几种太阳能电池的工作原理及区别

单晶硅、 多晶硅、非晶硅、薄膜太阳能电池的工作原理及区别硅太阳能电池的外形及基本结构如图 1。其中基本材料为 P 型单晶硅，厚度为 0.3 — 0.5mm左右。 上表面为 N+型区， 构成一个 PN＋结。 顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与 N＋区和 P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池表面时， 光子穿过减反射膜进入硅中， 能量大于硅禁带宽度的光子在 N+区， PN＋结空间电荷区和 P 区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区， 就对发光电压作出贡献。 光生电子留于 N＋区， 光生空穴留于 P 区， 在 PN＋结的两侧形成正负电荷的积累， 产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从 P区经负载流至 N＋区，负载中就有功率输出。太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。 靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的 5－ 10％（随 N＋区厚度而变） ， PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占 5 ％左右。电池基体域产生的光电流对红外光敏感，占 80－ 90％，是光生电流的主要组成部分。2. 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型， 产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。 这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求 99.999 ％。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒， 材料性能指标有所放宽。 有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料， 经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约 0.3 毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成 PN结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验， 即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件 （太阳能电池板） ， 用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流， 最后用框架和封装材料进行封装。 用户根据系统设计， 可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵， 亦称太阳能电池阵列。 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15％左右， 实验室成果也有 20％以上的。 用于宇宙空间站的还有高达 50%以上的太阳能电池板。另外硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，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热的加工处理工艺基础上的。 现在单晶硅的电地工艺己近成熟， 在电池制作中， 一般都采用表面织构化、 发射区钝化、 分区掺杂等技术， 开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。 提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 在此方面， 德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化， 制成倒金字塔结构。 并在表面把一 13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过 23%，是大值可达 23． 3％。 Kyocera 公司制备的大面积（ 225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为 19． 44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（ 2cmX2cm）转换效率达到 19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（ 5cmX5cm）转换效率达 8.6%。3. 多晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂， 电耗很大， 在太阳能电池生产总成本中己超二分之一， 加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此， 80 年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。目前太阳能电池使用的多晶硅材料， 多半是含有大量单晶颗粒的集合体， 或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为 100～ 300 欧姆?厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用 1： 5 的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅， 放人浇铸炉， 在真空状态中加热熔化。 熔化后应保温约 20 分钟，然后注入石墨铸模中， 待慢慢凝固冷却后， 即得多晶硅锭。 这种硅锭可铸成立方体， 以便切片加工成方形太阳能电池片， 可提高材质利用率和方便组装。 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，其光电转换效率约 12％左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。随着技术得提高，目前多晶硅的转换效率也可以达到14%左右。与单晶硅太阳能电池相比， 多晶硅电池成本低， 但也存在明显缺陷。 晶粒界面和晶格错位，造成多晶硅电池光电转换效率一直无法突破 20%的关口。而单晶硅电池早在 20 多年前就已经突破 20％。然而，近年来多晶硅太阳能电池的技术水平提升很快，其电池转换效率最高已经达到 17%以上，组件转换效率可达 15%以上，与单晶硅的差距正逐步减小。