單晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太陽能電池的工作原理及區(qū)別1

1、單晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜太陽能電池的工作原理及區(qū)別 硅太陽能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1。其中基本材料為P型單晶硅，厚度為0.30.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個(gè)PN結(jié)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N區(qū)和P區(qū)形成歐姆接觸，整個(gè)上表面還均勻覆蓋著減反射膜。 當(dāng)入發(fā)射光照在電池表面時(shí)，光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，PN結(jié)空間電荷區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子空穴對(duì)。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過耗盡區(qū)，就對(duì)發(fā)光電壓作出貢獻(xiàn)。光生電子留于N區(qū)，光生空穴留于P區(qū)，在PN結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當(dāng)

2、光伏電池兩端接一負(fù)載后，光電池就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出。 太陽能電池各區(qū)對(duì)不同波長光的敏感型是不同的?？拷攨^(qū)濕產(chǎn)生陽光電流對(duì)短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的510（隨N區(qū)厚度而變），PN結(jié)空間電荷的光生電流對(duì)可見光敏感，約占5 左右。電池基體域產(chǎn)生的光電流對(duì)紅外光敏感，占8090，是光生電流的主要組成部分。2.單晶硅太陽能電池   單晶硅太陽能電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于宇宙空間和地面設(shè)施。這種太陽能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(yīng)用的太陽能電池等采用太陽

3、能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽能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)過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行。這樣就在硅片上形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)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，至此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽能電池

4、組件（太陽能電池板），用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流，最后用框架和封裝材料進(jìn)行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20以上的。用于宇宙空間站的還有高達(dá)50%以上的太陽能電池板。  另外硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋

5、柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，是大值可達(dá)233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為1944%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cmX2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池

6、（5cmX5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。3.多晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽能電池也是圓片，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能電池的研制。目前太陽能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(jí)硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100300歐姆厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。

7、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(yīng)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能電池片，可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽能電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術(shù)得提高，目前多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到14%左右。 與單晶硅太陽能電池相比，多晶硅電池成本低，但也存在明顯缺陷。晶粒界面和晶格錯(cuò)位，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率一直無法突破20%的關(guān)口。而單晶硅電池

8、早在20多年前就已經(jīng)突破20。然而，近年來多晶硅太陽能電池的技術(shù)水平提升很快，其電池轉(zhuǎn)換效率最高已經(jīng)達(dá)到17%以上，組件轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%以上，與單晶硅的差距正逐步減小。最近，德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)發(fā)表公報(bào)說，目前該協(xié)會(huì)下屬的弗賴堡太陽能系統(tǒng)研究所經(jīng)過兩年攻關(guān)，成功開發(fā)出一種新技術(shù)，可以使多晶硅電池的晶格錯(cuò)位等缺陷得到部分解決。其技術(shù)關(guān)鍵是在太陽能電池生產(chǎn)過程中選擇適當(dāng)溫度，使多晶硅的電子性能得到提高，并同時(shí)形成高效率的太陽能電池結(jié)構(gòu)。該所的研究人員已經(jīng)找到了適當(dāng)?shù)臏囟绕胶恻c(diǎn)，既保證太陽能電池高效率所需高溫，又兼顧這一溫度在材料可接受的范圍以及它在工業(yè)生產(chǎn)中的可行性。如果該技術(shù)能夠達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，

9、將進(jìn)一步提高多晶硅太陽能電池產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。4.非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽能電池，它與單晶硅和多晶硅太陽能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。制造非晶硅太陽能電池的方法有多種，最常見的是輝光放電法，還有反應(yīng)濺射法、化學(xué)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(yán)格控制氣壓

10、、流速和射頻功率，對(duì)襯底的溫度也很重要。非晶硅太陽能電池的結(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(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時(shí)，非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，在一個(gè)平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に?，一次制作多個(gè)串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。因?yàn)槠胀ňw硅太陽能電池單個(gè)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)太陽能電池可達(dá)2.4伏。目前非晶硅太陽能電池存在的問題是光

11、電轉(zhuǎn)換效率偏低，國際先進(jìn)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(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。估計(jì)效率衰降問題克服后，非晶硅太陽能電池將促進(jìn)太陽能利用的大發(fā)展，因?yàn)樗杀镜?，重量輕，應(yīng)用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú)立電源。 非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV,使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制

12、備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減小；疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應(yīng)原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電

13、池和疊層太陽能電池。目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進(jìn)展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率為93%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13。上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積（025cm2）電池上取得的。曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過125，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為132。國內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學(xué)的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為828的a

