硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、一.引言：太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生 任何的環(huán)境污染。當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約 國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開 發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。歐洲一些高水平的核研究機(jī)構(gòu)也 開始轉(zhuǎn)向可再生能源。在國際光伏市場巨大潛力的推動下，各國的太陽能 電池制造業(yè)爭相投入巨資，擴(kuò)大生產(chǎn)，以爭一席之地。全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)1994-2004年10年里增長了 17倍，太陽能電池 生產(chǎn)主要分布在日本、歐洲和美國。2006年全球太陽能電池安裝規(guī)模已達(dá) 1744MW，較2005年成長19 %，整個市場產(chǎn)值已正

2、式突破 100億美元大 關(guān)。2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到 3436MW，較2006年增長了 56%。中國對太陽能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國內(nèi) 先后引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使中國太陽能電池生產(chǎn)能力由原來的 3 個小廠的幾百kW 一下子提升到4個廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到 2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。2002年后，歐洲市場特別是德國市場的 急劇放大和無錫尚德太陽能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國 光伏產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產(chǎn)國。2007年全國太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到1188MW，同比增長293

3、%。中國已經(jīng)成功超越歐洲、日本 為世界太陽能電池生產(chǎn)第一大國。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)已 經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢。在長三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已 經(jīng)形成了各具特色的太陽能產(chǎn)業(yè)集群。中國的太陽能電池研究比國外晚了 20年，盡管最近10年國家在這方 面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應(yīng)加強(qiáng) 政策引導(dǎo)和政策激勵，盡快解決太陽能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價等問題。同時 可借鑒國外的成功經(jīng)驗，在公共設(shè)施、政府辦公樓等領(lǐng)域強(qiáng)制推廣使用太 陽能，充分發(fā)揮政府的示范作用，推動國內(nèi)市場盡快起步和良性發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但 要替代部分常規(guī)

4、能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2030年，可再生能源在總 綠色環(huán)保節(jié)能太陽能能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占 比也將達(dá)到10 %以上；至0 2040年，可再生能源將占總能耗的50 %以上， 太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；至0 21世紀(jì)末，可再生能源在能 源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可 以看出，太陽能電池市場前景廣闊。在太陽能的有效利用當(dāng)中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具 活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。制作太陽能電池主要是

5、以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電 材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池 可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、 銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池； 4、納米晶太陽能電池等。本文主要闡述硅太陽能的結(jié)構(gòu)和工作原理。二.硅太陽能電池2.1硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)， 一般的半導(dǎo)體主要結(jié) 構(gòu)如下：硅材料是一種半導(dǎo)體材料，太陽能電池發(fā)電的原理主要就是利用這種 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。一般半導(dǎo)體的分子結(jié)構(gòu)是這樣的：上圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的

6、四個電 子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼（黑色或銀灰色固體，熔點 2300 C， 沸點3658 C，密度2.34克/厘米，硬度僅次于金剛石，在室溫下較穩(wěn)定， 可與氮、碳、硅作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應(yīng)，形成金 屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高導(dǎo)電率和化學(xué)惰性的物質(zhì)。）、 磷等，當(dāng)摻入硼時，硅晶體中就會存在一個空穴，它的形成可以參照下圖 說明：平 平 1- - V 旬- we&e- QI T 1 w-e-s-A- 甲 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子，而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個

7、空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易 吸收電子而中和，形成 P （positive ）型半導(dǎo)體。（附，什么是P型半導(dǎo)體呢？在半導(dǎo)體材料硅或錯晶體中摻入三價元 素雜質(zhì)可構(gòu)成缺殼粒的P型半導(dǎo)體，摻入五價元素雜質(zhì)可構(gòu)成多余殼粒的 N型半導(dǎo)體。）同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N (negative )型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色 的為多余的電子，如下圖所示：甲甲f -4Q- 0 - ?#， +7-.Y. - . - - -wy -，IP型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這 樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成

8、電勢差，這就 是PN結(jié)。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由 于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。 N區(qū)的電 子匯擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個有 N 指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個特 殊的薄層形成電勢差，從而形成 PN結(jié)。當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半 導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。tiiuifKrH由于半

