太陽(yáng)能電池的分類

太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、IIIV族(GaAs,lnP等)、IIW族(Cds系)和磷化鋅(Zn3p2)等。太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池還可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池，其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，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(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。

砷化鎵(GaAs)HI-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。銅銦硒薄膜電池(簡(jiǎn)稱CIS)適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來(lái)源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池以有機(jī)聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來(lái)源廣泛，成本底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。納米晶太陽(yáng)能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5?1/10.壽命能達(dá)到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池，顧名思義，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽(yáng)能電池。大家對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽(yáng)能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無(wú)機(jī)材料制成的。晶硅太陽(yáng)能電池的種類及特點(diǎn)太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，許多材料都可以用來(lái)做太陽(yáng)能電池，因而太陽(yáng)能電池的種類很多。一般希望太陽(yáng)能電池具有以下特性：?轉(zhuǎn)換效率高；?制造能耗少；?制造成本低；?原材料豐富；?電池使用壽命長(zhǎng)；

?無(wú)公害；下面就主要的幾種太陽(yáng)能電池進(jìn)行介紹，包括它們的制備、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。一、單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)：?作為原料的硅材料在地殼中含量豐富，對(duì)環(huán)境基本上沒有影響。?單晶制備以及pn結(jié)的制備都有成熟的集成電路工藝作保證。?硅的密度低，材料輕。即使是50ym以下厚度的薄板也有很好的強(qiáng)度。?與多晶硅、非晶硅比較，轉(zhuǎn)換效率高。?電池工作穩(wěn)定，已實(shí)際用于人造衛(wèi)星等方面，并且可以保證20年以上的工作壽命。單晶硅太陽(yáng)能電池因?yàn)橘Y源豐富，轉(zhuǎn)換效率高，所以是現(xiàn)在開發(fā)得最快的太陽(yáng)能電池。但因其制造工藝復(fù)雜，需消耗大量的能源，所以有成本高，能源回收周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。能源回收期=制造太陽(yáng)能電池所需的能量/太陽(yáng)能電池一年產(chǎn)生的電能1、 如何制備單晶硅材料Togetsiliconinsingle-crystalstate,wefirstmeltthehigh-puritysilicon.Wethencauseittoreformveryslowlyincontactwithasinglecrystal"seed."Thesiliconadaptstothepatternofthesinglecrystalseedasitcoolsandsolidifiesgradually.Notsuprisingly,becausewestartfroma"seed,"thisprocessiscalled"growing"anewingotofsingle-crystalsiliconoutofthemoltensilicon.Severalspecificprocessescanbeusedtoaccomplishthis.ThemostestablishedanddependablemeansaretheCzochralskimethodandthefloating-zone(FZ)technique.CzochralskiprocessThemostwidelyusedtechniqueformakingsingle-crystalsiliconistheCzochralskiprocess.IntheCzochralskiprocess,seedofsingle-crystalsiliconcontactsthetopofmoltensilicon.Astheseedisslowlyraised,atomsofthemoltensiliconsolidifyinthepatternoftheseedandextendthesingle-crystalstructure.2、 單晶硅太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程在得到硅單晶片后，就可以開始制備太陽(yáng)能電池。其中pn結(jié)的形成可采用POC13的氣相擴(kuò)散法,TiO2或SiO2、P2O5的涂敷擴(kuò)散法以及直接摻雜P+的離子注入法等。由于其制造過(guò)程復(fù)雜、電能耗費(fèi)大，所以成本較高，目前正在研究用自動(dòng)化、連續(xù)化使成本下降.三紫外光太陽(yáng)能電池紫外光太陽(yáng)能電池是為了防止太陽(yáng)能電池的表面（受光面）由于載流子的復(fù)合而使效率減小的電池。常規(guī)制備的電池是用普通擴(kuò)散法制造的pn結(jié)硅太陽(yáng)能電池，其結(jié)深約0.5ym，擴(kuò)散電阻R約為350/左右，以n+p結(jié)為例，n+磷擴(kuò)散雜質(zhì)分布不是典型的余誤差函數(shù)分布，在表面附近具有幾乎恒定的濃度，其值取決于在磷擴(kuò)散溫度下磷在硅中的固溶度。