最近，德国弗劳恩霍夫协会发表公报说，目前该协会下属的弗赖堡太阳能系统研究所经过两年攻关，成功开发出一种新技术， 可以使多晶硅电池的晶格错位等缺陷得到部分解决。 其技术关键是在太阳能电池生产过程中选择适当温度， 使多晶硅的电子性能得到提高， 并同时形成高效率的太阳能电池结构。 该所的研究人员已经找到了适当的温度平衡点， 既保证太阳能电池高效率所需高温， 又兼顾这一温度在材料可接受的范围以及它在工业生产中的可行性。 如果该技术能够达到产业化应用， 将进一步提高多晶硅太阳能电池产品的竞争力。4. 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是 1976 年有出现的新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同， 硅材料消耗很少， 电耗更低， 非常吸引人。 制造非晶硅太阳能电池的方法有多种， 最常见的是辉光放电法， 还有反应溅射法、 化学气相沉积法、 电子束蒸发法和热分解硅烷法等。 辉光放电法是将一石英容器抽成真空， 充入氢气或氩气稀释的硅烷， 用射频电源加热， 使硅烷电离，形成等离子体。 非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。 若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到 N型或 P 型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺， 主要取决于严格控制气压、 流速和射频功率， 对衬底的温度也很重要。 非晶硅太阳能电池的结构有各种不同， 其中有一种较好的结构叫 PiN 电池， 它是在衬底上先沉积一层掺磷的 N型非晶硅， 再沉积一层未掺杂的 i 层，然后再沉积一层掺硼的 P 型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。 此种制作工艺， 可以采用一连串沉积室， 在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造， 在一个平面上， 用适当的掩模工艺， 一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。 因为普通晶体硅太阳能电池单个只有 0.5 伏左右的电压， 现在日本生产的非晶硅串联太阳能电池可达 2.4 伏。 目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为 10％左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、 电子钟表及复印机等方面。 估计效率衰降问题克服后， 非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展， 因为它成本低， 重量轻， 应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感， 这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。 此外， 其光电效率会随着光照时间的延续而衰减， 即所谓的光致衰退 S 一 W效应， 使得电池性能不稳定。 解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池， 叠层太阳能电池是由在制备的 p、 i 、 n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。 叠层太阳能电池提高转换效率、 解决单结电池不稳定性的关键问题在于： ①它把不同禁带宽度的材科组台在一起， 提高了光谱的响应范围； ②顶电池的 i 层较薄， 光照产生的电场强度变化不大， 保证i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多， 其中包括反应溅射法、 PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为 H2稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。 目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展： 第一、 三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到 13％，创下新的记录；第二 . 三叠层太阳能电池年生产能力达 5MW。美国联合太阳能公司（ VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9． 3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为 13％。上述最高转换效率是在小面积（ 0． 25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过 12． 5％， 日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为 13． 2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多， 南开大学的耿新华等采用工业用材料， 以铝背电极制备出面积为 20X20cm2、转换效率为 8． 28％的 a－ Si/a － Si 叠层太阳能电池。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。 但同时由于它的稳定性不高， 直接影响了它的实际应用。 如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题， 那么， 非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。5. 薄膜太阳能电池薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数 μ m，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量 ( 厚度可低于硅晶圆太阳能电池 90%以上 ) ， 目前转换效率最高以可达 13%， 薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大， 可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份 ， 在薄膜 太 阳电池 制 造上，则 可使用 各式 各样的沈 积(deposition) 技术，一层又一层地把 p- 型或 n- 型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、 CuInSe2 (CIS) 、 CuInGaSe2 (CIGS)、和 CdTe 等。