9、導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過 p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動， 電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能 通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)（如圖 梳狀電極）， 以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為 此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），實際工 業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5%甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有 限，于是人們又將很多電池（通常是 36個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太 陽能光電板。從電的角度來看，我們所用的硅都是

10、中性的。多余的電子被磷中 多余的質(zhì)子所中和。缺失電子（空穴）由硼中缺失質(zhì)子所中和。當(dāng)空穴和電子在 N型硅和P型硅的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有 空穴嗎？不會。如果是這樣，那么整個準(zhǔn)備工作就沒有什么意義了。不過，在交 界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得N側(cè)的電子越來越難以抵達(dá)P側(cè)。 最終會達(dá)到平衡狀態(tài)，這樣我們就有了一個將兩側(cè)分開的電場。O N型硅O F型硅光伏電池中的電場效應(yīng)這個電場相當(dāng)于一個二極管，允許（甚至推動）電子從P側(cè)流向N側(cè)，而不是 相反。它就像一座山一一電子可以輕松地滑下山頭（到達(dá)N側(cè)），卻不能向上 攀升（到達(dá)P側(cè)）。這樣，我們就得到了一個作用相當(dāng)于二極

11、管的電場，其中的電子只能向一個方向 運動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發(fā)生什么。當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。 如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范 圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導(dǎo)致電中性進(jìn)一步 被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原 始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。電子流 動提供電流，電池的電場產(chǎn)生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二 者的乘積。On型硅p

12、型硅光伏電池的工作原理我們的光伏電池可以吸收多少太陽光的能量？遺憾的是，此處介紹的簡易電池對 太陽光能量的吸收率至多為25%左右，通常的吸收率是15%或更低。為什么吸 收率會這么低？ 可見光只是電磁頻譜的一部分。電磁輻射不是單頻的一一它由一系列不同波長（進(jìn)而產(chǎn)生的一系列能級）組成。（有關(guān)電磁頻譜的詳細(xì)介紹，請參閱狹義相對 論基本原理。） 光可分為不同波長，我們可以通過彩虹看出這一點。由于射到電池的光的光子能 量范圍很廣，因此有些光子沒有足夠的能量來形成電子空穴對。它們只是穿過電 池，就像電池是透明的一樣。但其他一些光子的能量卻很強(qiáng)。只有達(dá)到一定的能 量一一單位為電子伏特（eV），由電池材料（對

13、于晶體硅，約為1.1eV）決定 才能使電子逸出。我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所 需的能量多，則多余的能量會損失掉（除非光子的能量是所需能量的兩倍，并且 可以創(chuàng)建多組電子空穴對，但這種效應(yīng)并不重要）。僅這兩種效應(yīng)就會造成電池 中70%左右的輻射能損失。為何我們不選擇一種帶隙很低的材料，以便利用更多的光子？遺憾的是，帶隙還 決定了電場強(qiáng)度（電壓），如果帶隙過低，那么在增大電流（通過吸收更多電子） 的同時，也會損失一定的電壓。請記住，功率是電壓和電流的乘積。最優(yōu)帶隙能 量必須能平衡這兩種效應(yīng)，對于由單一材料制成的電池，這個值約為1.4電子伏 特。我們還有其他能量損失。電子必須

14、通過外部電路從電池的一側(cè)流到另一側(cè)。我們 可以在電池底部鍍上一層金屬，以保證良好的導(dǎo)電性。但如果我們將電池頂部完 全鍍上金屬，光子將無法穿過不透光導(dǎo)體，這樣就會喪失所有電流（在某些電池 中，只有上表面而非所有位置使用了透明導(dǎo)體）。如果我們只在電池的兩側(cè)設(shè)置 觸點，則電子需要經(jīng)過很長一段距離（對于電子而言）才能抵達(dá)接觸點。要知道， 硅是半導(dǎo)體，它傳輸電流的性能沒有金屬那么好。它的內(nèi)部電阻（稱為串聯(lián)電阻） 相當(dāng)高，而高電阻意味著高損耗。為了最大限度地降低這些損耗，電池上覆有金 屬接觸網(wǎng)，它可縮短電子移動的距離，同時只覆蓋電池表面的一小部分。即使是 這樣，有些光子也會被網(wǎng)格阻止，網(wǎng)格不能太小，否則它