因而表面是極薄的重?fù)诫s層。由于重?fù)诫s效應(yīng)及嚴(yán)重的晶格缺陷和畸變，使該層少子壽命極低，所以稱該層為“死層”。通常一次擴(kuò)散的結(jié)越深，則“死層”越厚。一般太陽(yáng)能電池n+層的厚度在0.3-0.5卩m,當(dāng)用化學(xué)腐蝕法使膜厚變?yōu)?.1-0.2卩m,就能減少“死層”，防止在n+層表面附近的載流子的復(fù)合，提高光生空穴的收集幾率，使轉(zhuǎn)換效率提高。這就是紫外光太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，即采用“淺結(jié)”技術(shù)。四無(wú)反射太陽(yáng)能電池通信衛(wèi)星無(wú)反射太陽(yáng)能電池，即CNR（ComsatNonReflectiveSolarCell）電池，具有防止光在太陽(yáng)能表面反射而使效率減小的結(jié)構(gòu)。下面我們來(lái)介紹一些防反射技術(shù)。減少表面光學(xué)反射的技術(shù)我們已經(jīng)介紹過(guò)，硅對(duì)入射太陽(yáng)光的反射損失高達(dá)30%以上。為了提高轉(zhuǎn)換效率，減少這種反射損失，可以采用以下技術(shù)：第一類是采用減反膜技術(shù)。硅太陽(yáng)能電池常用的單層減反膜有SiO2、Ta2O5、Nb2O5、TiOx等。雙層減反膜可以用Ta2O5、TiO2等薄膜。第二類是在（100）硅片的進(jìn)光面上，采用各向異性化學(xué)腐蝕，制得特殊表面結(jié)構(gòu)：如絨面、微槽面等。絨面或V型槽結(jié)構(gòu)是用化學(xué)腐蝕方法在電池表面上得到許多有極小（1-2微米）的金字塔狀或V型的凹凸層，在這種微結(jié)構(gòu)表面上，入射光受表面第一次反射后，又得到第二次入射進(jìn)硅襯底的機(jī)會(huì)，提咼了光能利用率。CNR太陽(yáng)能電池的最咼轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%。背面反射鏡技術(shù)背面反射鏡技術(shù)（BackSurfaceReflector，簡(jiǎn)稱BSR）是在n+p太陽(yáng)能電池的里面用鋁等金屬作成鏡面反射鏡，這樣使長(zhǎng)波長(zhǎng)的光不會(huì)透射出電池。其效果還是相當(dāng)明顯的。表面鈍化技術(shù)1984年，澳大利亞的研究小組研制出了轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.7%的金屬-超薄絕緣層-np結(jié)（Metal-Insulator-npJunction，簡(jiǎn)稱MINP）硅太陽(yáng)能電池和轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.1%的鈍化發(fā)射極（PassvatedEmitterSolarCell簡(jiǎn)稱PESC）硅太陽(yáng)能電池。MINP光電池：通常的電池光電流收集電極金屬與半導(dǎo)體直接結(jié)合，這樣，在半導(dǎo)體表面復(fù)合幾率增大。MINP結(jié)構(gòu)中引入了2-3納米厚的極薄SiO2層，使得在n+表面的光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合減少。同時(shí)，由于氧化膜很薄，電流可以通過(guò)隧穿效應(yīng)流過(guò)，所以對(duì)短路電流的影響很小。PESC光電池：PESC電池的構(gòu)造基本上與MINP的構(gòu)造相似，只是在表面電極的構(gòu)造上略有區(qū)別。硅襯底是用高質(zhì)量的摻B的低電阻率FZ-Si片，然后在800-950度下進(jìn)行磷擴(kuò)散，形成淺結(jié)。在其上再形成10納米厚的SiO2層作為鈍化層起到防止光生載流子復(fù)合的作用。為了避免隧穿效應(yīng)的影響，在鈍化層中利用光刻技術(shù)刻出一個(gè)個(gè)接觸微窗(小于接觸電極面積)，使金屬與n+-Si直接接觸以提高光電流的收集效率。同時(shí)也可減少金屬電極的覆蓋率。鈍化發(fā)射極和背面定域擴(kuò)散硅太陽(yáng)能電池：在上述PESC電池的基礎(chǔ)上，人們又提出了一種雙面鈍化的鈍化發(fā)射極和背面定域擴(kuò)散硅太陽(yáng)能電池，即PERL(PassivatedEmitterandRearLocalDiffused)硅太陽(yáng)能電池。在這種電池結(jié)構(gòu)中，為了進(jìn)一步減少受光面的界面復(fù)合和光學(xué)損失，采用了倒金字塔型減反結(jié)構(gòu)，并在其上加上極薄SiO2層，再在其上覆蓋雙層減反膜以達(dá)到最佳減反效果。同時(shí)，在里電極上也加入極薄氧化層進(jìn)行鈍化以減弱背面復(fù)合，在鈍化膜上刻出引入電極的窗口，利用窗口進(jìn)行定域B擴(kuò)散形成背電場(chǎng)，再將電極金屬覆蓋上形成PERL電池。這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池達(dá)到了單晶硅太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率，在AM1.5的光照下效率可達(dá)24%左右。點(diǎn)接觸型太陽(yáng)能電池：1986年美國(guó)的研究小組設(shè)計(jì)并研制出點(diǎn)接觸型太陽(yáng)能電池，它是目前世界上效率最高的硅聚光電池，在100個(gè)太陽(yáng)照度下，轉(zhuǎn)換效率達(dá)27.5%。在這種電池結(jié)構(gòu)中，有以下特點(diǎn)：1、 采用高電阻(100-400歐姆厘米)的摻B區(qū)熔p-Si單晶片。比常規(guī)低電阻率硅材料有更好的晶體完整性和更高的少子壽命值。高阻材料引起的電池體電阻增大，可由強(qiáng)聚光注入產(chǎn)生的光生載流子的調(diào)制而降低下來(lái)。2、 結(jié)構(gòu)新穎。正面無(wú)電極，因而柵極電極遮光損失C=0，同時(shí)，正面有絨面，并覆蓋雙層減反膜?；鶇^(qū)薄(112-152“m)，背面引出點(diǎn)式負(fù)電極及連通基區(qū)的正電極。3、 工藝上采用氧化、光刻、磷和硼擴(kuò)散及鋁合金等集成電路微加工技術(shù)。工藝成熟，可靠性強(qiáng)。4、設(shè)計(jì)的pn結(jié)陣列，大大減小結(jié)面積，以此減小反向飽和