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1、太阳能电池技术应用与发展摘 要: 本文介绍了太阳能电池的原理、特点、种类及其发展现状，并预计了未来太阳能电池的发展及应用趋势。关键词: 太阳能电池 光伏效应 薄膜电池The Application and Development of Solar CellsAbstract: In this paper, the principle, characteristics, sorts and present research of solar cells are reviewed.Some important expectations for solar cells development and
2、 its future application trends are given.Key words: solar cells; photovoltaic effect; thin film cells一、引言太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半
3、导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到PN 结区，通过PN 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与PN 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴
4、对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体13。二、 太阳能电池技术优势（1）燃料免费；（2）没有磨损、毁坏或需替换的活动部件；（3）保持系统运转仅需很少的维护；（4）系统为组件，可以在任何地方快速地安装；（5）无噪声、无有害排放和污染气体。三、太阳能电池发展的意义（1) 保护气候；（2) 改善环境；（3) 节省空间；（4) 增加就业；（5) 为农村提供电力；（6) 大力推进普及电力服务，为无电人
5、口提供电力；（7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给。四、 太阳能电池的发展历程第一代：晶硅电池；第二代：薄膜电池； 第三代；聚光太阳能系统（CPV )。五、各类太阳能电池简介1、晶硅电池晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。自1954 年贝尔实验室发表了具备6光电效率的电池后，随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，单晶硅太阳电池发展很快，一直是市场的主角。在电池制作中，一般都要采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，目前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
6、高转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右，最高的达到24，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，它的研究热点包括：开发太阳级多晶硅生产技术、开发快速掺杂和表面处理技术、提高硅片质量、研究
7、连续和快速的布线工艺、多晶硅电池表面织构化技术和薄片化、高效化电池工艺技术等，以进一步降低成本。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约17左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，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。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。多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。2、 薄膜电池目前，进入到规模产业化阶段的第二代电池按吸收层材料可分为以下几大类：非晶、微晶硅(
8、锗)、碲化镉(CdTe)以及铜铟镓硒(CIGS)。其中，铜铟镓硒电池的效率最高，达到20%，但其规模化的生产工艺还在逐渐成熟，而且铟元素的地壳储量很低，长期材料供应可能会有问题。碲化镉电池当前的最高效率是16.7%，相比较而言，碲化镉电池在效率、生产工艺的成本与稳定性、原材料供应等各方面综合性能较均衡，因此其产销量在最近几年增长很快，也是第一个做到生产成本低于1 美元/Wp 的太阳电池技术。2.1 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池碲化镉是II-VI族化合物半导体材料，属于直接禁带类型，禁带宽度约为1.5eV。这一宽度与地面标准太阳能谱(AM1.5)的峰值位置相吻合。理论计算也表明，单结太阳电池要
9、想获得最佳的能量转换效率，其吸收层的禁带宽度应接近1.5eV4。由于碲化镉是直接禁带半导体，其光学吸收系数在1.5eV 以上很快达到104105cm-1 数量级。这些综合特性使得碲化镉成为薄膜太阳电池吸收层的理想候选材料。在碲化镉光伏器件中，碲化镉层一般显示p型导电性，与显示n型导电性的硫化镉(CdS)组成p-n结。这两种材料都无需在沉积过程中外加掺杂，其导电性主要由内缺陷和后期氯化镉(CdCl2)处理过程引入的杂质产生。碲化镉虽然有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是闪锌矿(zinc-blende)型立方晶格结构，晶格常数约为0.648nm。因此碲化镉的能带结构与典型的闪锌矿型半导体(如砷