15、自身的電阻就會過高。在實際使用電池之前，還要執(zhí)行其他幾個步驟。硅是一種有光澤的材料，這意味 著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個原因，在電池頂 部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。最后一步是安裝玻璃蓋板，用來將電池與元件分開，以保護(hù)電池。光伏模塊由多 塊電池（通常是36塊）串聯(lián)和并聯(lián)而成，以提供可用的電壓和電流等級，這些 電池放在一個堅固的框架中，后部分別引出正極端子和負(fù)極端子，并用玻璃蓋板 封上。太陽光How SWff 敝 rks0玻璃蓋板0 N型硅Q抗反射深層0 P型硅 mmo背部接觸面普通硅光伏電池的基本結(jié)構(gòu)單晶硅并非光伏電池中使用的唯一材料。電池材料中還采

16、用了多晶硅，盡管這樣 生產(chǎn)出來的電池不如單晶硅電池的效率高，但可以降低成本。此外，還采用了沒 有晶體結(jié)構(gòu)的非晶硅，這樣做同樣是為了降低成本。使用的其他材料還包括砷化 鎵、硒化銦銅和碲化鎘。由于不同材料的帶隙不同，因此它們似乎針對不同的波 長或不同能量的光子進(jìn)行了“調(diào)諧”。一種提高效率的方法是使用兩層或者多層具 有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶 隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項技術(shù)可大大提高效率。這樣 的電池稱為多接面電池，它們可以有多個電場。三.單晶硅、多晶硅、非晶硅三種太陽能電池介紹3.1單晶硅太陽能電池硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池

17、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，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(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 柵極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%，

18、是大值可達(dá) 23. 3%。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為 19. 44%，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%，亥憎埋柵電 極晶體硅電池（5cmX5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，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，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶 硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材 料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜 太陽

19、能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。3.2多晶硅薄膜太陽能電池通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350-450 um的高質(zhì)量硅片上制成的，這 種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省 材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的 硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人 們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化 學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 （PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅 薄膜電池?；瘜W(xué)

20、氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體，在一 定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、 SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在 晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶 硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的 多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要 有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外 采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效

21、率 明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的 多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%，日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)16.42%。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美 國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12. 2%。中國光電發(fā)展技術(shù)中 心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設(shè)計了一種類似于 晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅?！碧柲茈姵?，但有關(guān) 性能方面的報道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有 可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而

22、效率高于非晶硅薄膜 電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。3.3非晶硅薄膜太陽能電池開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅 薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā) 展，其實早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作，近 幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池 產(chǎn)品。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，其光電效率會隨

23、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(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制 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 再沉積一個或多個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

24、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 9. 3%，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（0. 25cm2）電池上取得的。曾有文獻(xiàn)報道單結(jié) 非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過12. 5%，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13. 2%。國

25、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8. 28%的aSi/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，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(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。其他太陽能電池介紹4.1多元化合物薄膜太陽能電池為了尋找單晶硅電池的替代品，人們除開發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽能 電池外，又不斷研制其它材料的太陽能電池。其中主要包括砷化鎵

26、III-V族化 合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池中，盡管硫化鎘、碲 化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，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，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染， 因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們 的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1. 4eV，正好 為高吸收率太陽光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物 薄膜電池的制備主要采用 MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯、反應(yīng)壓力、

27、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影 響。除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GalnP等電池材料也得到了開 發(fā)。1998年德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率 為24. 2%,為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14. 7%.見 表2。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備 GaAs, Gasb電池，該電池是將 兩個獨立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb,所得到 的電池效率達(dá)到31. 1%。銅銦硒CuInSe2簡稱CIC。CIS材料的能降為1. leV，適于太陽光的光 電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽電池不存在光致衰退問題。因此，CIS

