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構如圖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)，構成一個PN結。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，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。 當入發(fā)射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，PN結空間電荷區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子空穴對。各區(qū)中的光生載流子如果在復合前能越過耗盡區(qū)，就對發(fā)光電壓作出貢獻。光生電子留于N區(qū)，光生空穴留于P區(qū)，在PN結的兩側形成正負電荷的積累，產生光生電壓，此為光生伏打效應。當

2、光伏電池兩端接一負載后，光電池就從P區(qū)經負載流至N區(qū)，負載中就有功率輸出。 太陽能電池各區(qū)對不同波長光的敏感型是不同的?？拷攨^(qū)濕產生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的510（隨N區(qū)厚度而變），PN結空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5 左右。電池基體域產生的光電流對紅外光敏感，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前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，它的構成和生產工藝已定型，產品已廣泛用于宇宙空間和地面設施。這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求99.999。為了降低生產成本，現(xiàn)在地面應用的太陽能電池等采用太陽

3、能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過復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散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在硅片上形成PN結。然后采用絲網印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經過燒結，同時制成背電極，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。單體片經過抽查檢驗，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)的方法構成一定的輸出電壓和電流，最后用框架和封裝材料進行封裝。用戶根據系統(tǒng)設計，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換效率為15左右，實驗室成果也有20以上的。用于宇宙空間站的還有高達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換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的?，F(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化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，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。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領先水平。該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。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合通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉化效率超過23%，是大值可達233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為1944%，國內北京太陽能研究所也積極進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）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池

6、（5cmX5cm）轉換效率達8.6%。3.多晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池的生產需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽能電池生產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，經破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當?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，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術得提高，目前多晶硅的轉換效率也可以達到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。晶粒界面和晶格錯位，造成多晶硅電池光電轉換效率一直無法突破20%的關口。而單晶硅電池

8、早在20多年前就已經突破20。然而，近年來多晶硅太陽能電池的技術水平提升很快，其電池轉換效率最高已經達到17%以上，組件轉換效率可達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)會發(fā)表公報說，目前該協(xié)會下屬的弗賴堡太陽能系統(tǒng)研究所經過兩年攻關，成功開發(fā)出一種新技術，可以使多晶硅電池的晶格錯位等缺陷得到部分解決。其技術關鍵是在太陽能電池生產過程中選擇適當溫度，使多晶硅的電子性能得到提高，并同時形成高效率的太陽能電池結構。該所的研究人員已經找到了適當?shù)臏囟绕胶恻c，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)生產中的可行性。如果該技術能夠達到產業(yè)化應用，

9、將進一步提高多晶硅太陽能電池產品的競爭力。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，還有反應濺射法、化學氣相沉積法、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，主要取決于嚴格控制氣壓

10、、流速和射頻功率，對襯底的溫度也很重要。非晶硅太陽能電池的結構有各種不同，其中有一種較好的結構叫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，在生產中構成連續(xù)程序，以實現(xiàn)大批量生產。同時，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，在一個平面上，用適當?shù)难谀９に嚕淮沃谱鞫鄠€串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。因為普通晶體硅太陽能電池單個只有0.5伏左右的電壓，現(xiàn)在日本生產的非晶硅串聯(lián)太陽能電池可達2.4伏。目前非晶硅太陽能電池存在的問題是光

11、電轉換效率偏低，國際先進水平為10左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉換效率衰降的現(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，如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。估計效率衰降問題克服后，非晶硅太陽能電池將促進太陽能利用的大發(fā)展，因為它成本低，重量輕，應用更為方便，它可以與房屋的屋面結合構成住戶的獨立電源。 非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV,使得材料本身對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換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應，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層單結太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩(wěn)定性的關鍵問題在于：它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減小；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，其中包括反應濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應原料氣體為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過不同的電池工藝過程可分別制得單結電

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展：第一、三疊層結構非晶硅太陽能電池轉換效率達到13，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產能力達5MW。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結太陽能電池最高轉換效率為93%，三帶隙三疊層電池最高轉換效率為13。上述最高轉換效率是在小面積（025cm2）電池上取得的。曾有文獻報道單結非晶硅太陽能電池轉換效率超過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換效率為132。國內關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換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產品之一。5.薄膜太陽能電池 薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產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)，目前轉換效率最高以可達13%，薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓性可以制作成非平面構造

15、其應用范圍大，可與建筑物結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，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)、化合物半導體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized S

16、olar Cell)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物).等。 薄膜太陽電池產品應用：半透明式的太陽能電池模塊：建筑整合式太陽能應用(BIPV) 薄膜太陽能之應用：隨身折迭式充電電源、軍事、旅行 薄膜太陽能模塊之應用：屋頂、建筑整合式、遠程電力供應、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.沒有內部電路短路問題(聯(lián)機已經在串聯(lián)電池制造時內建) 8.厚度較

17、晶圓太陽能電池薄 9.材料供應無慮 10.可與建材整合性運用(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)、化合物半導體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物).等 發(fā)展趨勢近年來,業(yè)界對以薄膜取代硅晶制造太陽能電池在技術上已有足夠的把握。

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

19、使用塑料等質輕柔軟的材料為基板，因此人們對它的實用化期待很高。研究人員表示，通過進一步研究，有望開發(fā)出轉換率達20%、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。專家認為,未來5年內薄膜太陽能電池將大幅降低成本，屆時這種薄膜太陽能電池將廣泛用于手表、計算器、窗簾甚至服裝上。 早在10年前，科學家就發(fā)明了一種比頭發(fā)還要細的太陽能電池，由于其所使用的半導體原料遠較一般太陽能電池為少，因此可解決太陽能電池價格高昂的問題。后來，研究人員使用稱為CIS的復合半導體的技術，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，實際上比頭發(fā)還要薄，它亦較輕和使用較少半導體

20、物料，售價因此較便宜并可大量生產。 傳統(tǒng)的矽電池需大量半導體物料，價格昂貴，因此無法普及，而且由于較笨重，其應用范圍受限制。薄膜電池卻只需要將廉價物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可，價錢便宜而且輕便。 有機薄膜太陽能電池使用塑料等質輕柔軟的材料為基板，因此人們對它的實用化期待很高。研究人員表示，通過進一步研究，有望開發(fā)出轉換率達20%、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。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體界面的肖特基勢壘而構成的太陽能電池，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