晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池    
 
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生动力．也是清洁动力，不发作任何的环境污染。在太阳能的有用运用傍边；大阳能光电运用是近些年来开展最快，最具生机的研讨范畴， 是其间最受注视的项目之一。为此，人们研发和开发了太阳能电池。制作太阳能电池首要是以半导体资料为根底，其作业原理是运用光电资料吸收光能后发作光电于转化反响，依据所用资料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为资料的电池；3、功用高分子资料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不管以何种资料来制作电池，对太阳能电池资料一般的要求有：1、半导体资料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转化功率：3、资料自身对环境不构成污染；4、资料便于工业化出产且资料功能安稳。根据以上几个方面考虑，硅是最抱负的太阳能电池资料，这也是太阳能电池以硅资料为主的首要原因。但跟着新资料的不断开发和相关技能的开展，以其它村料为根底的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的远景。本文简要地总述了太阳能电池的品种及其研讨现状，并评论了太阳能电池的开展及趋势。
    1 硅系太阳能电池
　　1.1 单晶硅太阳能电池
　　　硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转化功率最高，技能也最为老练。高功能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅资料和相关的成热的加工处理工艺根底上的。现在单晶硅的电地工艺己近老练，在电池制作中，一般都选用外表织构化、发射区钝化、分区掺杂等技能，开发的电池首要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。进步转化功率首要是靠单晶硅外表微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能体系研讨所保持着国际领先水平。该研讨所选用光刻照相技能将电池外表织构化，制成倒金字塔结构。并在外表把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．经过改进了的电镀进程添加栅极的宽度和高度的比率：经过以上制得的电池转化功率超越23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转化功率为19．44%，国内北京太阳能研讨所也活跃进行高效晶体硅太阳能电池的研讨和开发，研发的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转化功率到达19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转化功率达8.6%。
　　单晶硅太阳能电池转化功率无疑是最高的，在大规模运用和工业出产中仍占有主导地位，但因为受单晶硅资料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅本钱价格居高不下，要想大幅度下降其本钱是十分困难的。为了节约高质量资料，寻觅单晶硅电池的代替产品，现在开展了薄膜太阳能电池，其间多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池便是典型代表。
　　1．2 多晶硅薄膜太阳能电池
　　一般的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因而实践耗费的硅资料更多。为了节约资料，人们从70年代中期就开端在廉价衬底上堆积多晶硅薄膜，但因为成长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺度晶粒的薄膜，人们一向没有中止过研讨，并提出了许多办法。现在制备多晶硅薄膜电池多选用化学气相堆积法，包含低压化学气相堆积（LPCVD）和等离子增强化学气相堆积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射堆积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。
　　化学气相堆积首要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反响气体,在必定的维护气氛下反响生成硅原子并堆积在加热的衬底上，衬底资料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研讨发现，在非硅衬底上很难构成较大的晶粒,而且简略在晶粒间构成空地。处理这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上堆积厚的多晶硅薄膜，因而，再结晶技能无疑是很重要的一个环节，现在选用的技能首要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除选用了再结晶工艺外，别的选用了简直一切制备单晶硅太阳能电池的技能，这样制得的太阳能电池转化功率明显进步。德国费莱堡太阳能研讨所选用区馆再结晶技能在FZ Si衬底上制得的多晶硅电池转化功率为19％，日本三菱公司用该法制备电池，功率达16.42%。
　　液相外延（LPE）法的原理是经过将硅熔融在母体里，下降温度分出硅膜。美国Astropower公司选用LPE制备的电池功率达12．2％。我国光电开展技能中心的陈哲良选用液相外延法在冶金级硅片上成长出硅晶粒，并规划了一品种似于晶体硅薄膜太阳能电池的新式太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关功能方面的报导还未见到。
　　多晶硅薄膜电池因为所运用的硅远较单晶硅少，又无功率阑珊问题，而且有可能在廉价衬底资料上制备，其本钱远低于单晶硅电池，而功率高于非晶硅薄膜电池，因而，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地商场上占有主导地位。