薄 膜 太 阳 能 电 池 的 种 类 ： 非 晶 硅 (Amorphus Silicon, a-Si) 、 微 晶 硅(Nanocrystalline Silicon ， nc-Si ， Microcrystalline Silicon ， mc-Si) 、化合 物 半 导 体 II-IV 族 [CdS、 CdTe(碲 化 镉 ) 、 CuInSe2] 、 色 素 敏 化 染 料(Dye-Sensitized Solar Cell) 、 有 机 导 电 高 分 子 (Organic/polymer solar cells) 、 CIGS ( 铜铟硒化物 ) 等。薄膜太阳电池产品应用：半透明式的太阳能电池模块：建筑整合式太阳能应用(BIPV) 薄膜太阳能之应用： 随身折迭式充电电源、 军事、 旅行 薄膜太阳能模块之应用：屋顶、建筑整合式、远程电力供应、国防薄膜太阳能电池的特色： 1. 相同遮蔽面积下功率损失较小 ( 弱光情况下的发电性佳 ) 2. 照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少 3. 有较佳的功率温度系数 4. 较佳的光传输 5. 较高的累积发电量 6. 只需少量的硅原料 7. 没有内部电路短路问题 ( 联机已经在串联电池制造时内建 ) 8.厚度较晶圆太阳能电池薄 9. 材料供应无虑 10. 可与建材整合性运用(BIPV) 薄膜太阳能电池的种类非晶硅 (Amorphus Silicon, a-Si) 、微晶硅 (Nanocrystalline Silicon ，nc-Si ， Microcrystalline Silicon ， mc-Si) 、化合物半导体 II-IV 族 [CdS、CdTe(碲化镉 ) 、 CuInSe2]、色素敏化染料 (Dye-Sensitized Solar Cell) 、有机导电高分子 (Organic/polymer solar cells) 、 CIGS ( 铜铟硒化物 ) 等发展趋势近年来 , 业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。日本产业技术综合研究所于去年 2 月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池， 其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的 4 倍。 此前的有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体的薄膜接合在一起， 其太阳能到电能的转换率约为 1%。新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜， 变成三层构造， 这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积， 从而大大提高了太阳能转换率。 可折叠薄膜的太阳能电池是一种利用非晶硅结合PIN 光电二极管技术加工而成的薄膜太阳能电池。此系列产品具有柔软便携、耐用、光电转换效率高等特点；可广泛应用于电子消费品、远程监控 / 通讯、军事、野外 / 室内供电等领域。 有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，因此人们对它的实用化期待很高。研究人员表示，通过进一步研究，有望开发出转换率达 20%、 可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。 专家认为 , 未来 5年内薄膜太阳能电池将大幅降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。 早在 10 年前，科学家就发明了一种比头发还要细的太阳能电池，由于其所使用的半导体原料远较一般太阳能电池为少，因此可解决太阳能电池价格高昂的问题。 后来， 研究人员使用称为 CIS 的复合半导体的技术，将 2～ 3 微米厚的 CIS 放在玻璃等物料上，制成薄膜太阳能电池。它比传统以矽制成的太阳能电池薄 100 倍， 实际上比头发还要薄， 它亦较轻和使用较少半导体物料，售价因此较便宜并可大量生产。 传统的矽电池需大量半导体物料，价格昂贵，因此无法普及，而且由于较笨重，其应用范围受限制。薄膜电池却只需要将廉价物料放在诸如塑胶等有弹性的表面上便可， 价钱便宜而且轻便。 有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻柔软的材料为基板，因此人们对它的实用化期待很高。 研究人员表示， 通过进一步研究， 有望开发出转换率达 20%、可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。专家相信 , 不久的将来，薄膜材料的太阳能电池将出现在人们的日常生活中。肖特基太阳能电池利用金属－半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池，也称为 MS 太阳能电池，如：铂 / 硅肖特基太阳能电池铝／硅肖特基太阳能电池等其原理是基于金属－半导体接触时，在一定条件下可产生整流接触的肖特基效应目前已发展成为金属－氧化物－半导体（ MOS）结构制成的太阳能电池和金属－绝缘体－半导体（ MIS）结构制成的太阳能电池 这些又总称为导体－绝缘体－半导体（ CIS）太阳能电池半导体物理： 如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候， 一条原子能级就简单地对应于一个能带，那么当温度升高时，晶体体积膨胀，原子间距增大，能带宽度变窄，则禁带宽度将增大，于是禁带宽度的温度系数为正。但是，对于常用的 Si 、 Ge和 GaAs等半导体，在由原子结合而成为晶体的时候，价键将要产生所谓杂化（ s 态与 p 态混合—— sp3 杂化），结果就使得一条原子能级并不是简单地对应于一个能带。 所以， 当温度升高时， 晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的——负的温度系数。电子移动经过 原子核 的 电场 时， 会产生 电磁作用 ． 电子的自旋与这电磁作用的耦合， 形成了自旋 -轨道作用。因自旋与轨道角动量的耦合 ,原来简并的能级分裂成差别很小的能级，产生了光谱的精细结构。原子内部由于带电粒子的运动，会产生磁场即原子的内磁场。电子处在这内磁场中，其自旋磁距与磁场要发生相互作用，由此引起能级的分裂。自旋 - 轨道相互作用是磁相互作用，这种作用较弱，只使原子能级发生细微的改变，而产生精细结构。晶体中的准自由电子是指以真空粒子作为背景的电子它随时随地带着与晶体中其它电子和所有离子间的相互作用， 并具有测不准关系所决定的有限的寿命。在 !k) 态下晶体中准自由电子的速度为一常矢量、加速度为零、动量守恒。故晶体中准自由电子的运动规律与真空中自由电子的运动规律相似