太陽電池基本知識

最早問世的太陽電池是單晶硅太陽電池。硅是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有硅的存在，可說是取之不盡。用硅來制造太陽電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易，所以人們在生產(chǎn)單晶硅太陽電池的同時，又研究了多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池，至今商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的太陽電池，還沒有跳出硅的系列。其實可供制造太陽電池的半導體材料很多，隨著材料工業(yè)的發(fā)展、太陽電池的品種將越來越多。目前已進行研究和試制的太陽電池，除硅系列外，還有硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等許多類型的太陽電池，舉不勝舉，以下介紹幾種較常見的太陽電池。



單晶硅太陽電池



單晶硅太陽電池是當前開發(fā)得最快的一種太陽電池，它的構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999％。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應用的太陽電池等采用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。



將單晶硅棒切成片，一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽電池片，首先要在硅片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就硅片上形成P？／FONT》N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，精配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，單晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件（太陽電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和裝材料進行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣，亦稱太陽電池陣列。目前單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15％左右，實驗室成果也有20％以上的。



多晶硅太陽電池



晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶硅太陽電池的研制。



目前太陽電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100～300歐姆·厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混臺液進行適當?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加人適量硼硅，放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應保溫約20分鐘，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材制利用率和方便組裝。多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12％左右，稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。



非晶硅太陽電池



非晶硅太陽電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。



制造非晶硅太陽電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空，充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷，用射頻電源加熱，使硅烷電離，形成等離子體。非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。這種制備非晶硅薄膜的工藝，主要取決于嚴格控制氣壓、流速和射頻功率，對襯底的溫度也很重要。



非晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)有各種不同，其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PIN電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅，再沉積一層未摻雜的I層，然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。此種制作工藝，可以采用一連串沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時，非晶硅太陽電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，在一個平面上，用適當?shù)难谀９に?，一次制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。因為普通晶體硅太陽電池單個只有0.5伏左右的電壓，現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽電池可達2.4伏。目前非晶硅太陽電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國際先進水平為10％左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象，所以尚未大量用于作大型太陽能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。估計效率衰降問題克服后，非晶硅太陽電池將促進太陽能利用的大發(fā)展，因為它成本低，重量輕，應用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨立電源。



多元化合物太陽電池



多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導體材料制成的太陽電池?，F(xiàn)在各國研究的品種繁多，雖然大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，但預示著光電轉(zhuǎn)換的滿園春色?，F(xiàn)在簡要介紹幾種：



（1）硫化鎘太陽電池－－早在1954年雷諾茲就發(fā)現(xiàn)了硫化鎘具有光生伏打效應。1960年采用真空蒸鍍法制得硫化鎘太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率為3.5％。到1964年美國制成的硫化鎘太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率提高到4％～6％。后來歐洲掀起了硫化鎘太陽電池的研制高潮，把光電效率提高到9％，但是仍無法與多晶硅太陽電池競爭。不過人們始終沒有放棄它，除了研究燒結(jié)型的塊狀硫化鎘太陽電池外，更著重研究簿膜型硫化鎘太陽電池。它是用硫化亞銅為阻擋層，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，按硫化鎘材料的理論計算，其光電轉(zhuǎn)換效率可達16.4％。中國科學院長春應用化學研究所于80年代初曾把薄膜硫化鎘太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率做到7.6％。盡管非晶硅薄膜電池在國際上有較大影響，但是至今有些國家仍指望發(fā)展硫化鎘太陽電池，因為它在制造工藝上比較簡單，設(shè)備問題容易解決。



（2）砷化鎵太陽電池－－砷化鎵是一種很理想的太陽電池材料，它與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30％，特別適合做高溫聚光太陽電池。已研究的砷化鎵系列太陽電池有單晶砷化鎵、多晶砷化鎵、鎵鋁砷－－砷化鎵異質(zhì)結(jié)、金屬－－半導體砷化鎵、金屬－－絕緣體－－半導體砷化鎵太陽電池等。砷化鎵材料的制備類似硅半導體材料的制備，有晶體生長法、直接拉制法、氣相生長法、液相外延法等。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽電池的發(fā)展受到影響。



（3）銅銦硒太陽電池－－以銅、銦、硒三元化合物半導體為基本材料制成的太陽電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu)，一般采用真空鍍膜、電沉積、電泳法或化學氣相沉積法等工藝來制備，材料消耗少，成本低，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率在10％以上。因此是一種可與非晶硅薄膜太陽電池相競爭的新型太陽電池。近來還發(fā)展用銅銦硒薄膜加在非晶硅薄膜之上，組成疊層太陽電池的可能，借此提高太陽電池的效率，并克服非晶硅光電效率的衰降