28、用作高轉(zhuǎn) 換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各 自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用 H2Se疊層膜硒化，但該法難以 得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目 前的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換 效率為15. 3%（面積1cm2）。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換 效率為17. l%的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換 效率。預(yù)計到2000年CIS電池的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到20%，相當(dāng)于多晶硅太陽 能電池。CIS作為太陽能電池的半導(dǎo)體

29、材料，具有價格低廉、性能良好和工藝簡 單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料 的來源，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。4.2聚合物多層修飾電極型太陽能電池在太陽能電池中以聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個太陽能電池制 備的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同 氧化還原電勢 在導(dǎo)電材料（電極）表面進(jìn)行多層復(fù)合，制成類似無機(jī) P-N結(jié)的單向?qū)щ?裝置。其中一個電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還 原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾正好 相反，并且第一個電極上兩種聚合物的還原電位均

30、高于后者的兩種聚合物的 還原電位。當(dāng)兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時.光敏化劑吸光 后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電 子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過 外電路通過還原電位較高的電極回到電 解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而 對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽 能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材 料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步 研究探索。4.3納米晶化學(xué)太陽能電池在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是

31、發(fā)展最成熟的，但由于成本居高 不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新 材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué) 能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。自瑞士 Gratzel教授研制成功納米TiO2化學(xué)大陽能電池以來，國內(nèi)一些單位 也正在進(jìn)行這方面的研究。納米晶化學(xué)太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種 在禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo) 體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料 為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。 納米晶TiO2工作原理

32、：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定， 電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ) 償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。 納 米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(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電池的1/5-1/10.壽命能達(dá)到 2O年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走 上市場。太陽能電池的發(fā)展趨勢太陽能電池的發(fā)展趨勢從以上幾個方面的討論可知，作為太陽能電池的材料，III-V族化合物及 CIS等系由稀有元素所制備，盡管以它們制成的太陽能電池

33、轉(zhuǎn)換效率很高， 但從材料來源看，這類太陽能電池將來不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。而另兩類電池 納米晶太陽能電池和聚合物修飾電極太陽能電池存在的問題，它們的研究剛 剛起步，技術(shù)不是很成熟，轉(zhuǎn)換效率還比較低，這兩類電池還處于探索階段， 短時間內(nèi)不可能替代應(yīng)系太陽能電池。因此，從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源 角度 講，今后發(fā)展的重點仍是硅太陽能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由 于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對較低的成本，將最終 取代單晶硅電池，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，對 于目前的硅系太陽能電池，要想再進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率是比較困難的。因此， 今

34、后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，現(xiàn) 有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽 能電池最費錢的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來降低襯 底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽能電池發(fā)展急需解決的問題。近來 國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達(dá)到 降低成本的目的，效果還是比較現(xiàn)想的。中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中國對太陽能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國內(nèi)先 后引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使中國太陽能電池生產(chǎn)能力由原來的3個小廠的幾百kW 一下子提升到4個廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到

35、2002 年，產(chǎn)量則只有2MW左右。2002年后，歐洲市場特別是德國市場的急劇放 大和無錫尚德太陽能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國 光伏產(chǎn)業(yè) 帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產(chǎn)國。2007年全國太陽能電 池產(chǎn)量達(dá)到1188MW，同比增長293%。中國已經(jīng)成功超越歐洲、日本為世 界太陽能電池生產(chǎn)第一大國。在產(chǎn)業(yè)布局上，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成 了一定的集聚態(tài)勢。在長三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了 各具特色的太陽能產(chǎn)業(yè)集群。中國的太陽能電池研究比國外晚了 20年，盡管最近10年國家在這方面 逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應(yīng)加強(qiáng)政策 引導(dǎo)和政策激勵，盡快解決太陽能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價等問題。同時可借鑒 國外的成功經(jīng)驗，在公共設(shè)施、政府辦公樓等領(lǐng)域強(qiáng)制推廣使用太陽能，充 分發(fā)揮政府的示范作用，推動國內(nèi)