太阳能电池的现状与展望

太阳能电池的现状与展望

摘要：近年来，各国竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视，其转换途径很多，有光电直接转换，有光热电间接转换等，下面就几种太阳能电池及太阳能电池的发展前景进行介绍。

关键词：太阳能电池 分类 工作原理 发展前景

1、太阳能电池的分类

太阳能电池工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反映。人们希望的太阳能电池具有转换效率高、制造能耗少、制造成本低、原材料丰富、电池使用寿命长及无公害几种特性。根据其所选的材料不同，太阳能电池主要分为：硅基太阳能电池和多远化合物太阳能薄膜电池。

1.1单晶硅太阳能电池

单晶硅电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％以上。为降低成本现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒、材料性能指标有所放宽，有的也可使用半导体器件加工的头位和废弃单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。

单晶硅太阳能电池的单体片制成后，经过抽查检验，即可按需要的规格组装成太阳电池组建，用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。

单晶硅电池具有以下特点：(1)作为原料的硅材料在地壳中含量丰富、对环境基本上没有影响。(2)单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。(3)硅的密度低，材料轻。即使是50μm以下厚度的薄片也有很好的强度。(4)与多晶硅、非晶硅比较。转换效率高。(5)电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。

单晶硅太阳能电池其资源丰富，转换效率高，但是其制造工艺复杂，需要消耗大量能源，造成其成本高，能源回收成本高的缺点。

硅片经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结。同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件(太阳电池板)，用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种

大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15％右，实验室成果也有20％以上的。

1.2多晶硅太阳能电池

多晶硅是由定向凝固的方法铸造而成的，目前太阳能电池使用的多晶硅材料多数是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭，它的结晶速度和生产能力均比单晶硅片的制造快许多。1976年证明用多晶硅材料制作太阳能电池的转换效率可达14％。而和单晶硅的高耗能，高成本相比这种材料制造简便、低成本、低耗能的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，多晶硅太阳能电池的转换效率可以做到比单晶硅低1.5％，多晶硅电池转换效率的大幅度提高主要归功于磷扩散和铝背场的吸杂效应以及氮化硅减反射膜中氢原子对多晶硅材料中缺陷的钝化作用。

太阳能电池的技术主要发展方向之一是如何采用大规模的生产工艺，进而进一步的提高多晶硅电池的转化效率。针对目前多晶硅电池的大规模生产特点，提高转换效率的主要创新点有以下几个方面：

1)高产出的各向同性表面腐蚀以形成绒面。

2)简单、低成本的选择性扩散工艺。

3)具有创新的、高产出的扩散和PECVD SiN淀积设备。

41降低硅片的厚度。

5)电极的电池结构和组件。

1.3非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池是1976年出现的由型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同。非晶硅薄膜太阳能电池转换效率较高，便于大规模生产，其主要具有以下特点：

(1)光能吸收系数大，特别是在0.3-0.75μm的可见光波段、它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜(约1μm厚)就能吸收90％有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素：

(2)制备非晶硅可用玻璃、金属、高分子膜、陶瓷等多种低成本材料做底衬，其加工工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产；制成刚性和柔性电池大大降低了其制作成本。

(3)非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5～2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高；可以将多个电池在同一个底衬上串联起来，制成集成结构，获得高电压；也可将电池在同一底衬上重叠，作为层叠结构。有效地提高了其转化效率，

(4)制备非晶硅太阳能电池的能耗少，约100kW·h，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多，

非晶硅太阳能电池工作原理主要可概括为以下几点，

1、光的照射

2)光子入射到半导体中激发电子一空穴

3)在静电场作用下电子一空穴对分离

4)被分离的电子和空穴经电极收集输出电池体外，形成电流

通常非晶硅太阳能电池以1～3mm厚的浮法玻璃作为基板，基板尺寸为305×915mm，其输出电压、电流与电池板尺寸有关，每一节的开路电压为0.6-0.8V工作电压为0.4-0.5V在标准条件下(100mW／cm2)，在掩膜线方向单位厘米的电流在10mA左右，节数越多电压越高，掩膜线方向的长度越长，电流越大，根据用电负载的大小，用普通玻璃刀在电池的正面进行切割即可获得不同输出电压、电流的电池。

1.4多远化合物太阳能电池

如果说第一代太阳能电池为单晶硅太阳能电池，第二代为多品硅、非品硅等太阳能电池，第三代太阳能电池就是化合物薄膜太阳能电池及薄膜si系太阳能电池。

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，虽然大多数尚未工业化生产，但预示着光电转换的满园春色。主要有硫化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池几种。

砷化稼(GaAs)川-V化合物电池的转换效率可达28％，GaAs化合物材科具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上了用GaAs电池的普及。

南于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，虽然具有转化效率较非晶硅薄膜电池高。成本比单晶硅电池低，并易于生产等优点，硫化镉、磅化镉多晶薄膜电池不能成为晶体硅太阳能电池的理想替代品。

铜锢硒薄膜电池(简称CIGs)适合光电转换，不存在光致衰退