太阳能电池的工作原理及种类

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1、太阳能电池的工作原理及种类1 太阳电池概述进入 21 世纪，环境和能源问题是当前整个国际社会所共同面临 的两大问题。随着世界人口增长、经济发展，人类社会活动对能源的 需求越来越大。根据国际能源署的预测，在未来的近30 年间，全球 一次能源需求年平均增幅达到1.7%，到 2030 年时，年需求量将达到 153 亿吨石油当量。特别是近几年来，能源，特别是石油短缺问题越 来越突出，由此引发了许多国际和社会争端。为了保持整个社会生产 的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们逐渐把关注的重点转移 到新能源的开发和利用上。新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包 括太阳能、生物质能、水能、

2、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐 能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、 酒精、甲醇等。而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源。 有人将原子核能和太阳能称为21世纪的能源。利用太阳能进行光热、 光电转换，开发太阳电池成为解决世界范围内的能源危机和环境污染 的重要途径。制造出廉价、高效、低成本的太阳电池，大规模利用太 阳能一直是科学家追求的目标。太阳能是来自于太阳内部核聚变所释放的能量。据粗略统计，太 阳的发光度，即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4x1026/s。其 中向地球输送的光和热可达2.5x1018 cal/min,相当于燃烧4x108 t 烟煤所产生的能

3、量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类 现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。所以，如何高效并且低 成本的利用太阳能一直是近年来的研究热点。1.1 太阳电池的工作原理太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。 太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能 后发生光电子转换，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电 池器件其实就是一个大面积的 PN 结。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区 域里会形成一个特殊的薄层界面，界面的P型一侧带负电，N型一侧 带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现 了浓度差。N区的

4、电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一 旦扩散就形成了一个由 N 指向 P 的内建电场，从而阻止扩散进行。 达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是 PN 结（图 2）。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光 子在PN结两边的P区和N区发生本征吸收，从而激发产生很多的电 子-空穴对即光生载流子， PN 结界面附近的电子和空穴在复合之前， 将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的 N 区运动使得 N 区电子富集，空穴向带负电的P区运动使得P区空穴富集。整个PN 结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当PN结材料两端连 接成回路时，电路中出现电流（图3）。

5、通过光照产生的电动势越大， 回路中电流越大。1.2 太阳电池发展历程太阳电池的发展历程可追溯到 19世纪 30年代， 1893年法国实 验物理学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。 1883 年美国发明家 Charles Fritts 描述了第一块硒太阳电池的原理， 他在一个金属衬底上先将Se膜融化成片，再将Au片作顶电极压在 Se片上，制出了第一个大面积（30 cm2）的太阳电池。1930年朗格 （Longer）首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能 变成电能。1954 年对于太阳电池的发展是划时代的一年。这一年美国贝尔 实验室皮尔森（Pear

6、son）偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅pn 结会产生一个电压的物理现象。经过对这种光伏现象的研究， 1954年 底首次发表单晶硅太阳电池效率达6%的报道，开启了 pn”结型电池的 新时代，直至今日“pn”电池仍然占据光伏事业的绝对地位。1958 年美国信号部队的 T.Mandelkorn 制成 pn 型单晶硅光伏电 池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；同年，Hoffman 电子的单晶硅电池效率达到 9% ；第一个光伏电池供电的卫星先锋 1 号发射，光伏电池100 cm2, 0.1 W,为一备用的5 mW话筒供电。1959 年 Hoffman 电子实现可商业化单晶硅电池效率达到 1

7、0%， 并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发 射，共用9600片太阳电池列阵，每片2 cm2，共20 W。1980年第 一个效率大于 10%的 CuInSe 电池在美国制出；效率达8%的非晶硅太 阳电池由RCA的Carlson研制出来，树立了非晶硅电池的里程碑。1985 年是高效 Si 电池的大年：由澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)报道了在一个标准太阳下Si电池效率大于20%，美国 Stanford 大学给出了在 200 个太阳下聚光电池效率大于 25%的报道。 1994年美国NREL发布GalnP/GaAs两端聚光多结电池效率大于30%。 1996年瑞士诺桑Grat

