的那样，直接半导体具有极高的吸收系数。有了它们，就有可能在一个微米的“薄膜电池”中吸收阳光。最著名的薄膜材料是非晶硅，我们现在将对其进行研究。
5.2.1 非晶硅的性质
如果将气相中的硅沉积到载体材料上，则会形成极其不规则的硅原子结构（无定形：希腊语：无结构）。它由称为“悬空键”的多个开放键组成。它们形成电子-空穴对的复合中心，使该材料不适用于太阳能电池。诀窍是在沉积过程中添加氢进行钝化处理，以使悬空键饱和。
左侧草图中的图5-11显示了指定为a-Si：H的材料的结构。不幸的是，并非所有键都可以饱和，因为这将需要增加氢的含量，以至于损害材料的光学性能[57]。取决于氢部分，a-Si：H的晶体结构在DWG=1.7至1.8eV的区域内具有直接带隙[58]。如图3-22所示，吸收系数比c-Si的吸收系数高一到两个因子。在600nm的波长下，穿透深度仅为0.25mm。因此，0.5mm的电池厚度足以吸收大部分阳光！
5.2.2 生产过程
对于生产a-Si薄膜电池，主要使用等离子增强化学气相沉积–PECVD，见图5-11。起始气体硅烷（SiH4）和氢气（H2）流入约200°C的高温处理室，并在那里进入强高频场。这加速了各个电子，这些电子又通过碰撞电离将起始气体的分子分离成其组成部分（SiH 3等）。带电粒子形成包含高反应性离子的等离子体，这些离子与基材表面反应并在那里沉降。随着两种工艺气体的进一步添加，此a-Si：H层继续生长。
图5-12 薄膜电池的结构：沉积材料的总厚度小于2毫米
该工艺也可以在不增强等离子体的情况下正常运行（正常气相沉积–CVD），但随后将需要超过450°C的温度才能分解起始气体，这将严重限制基材的选择，典型的沉积速率在0.2nm/s的范围内。0.5毫米厚的a-Si-H层的生产大约需要40分钟。实际上，这段时间对于批量生产而言太长了。理想的是将其减少10倍。为此，可以使用许多有希望的新工艺（例如，甚高频PECVD和热线CVD）以及高沉积速率，但是这种工艺经常会增加a-Si：H中的缺陷数量。
5.3 针脚单元的结构
用PECVD工艺生产的
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