《【精选】硅基太阳能电池的发展及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【精选】硅基太阳能电池的发展及应用（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. 硅基太阳能电池的发展及应用摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。关键词：硅基 太阳能电池 转换效率 1 引言二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破 70亿，能源的需求也在过去 30 年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪
2、开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至 2020 年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比 2005 年下降 40% -45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少 15%左右【6】 。目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】 。 （图 1：太阳能电池的种类） 太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子
3、的价电子受到激发，在 p 区、空间电荷区和 n 区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进 n 区，光生空穴被推进 p 区。因此，在 p-n 结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使 p 型层带正电，n 型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏) 。 图 1 典型的晶体硅太阳电池结构图【6】由于太阳能能源有如此优越的特性，因此，大力发展可再生能源成为了当今世界的热门研究领域，从长远角度来看，在各种可
4、再生能源技术光伏发电自 20 世纪 90 年代后半期进入了快速发展时期，最近 10 年和最近 5 年的太阳电池的年均增长率都达到了爆发性的水平。我国太阳能光伏产业的发展在世界光伏市场的拉动下快速发展起来。2007 年我国太阳电池产量达到了 1088 MW，占世界总产量的27.2%，超过了日本(920 MW)和欧洲(1062.8 MW)，成为世界太阳电池的第一大生产国。到了 2010 年中国光伏电池产量己超过全球总产量的 50%，目前己有数十家公司在海外上市，行业年产值超过 3000亿人民币。太阳能光伏发电技术具有可持续发展的特点;最丰富的资源来源(太阳) 和最洁净的发电过程【4】 。 由于太阳
5、电池研究涉及的学术与技术内容过于广泛，而且据近几年市场数据分析，硅基太阳能电池占太阳能电池总产量的 98%，故本文只对当前生产化主要的硅基太阳能电池材料进行论述。 2 硅基太阳能电池的原理与特点根据硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。本文主要论述以下几种硅基太阳能电池的基本原理：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，微晶硅薄膜太阳能电池。晶体硅的发电过程大致如下：P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N型 硅，形成 P-N 结，当光线照射到硅晶体的表面时，一 部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子， 使电子发生跃迁，成为自由电子
6、，在 P-N 结两侧聚 集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作 用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。2.1 单晶硅太阳能电池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
7、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233。 Kyocera 公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为1944%，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（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达 8.6%。2.1.1 单晶硅的优点和不足单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，虽然其转换效率高，但是
8、制作单晶硅太阳能电池需要大量的高纯度硅材料，且工艺复杂，电耗很大池工艺影响，且太阳能电池组件平面利用率低，致使单晶硅成本价格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。2.2多晶硅太阳能电池目前，太阳能使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶硅颗粒的集合体，或用废弃单晶硅材料和冶金基硅材料熔化浇筑而成，其工艺过程是选择电阻率为100-300 cm 的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1:5 的氢氟酸液混合进行适当的腐蚀，然后用离子水冲洗呈中性，并烘干，用石英坩埚装好许
9、多硅料，加入适当硼硅，放入浇铸炉，在真空状态下加以熔化，熔化后保持约20min,然后注入石墨铸模中，慢慢冷却后即基硅锭，然后切片加工成太阳能电池片，即多晶硅太阳能电池。2.2.1 多晶硅太阳能电池的优点和不足它的成本和单晶硅差不多，其转换约为12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，总的生产成本较低，因此得到了大量发展。2.3 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450 m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价
10、值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD ）工艺。此外，液相外延法（ LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池【3】 。2.3.1多晶硅薄膜太阳能电池的优缺点多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。2.4 非晶硅薄膜太阳能电池非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则
11、，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要 1 m 厚的薄膜就可以吸收 80%的阳光。非晶硅薄膜太阳能电池于 1976 年问世，非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产。由于硅原料不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足，未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，且其效率还会随着光照衰减，导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/晶硅异质结太阳能电池，这种电池不仅
12、继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度，目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为 17 .4%【3】 。2.4.1 非晶硅薄膜太阳能电池优点与缺陷非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比，具有重量轻、工艺简单、成本低、耗能少和便于大规模生产等优点，因此受到人们重视，并得到迅速的发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。虽然非晶硅薄膜太阳能电池得到了广泛的研究和应用。但是，依然存在着很多问题需要去解决:y 光学禁带宽度为 1.7 eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域吸收不敏感，限制了其光电转换效率;(2)光电转换效率随着光照时间
13、的增长而衰弱，即所谓的光致衰退(S W)【2】效应，使得电池性能不稳定;(3)制备过程中，非晶硅的沉积速率较低，影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产;(4)电池组件的后续加工困难，如 Ag 电极的处理问题;(5) 在薄膜沉积过程中存在大量的负面杂质，如 Oz , Nz 和 C 等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。2.5 微晶硅薄膜太阳能电池微晶硅薄膜可采用与非晶硅兼容的技术制备，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅作底电池，形成非晶硅/微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。通过诸多实验室的努力，微晶硅电池自 1994 年被报道以来，转换效率得到明显的提高。目前，单
14、结微晶硅电池的效率已超过 10%，微晶硅薄膜的制备方法有:基于高氢气稀释比，高功率密度的 PECVI技术; 用氢等离子体退火处理 a- Si:H 薄膜;电子回旋共振担 CR)等离子体淀积技术;用热丝法(VV1J 或 Cat)技术【1】 。2.5.1 微晶硅薄膜太阳能电池的优势与不足微晶硅薄膜太阳能电池具有过渡层结构，几乎没有 s-w 效应，稳定性好，可拓展太阳光谱范围，使其转换效率高，具有与非晶硅材料相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点，主要存在的问题就是其生长速率较低的问题，不利于降低制造成本。这将成为今后重点的研究方向。3 主流太阳能电池材料的比较单晶硅太阳能电池是开发得最早、使
15、用最广泛的一种太阳能电池，其结构和生产工艺已定型，产品已广泛应用于空间技术和其它方面单晶硅太阳能电池是由高质量的单晶硅材料制成的.目前，商用晶体硅光伏产品的光转化率约为 20%左右. 由于单品硅材料的制作成木昂贵，而半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转换.是降低成本和提高光子循环的理想材料，非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池可以用玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底.多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太阳电池的激活层。纳米 Ti0:半导体的化学性质稳定.纳米 Ti0:半导体用做太阳能电池材料的原理与硅半导体相
16、同.但 TiO:是宽禁带(3.2eV) 半导体化合物，应用于太阳能电池只有波长较短的太阳光（ 387nm) 才能被吸收.而这部分紫外线(300-400nm)只占到达地面上的太阳光能的4%-6% ，太阳能利用率很低.提高太阳能吸收效率的途径是缩短 Tin:半导体的禁带宽度使其吸收光谱向可见光扩展，可以通过金属离子掺杂、非金属离子注人、半导体复合以及染料敏化等几个方法来缩短Ti0:的禁带宽度。从 20 世纪 70 年代起开始探索一些具有大共扼结构的有机化合物或金属配合物用做太阳能电池材料与无机半导体太阳能电池相比，有机材料制备太阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并且可以在可卷曲折叠的衬底上制备具有柔性的太阳能电池等优点.有机太阳能电池材料主要是一些具有大共扼结构的有机小分子花类化合物、有机染料分子、富勒烯及其衍生物等.有机小分子化合物的主要优势是制备和表征比较简