8、zel的“染料敏化”固/液电池效率达11%。1998年 美国NREL宣称薄膜CuInSe电池效率达19%，第一个GaInP/GaAs/Ge 三结聚光电池宣布在1号空间站上应用。进入 21 世纪以来，单晶硅电池的效率增长缓慢，最高纪录徘徊 在25%上下。这个时候，澳大利亚新南威尔士大学的马丁格林(Martin Green)教授提出了“第三代”电池的理念。要用全新的概念，采用清洁 的、绿色环保技术的制造技术，达到电池的高效率与新概念、新材料、 新技术并举。一种量子点型的太阳电池理论转换效率可达 60%以上， 是备受瞩目的未来高效太阳电池的候选技术之一。真正意义上的光伏时代源于 1954 年贝尔实验

9、室发明的 pn 结太 阳电池。2002年世界累计建立光伏电站达2 GW。从1954年光伏电 池出现，第一个累计1 GW电站的建立，前后花了 25年的时间，而 第二个1 GW，仅用了 3年时间。预计今后10 年,太阳能光电工业还 将以 20%-30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一2 太阳电池的种类一般来说太阳电池可分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，新型太 阳电池。2.1 硅基太阳电池这一代电池发展最长久技术也最成熟，具体又可分为，单晶硅太 阳电池(Monocrystalline Silicon)、多晶硅太阳电池(Polycrystalline Silicon)。2.1.1 单晶硅

10、太阳电池硅基太阳电池中，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。现在单晶硅电池工艺已近成熟，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 厚度为 13 nm 的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合；同时改进 了的电镀过程，增加栅极的宽度与高

11、度的比率，通过以上工艺制得的 电池转化效率超过23%,最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面 积(225 cm2)单晶太阳电池转换效率为19.44%。国内北京太阳能研 究所也积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发，研制的平面高效 单晶硅电池(2 cmx2 cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体 硅电池(5 cmx5 cm)转换效率达8.6%。单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的,已经接近它的理论值。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价 格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅电池成本居高不下,要 想大幅度降低其成本现在是非常困难的。2.1.2 多晶

12、硅太阳电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向 不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。 多晶硅太阳电池是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及 非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转 换效率一般目前为15%-17%，据悉在SNEC第四届（2010 ）国际太阳 能光伏大会暨（上海）展览会上，无锡尚德展出的多晶硅太阳电池的 效率已达到 17.5%，这稍低于单晶硅太阳电池，但其没有明显效率衰 退问题，并且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。单晶硅太

13、阳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，在太阳电池生产总成本中已超二分之一。 对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（ 100）表面制作金 字塔状的绒面结构，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离（ 100）面， 采用上面的方法无法做出均匀的绒面。2.2 薄膜太阳电池 薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体太阳电池具有更大的优势： 一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制 备和电池同时形成，因此节省了许多工序。薄膜太阳电池按材料可分 为薄膜硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池。 其中薄膜硅太阳电池主要有非晶硅（a-Si）、微晶硅（y

14、c-Si： H）和多 晶硅（p-Si）薄膜太阳电池；新型无机多元化合物薄膜太阳电池材料 主要包括砷化镓（GaAs） III V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）及铜铟硒薄膜电池等。本文主要介绍几种主要的薄膜太阳电 池。2.2.1 非晶硅薄膜太阳电池 非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种 不定形晶体结构的半导体。非晶硅薄膜太阳电池于1976 年问世，其 原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市 场前景。非晶硅属于直接带系材料，它具有较高的光吸收系数，在0.4- 0.75ym 的可见光波段，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，比 单晶硅对太阳能辐

15、射的吸收率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（约 1ym厚）就能吸收约80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用 中对低光强有较好的适应，特别适用于制作室内用的微低功耗电源， 这些都是非晶硅材料重要的特点，也是它能够成为低价太阳电池的重 要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要 求，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 在较低的温度（200C。左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜 和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单，单片电池面积大，便于工业化 大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成本。另外，非 晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在

16、1.5-2.0eV的范 围内变化，这样制成的非晶硅太阳电池的开路电压高。同时，还适合 在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池，可做成半透明的电池组件，直 接用做幕墙和天窗玻璃，从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总的 来说，非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批 量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。由于非晶硅半导体材料（a-Si）最基本的特征是组成原子的排列 为长程无序、短程有序，原子之间的键合类似晶体硅，形成的是络结 构。它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此载流子迁移率 低、扩散长度小、寿命短，所以这种材料是不适合直接做成半导体器 件的。为了降低非晶硅中缺陷态密度，使之成为有用的光电器件，人 们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿， 形成硅氢键，降低了隙态密度。1976 年研究人员成功实现了对非晶 硅材料的p型和n型掺杂，实现了 a-Si-pn结的制作。但这种氢化非晶硅 pn 结不稳定，而