《多晶硅非晶硅太阳能电池的区别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多晶硅非晶硅太阳能电池的区别（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池的区别太阳能（Solar Energy）, 一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生 物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的 方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利 用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广 义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能电池最早问世的是单晶硅太阳能电池。硅是地球上极丰富的一种元素，几乎遍地都有硅的存在， 可说是取之不尽，用硅来制造太阳能电池，原料可谓不缺。但是提炼
2、它却不容易，所以人们在生产单晶硅 太阳能电池的同时，又研究了多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，至今商业规模生产的太阳能电池， 还没有跳出硅的系列。其实可供制造太阳能电池的半导体材料很多，随着材料工业的发展、太阳能电池的 品种将越来越多。目前已进行研究和试制的太阳能电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许 多类型的太阳能电池，举不胜举，以下介绍几种较常见的太阳能电池。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
3、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，
4、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。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
5、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100300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，
6、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。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
7、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，
8、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。在猛烈阳光底下，单晶体式太阳能电池板较非晶体式能够转化多一倍以上的太阳能为电能，但可惜 单晶体式的价格比非晶体式的昂贵
9、两三倍以上，而且在阴天的情况下非晶体式反而与晶体式能够收集到差 不多一样多的太阳能。非晶硅太阳能电池之所以受到人们的关注和重视，是因为它具有如下诸多的优点： 1.非晶硅具有较高的光吸收系数.特别是在0.3-0.75um的可见光波段，它的吸收系 数比单晶硅要高出一个数量级.因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍 左右，用很薄的非晶硅膜（约1um厚）就能吸收90%有用的太阳能.这是非晶硅材料 最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素.0-2 0-4 D, 6 -0.011- 2 L 4 L fi 1. g慕些半导怵材料的光吸收蔡数2.非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不
10、同约在1.5-2.0 eV的范围内变化, 这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高.3制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短,适于大批生产制作单晶硅电 池一般需要1000度以上的高温，而非晶硅电池的制作仅需200度左右.4由于非晶硅没有晶体硅所需要的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考 虑的材料与衬底间的晶格失配问题因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价 的玻璃衬底，并且易于实现大面积化.5制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短 很多：Q20oQI005一慕用电h廿算机控制 m J J m l_nf rlr I tn in If 1- I-1
11、I f n Itr 采用连鮫in轉炉19.3年M平14半4-S1太m孔沽厂二二一亠髓輩回收年墩T-1-5年甜下刹站斤阳太阳电池所必顶帆电膽阳能昼回強年数非晶硅太阳电池是20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池，与其他太阳电池相 比，非晶硅电池具有以下突出特点:1) .制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作pin结构。2) .可连续、大面积、自动化批量生产。3) .非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。4) .可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。5) .薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。1.非晶硅
12、太阳电池的结构、原理及制备方法 y*,1ICOpi1苹出GTOOP1nJSi卩)图1非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图1所示。为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状， 如图2所示。国际上采用的标准条宽约1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串 连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联 电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电 池。酣2 “晶硅丈阳电池组件1.1工作原理非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。
13、当太阳光照射到电池上时，电池吸收 光能产生光生电子一空穴对，在电池内建电场vb的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂 移到P边，电子漂移到N边，形成光生电动势VL, VL与内建电势vb相反，当VL = Vb时，达 到平衡；IL = 0, VL达到最大值，称之为开路电压Vc ;当外电路接通时，贝9形成最大光电流，称 之为短路电流Isc，此时vL= 0；当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流ILo其I-V 特性曲线见图3-he非晶硅太阳电池的转换效率定义为:Pi是光入射到电池上的总功率密度，Isc是短路电流密度，FF为电池的填充因子，Vc为开路 电压，Im和vm分别是电池在最大输出功率密
14、度下工作的电流密度和电压。目前，子电池的开路电压约在0.8V0.9V之间，Isc达到13mA/cm2, FF在0.7-0.8之间，n达到 12%以上。由于太阳光谱中的能量分布较宽，主要部分由0.3pm1.5pm的波长范围组成。现有的任何一 种半导体材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子，即只能在一有限波段转换太阳能量，故 单结太阳电池不可能完全有效地利用太阳能。采用分波段利用太阳能光谱的叠层电池结构则 是有效提高光电转换效率的有效方法之一，而且也是主要趋势。叠层太阳电池的结构见图L 目前常规的叠层电池结构为 a-Si/a-SiGe, a-Si/a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/a
15、-SiGe, a-SiC/a-Si/a-SiGeTCO-r卜铝 电极11(a)12非晶硅太阳电池的制备图5是非晶硅太阳能电池制备方法示意图，把硅烷(SiH4)等原料气体导入真空度保持在10lOOOPa的反应室中，由于射频(RF)电场的作用,产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃 或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。此时如果原料气体中混入硼烷fB2H6 )即能生成P 型非晶硅，混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。仅仅用变换原料气体的方法就可生成pin结， 做成电池。为了得到重复性好、性能良好的太阳电池，避免反应室内壁和电极上残存的杂质 掺入到电池中，一般都利用隔离的连续等离子反应制造装置，即p,i,n各层分别在专用的反应 室内沉积。Il层沉积帑i层沉积室P层沉枳窒RI5 非晶硅太阳电池的制备2非晶硅太阳电池的应用非晶硅太阳电池的应用市场有两个方面：一个是弱光电池市场，如计算器、手表等荧光下工 作的微功耗电子产品；二是电源及功率应用领域。如太阳能收音机、太阳帽、庭园灯、微波中继站、航空航海信号灯、气象监测及光伏水泵、户用 电源等。随着非晶硅电池稳定效率的不断提高以及生