14、Si/aSi疊層太陽能電池。非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。5.薄膜太陽能電池 薄膜太陽電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)m，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%，薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造

15、其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沈積(deposition)技術(shù)，一層又一層地把p-型或n-型材料長上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe.等。 薄膜太陽能電池的種類：非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半導(dǎo)體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized S

16、olar Cell)、有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物).等。 薄膜太陽電池產(chǎn)品應(yīng)用：半透明式的太陽能電池模塊：建筑整合式太陽能應(yīng)用(BIPV) 薄膜太陽能之應(yīng)用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行 薄膜太陽能模塊之應(yīng)用：屋頂、建筑整合式、遠(yuǎn)程電力供應(yīng)、國防 薄膜太陽能電池的特色：1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發(fā)電性佳) 2.照度相同下?lián)p失的功率較晶圓太陽能電池少 3.有較佳的功率溫度系數(shù) 4.較佳的光傳輸 5.較高的累積發(fā)電量 6.只需少量的硅原料 7.沒有內(nèi)部電路短路問題(聯(lián)機(jī)已經(jīng)在串聯(lián)電池制造時(shí)內(nèi)建) 8.厚度較

17、晶圓太陽能電池薄 9.材料供應(yīng)無慮 10.可與建材整合性運(yùn)用(BIPV) 薄膜太陽能電池的種類非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si)、化合物半導(dǎo)體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物).等 發(fā)展趨勢(shì)近年來,業(yè)界對(duì)以薄膜取代硅晶制造太陽能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。

18、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于去年2月已經(jīng)研制出目前世界上太陽能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率已達(dá)到現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽能電池的4倍。此前的有機(jī)薄膜太陽能電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體的薄膜接合在一起，其太陽能到電能的轉(zhuǎn)換率約為1%。新型有機(jī)薄膜太陽能電池在原有的兩層構(gòu)造中間加入一種混合薄膜，變成三層構(gòu)造，這樣就增加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積，從而大大提高了太陽能轉(zhuǎn)換率。 可折疊薄膜的太陽能電池是一種利用非晶硅結(jié)合PIN光電二極管技術(shù)加工而成的薄膜太陽能電池。此系列產(chǎn)品具有柔軟便攜、耐用、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)；可廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、遠(yuǎn)程監(jiān)控/通訊、軍事、野外/室內(nèi)供電等領(lǐng)域。 有機(jī)薄膜太陽能電池

19、使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板，因此人們對(duì)它的實(shí)用化期待很高。研究人員表示，通過進(jìn)一步研究，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)20%、可投入實(shí)際使用的有機(jī)薄膜太陽能電池。專家認(rèn)為,未來5年內(nèi)薄膜太陽能電池將大幅降低成本，屆時(shí)這種薄膜太陽能電池將廣泛用于手表、計(jì)算器、窗簾甚至服裝上。 早在10年前，科學(xué)家就發(fā)明了一種比頭發(fā)還要細(xì)的太陽能電池，由于其所使用的半導(dǎo)體原料遠(yuǎn)較一般太陽能電池為少，因此可解決太陽能電池價(jià)格高昂的問題。后來，研究人員使用稱為CIS的復(fù)合半導(dǎo)體的技術(shù)，將23微米厚的CIS放在玻璃等物料上，制成薄膜太陽能電池。它比傳統(tǒng)以矽制成的太陽能電池薄100倍，實(shí)際上比頭發(fā)還要薄，它亦較輕和使用較少半導(dǎo)體

20、物料，售價(jià)因此較便宜并可大量生產(chǎn)。 傳統(tǒng)的矽電池需大量半導(dǎo)體物料，價(jià)格昂貴，因此無法普及，而且由于較笨重，其應(yīng)用范圍受限制。薄膜電池卻只需要將廉價(jià)物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可，價(jià)錢便宜而且輕便。 有機(jī)薄膜太陽能電池使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板，因此人們對(duì)它的實(shí)用化期待很高。研究人員表示，通過進(jìn)一步研究，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)20%、可投入實(shí)際使用的有機(jī)薄膜太陽能電池。專家相信,不久的將來，薄膜材料的太陽能電池將出現(xiàn)在人們的日常生活中。肖特基太陽能電池利用金屬半導(dǎo)體界面的肖特基勢(shì)壘而構(gòu)成的太陽能電池，也稱為 MS 太陽能電池，如：鉑 / 硅肖特基太陽能電池鋁硅肖特基太陽能電池等其原理是基于金屬