10、化镓)有许多相通之处，如直接禁带都位于布里渊区里的k=0点。理论计算得出的碲化镉能带结构可参见文献。硫化镉也具有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是六方结构。材料光学性质包括折射率n和消光系数k，也可以用复介电常数e=e1+ie2等效表征：e1=n2-k2 (1)e2=2nk (2)图1给出了宽光谱范围内(0.756.5eV)几种典型碲化镉和硫化镉材料的复介电常数曲线，溅射生长条件参考文献。需要注意的是：碲化镉薄膜电池中的多晶半导体材料晶粒尺寸在纳米到微米量级。在这个范围内，材料光学性质受晶粒尺寸、内应力和空隙度等其他物理特性的影响而变化相当显著。这就是图1a和1b中两条曲线都对应同一化学物
11、质却具有不同光学特性的原因。这和晶粒尺寸或原子排列有序距离的两个极端，即单晶(有序距离无穷大)和非晶(有序距离为零)的情况截然不同。这两种极端材料没有晶粒的概念，光学性质较单一，不像多晶材料那样复介电常数曲线随生长条件不同而变化明显。多晶薄膜的这一特性既给光学检测带来了难度，又为通过光学手段了解薄膜的物理性质带来了机遇。固体材料的光学性质与其微观晶格和能带结构有着密不可分的关系。对某一给定材料，其复介电常数的实部e 1 和虚部e 2 不完全独立，它们通过Kramers-Kronig关系(K-K关系)而联系在一起。从视觉上看，e2 中的每一个峰都对应e1中幅度相当、位于光子能量稍低位置的一个峰。
12、图1中的曲线都满足这一关系。e 曲线中的峰在物理光学中称作“临界点”，它们对应于能带结构中价带顶与导带底局部平行(即斜率相同)的波矢k点。在这些点附近，联合态密度会出现范霍夫奇点，电子跃迁所需的能量几乎相同，因此这一能量对应的光子会被强烈吸收，于是e曲线在这一光子能量上就会出现一个峰。在图1 的光谱范围内，碲化镉有4 个较强的临界点，而硫化镉有3个较强的临界点。其中，它们的E0都对应能带结构中的G点(k=0)；碲化镉的E 1 和E 1+ ? 是一对由轨道自旋相互作用分裂开来的临界点，对应的k都位于方向，在G和L 点之间7；E2 临界点较复杂。碲化镉薄膜的生长条件除了氩气压强在2.550mTor
13、r 范围内变化外，其他沉积条件都保持一样。从图中可以看到：(1) 所有薄膜在沉积初期(体层12nm 厚)都有相对较厚的表面粗糙层。这时沉积下来的碲化镉容易聚成“岛”状而不是平铺成层状，“岛”的高度随氩气压强增加而单调增加；(2) 体层厚度210nm之间，上述分离的岛状沉积体扩大后相互接触，底部变成了连贯的体层，因此表面粗糙层厚度降低；(3) 体层厚度10nm 以上，表面粗糙层的厚度再次增加，而且增加的速率随氩气压强而明显不同。在2.514mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调增加(差别达10倍左右)，而在1450mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调减少。有趣的是，
14、用这套沉积系统制作高效碲化镉电池的最佳氩气压强正是在表面粗糙层厚度发生变化的交界压强14mTorr 附近(1018mTorr)。这其中内在的联系目前还不太清楚。图4 中体层厚度50nm 左右曲线的不连续性，是由于试验中在这个厚度沉积曾暂停下来，以便精确测量薄膜光学性质随温度的变化。在这个过程中一部分碲化镉升华。从这个不连续性也可以看出原位椭偏学的高灵敏度。除了对薄膜厚度的观测以外，原位椭偏学还能充分发挥其对材料表面光学性质的高度敏感而跟踪薄膜表面层的化学成分。例如，在碲化镉电池中，硫化镉层的厚度远小于碲化镉层，它们的界面正是p-n结的位置所在，其性质对整个器件的成败至关重要。原位实时椭偏学的观
15、测表明，在图2对应的生长条件下，如果在硫化镉层上生长碲化镉(衬底朝上型电池，参见图2的上半部分），则硫原子会扩散到碲化镉层，形成CdTe1-xSx。其中x 在碲化镉层生长了10nm 后仍然达到2% 左右；如果生长顺序相反，即在碲化镉层上生长硫化镉(衬底朝下型电池，参见图的下半部分)，碲原子也会扩散到硫化镉层，但其原子比例在硫化镉层达到生长了8nm左右就接近零。由此可见硫原子在碲化镉中的扩散性能要好于碲原子在硫化镉中的扩散性能。图2 碲化镉(下)及硫化镉(上)的临界点宽度随平均散射源距离的分布碲化镉薄膜太阳电池是第二代光伏器件中很有前景的一项技术。理论计算和实验经验都表明，把单结碲化镉电池的能量
16、转换效率提高到20% 左右是完全有可能的3,4。当然，这需要对材料的物理、化学性质和薄膜的生长过程进行更加深入细致的研究。以椭偏学为代表的光学检测手段为这种研究提供了一种独特而有力的工具。2.2 CIGS薄膜太阳电池CIGS 是一种半导体材料，是在通常所称的铜铟硒(CIS)材料中添加一定量的A族Ga元素替代相应的In元素而形成的四元化合物。鉴于添加Ga元素后能适度调宽材料的带隙，使电池的开路电压得到提高，因此，近年来CIGS 反而比CIS 更受关注。为此，本文中描述的CIGS 和CIS 将具有同等意义。单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不可撼动的地位，作为硅太阳电池，只是它诸多的重要应用之一。与硅系太阳电池
