太陽能電池的分類

太陽能電池的分類太陽能電池按結(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。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽能電池硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為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能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽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，其實驗室最高轉(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在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽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，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(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。多元化合物薄膜太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，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，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,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。聚合物多層修飾電極型太陽能電池以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，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，還有待于進一步研究探索。納米晶太陽能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，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20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。有機太陽能電池有機太陽能電池，顧名思義，就是由有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機材料制成的。晶硅太陽能電池的種類及特點太陽能電池是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，許多材料都可以用來做太陽能電池，因而太陽能電池的種類很多。一般希望太陽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；

?無公害；下面就主要的幾種太陽能電池進行介紹，包括它們的制備、結(jié)構(gòu)和特點。一、單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池的特點：?作為原料的硅材料在地殼中含量豐富，對環(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。單晶硅太陽能電池因為資源豐富，轉(zhuǎn)換效率高，所以是現(xiàn)在開發(fā)得最快的太陽能電池。但因其制造工藝復(fù)雜，需消耗大量的能源，所以有成本高，能源回收周期長的缺點。能源回收期=制造太陽能電池所需的能量/太陽能電池一年產(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、 單晶硅太陽能電池的制備過程在得到硅單晶片后，就可以開始制備太陽能電池。其中pn結(jié)的形成可采用POC13的氣相擴散法,TiO2或SiO2、P2O5的涂敷擴散法以及直接摻雜P+的離子注入法等。由于其制造過程復(fù)雜、電能耗費大，所以成本較高，目前正在研究用自動化、連續(xù)化使成本下降.三紫外光太陽能電池紫外光太陽能電池是為了防止太陽能電池的表面（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散法制造的pn結(jié)硅太陽能電池，其結(jié)深約0.5ym，擴散電阻R約為350/左右，以n+p結(jié)為例，n+磷擴散雜質(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”。通常一次擴散的結(jié)越深，則“死層”越厚。一般太陽能電池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。這就是紫外光太陽能電池設(shè)計的出發(fā)點，即采用“淺結(jié)”技術(shù)。四無反射太陽能電池通信衛(wèi)星無反射太陽能電池，即CNR（ComsatNonReflectiveSolarCell）電池，具有防止光在太陽能表面反射而使效率減小的結(jié)構(gòu)。下面我們來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，硅對入射太陽光的反射損失高達(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?。?-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硅襯底的機會，提咼了光能利用率。CNR太陽能電池的最咼轉(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，簡稱BSR）是在n+p太陽能電池的里面用鋁等金屬作成鏡面反射鏡，這樣使長波長的光不會透射出電池。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，簡稱MINP）硅太陽能電池和轉(zhuǎn)換效率達(dá)19.1%的鈍化發(fā)射極（PassvatedEmitterSolarCell簡稱PESC）硅太陽能電池。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-空穴對的復(fù)合減少。同時，由于氧化膜很薄，電流可以通過隧穿效應(yīng)流過，所以對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度下進行磷擴散，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)刻出一個個接觸微窗(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。同時也可減少金屬電極的覆蓋率。鈍化發(fā)射極和背面定域擴散硅太陽能電池：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)射極和背面定域擴散硅太陽能電池，即PERL(PassivatedEmitterandRearLocalDiffused)硅太陽能電池。在這種電池結(jié)構(gòu)中，為了進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，在里電極上也加入極薄氧化層進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，利用窗口進行定域B擴散形成背電場，再將電極金屬覆蓋上形成PERL電池。這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池達(dá)到了單晶硅太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率，在AM1.5的光照下效率可達(dá)24%左右。點接觸型太陽能電池：1986年美國的研究小組設(shè)計并研制出點接觸型太陽能電池，它是目前世界上效率最高的硅聚光電池，在100個太陽照度下，轉(zhuǎn)換效率達(dá)27.5%。在這種電池結(jié)構(gòu)中，有以下特點：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，可由強聚光注入產(chǎn)生的光生載流子的調(diào)制而降低下來。2、 結(jié)構(gòu)新穎。正面無電極，因而柵極電極遮光損失C=0，同時，正面有絨面，并覆蓋雙層減反膜。基區(qū)薄(112-152“m)，背面引出點式負(fù)電極及連通基區(qū)的正電極。3、 工藝上采用氧化、光刻、磷和硼擴散及鋁合金等集成電路微加工技術(shù)。工藝成熟，可靠性強。4、設(shè)計的pn結(jié)陣列，大大減小結(jié)面積，以此減小反向飽和