　　1.3 非晶硅薄膜太阳能电池
　　开发太阳能电池的两个要害问题便是：进步转化功率和　下降本钱。因为非晶硅薄膜太阳能电池的本钱低，便于大规模出产，遍及遭到人们的注重并得到迅速开展，其实早在70年代初，Carlson等就现已开端了对非晶硅电池的研发作业,近几年它的研发作业得到了迅速开展,现在国际上己有许多家公司在出产该种电池产品。
　　非晶硅作为太阳能资料虽然是一种很好的电池资料，但因为其光学带隙为1.7eV, 使得资料自身对太阳辐射光谱的长波区域不灵敏，这样一来就约束了非晶硅太阳能电池的转化功率。此外，其光电功率会跟着光照时刻的连续而衰减，即所谓的光致阑珊S一W效应，使得电池功能不安稳。处理这些问题的这径便是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再堆积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池进步转化功率、处理单结电池不安稳性的要害问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，进步了光谱的呼应规模；②顶电池的i层较薄，光照发作的电场强度改变不大，确保i层中的光生载流子抽出；③底电池发作的载流子约为单电池的一半，光致阑珊效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。
　　非晶硅薄膜太阳能电池的制备办法有许多，其间包含反响溅射法、PECVD法、LPCVD法等，反响质料气体为H2稀释的SiH4，衬底首要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺进程可别离制得单结电池和叠层太阳能电池。现在非晶硅太阳能电池的研讨获得两大开展：榜首、三叠层结构非晶硅太阳能电池转化功率到达13％，创下新的记载；第二.三叠层太阳能电池年出产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转化功率为9．3%，三带隙三叠层电池最高转化功率为13％，见表1
　　上述最高转化功率是在小面积（0．25cm2）电池上获得的。曾有文献报导单结非晶硅太阳能电池转化功率超越12．5％，日本中央研讨院选用一系列新办法，制得的非晶硅电池的转化功率为13．2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研讨并不多，南开大学的耿新华等选用工业用资料，以铝背电极制备出头积为20X20cm2、转化功率为8．28％的a－Si/a－Si叠层太阳能电池。
　　非晶硅太阳能电池因为具有较高的转化功率和较低的本钱及重量轻等特色，有着极大的潜力。但一起因为它的安稳性不高，直接影响了它的实践运用。如果能进一步处理安稳性问题及进步转化率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的首要开展产品之一。
    2 多元化合物薄膜太阳能电池
　　为了寻觅单晶硅电池的代替品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研发其它资料的太阳能电池。其间首要包含砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，虽然硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的功率较非晶硅薄膜太阳能电池功率高，本钱较单晶硅电池低，而且也易于大规模出产，但因为镉有剧毒，会对环境构成严峻的污染，因而，并不是晶体硅太阳能电池最抱负的代替。
　　砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池因为具有较高的转化功率遭到人们的遍及注重。GaAs归于III-V族化合物半导体资料，其能隙为1．4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因而，是很抱负的电池资料。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备首要选用 MOVPE和LPE技能，其间MOVPE办法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反响压力、III-V比率、总流量等许多参数的影响。
　　除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池资料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能体系研讨所制得的GaAs太阳能电池转化功率为24．2％，为欧洲记载。初次制备的GaInP电池转化功率为14．7％．见表2。别的，该研讨所还选用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池功率到达31．1％。
　　铜铟硒CuInSe2简称CIC。CIS资料的能降为1．leV，适于太阳光的光电转化,别的，CIS薄膜太阳电池不存在光致阑珊问题。因而，CIS用作高转化功率薄膜太阳能电池资料也引起了人们的注视。
　　CIS电池薄膜的制备首要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是选用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是运用H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的CIS。CIS薄膜电池从80年代开始8％的转化功率开展到现在的15％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池，其光电转化功率为15．3％（面积1cm2）。1995年美国可再生动力研讨室研发出转化功率为17．l％的CIS太阳能电池，这是迄今为止国际上该电池的最高转化功率。估量到2000年CIS电池的转化功率将到达20％，相当于多晶硅太阳能电池。
　　CIS作为太阳能电池的半导体资料，具有价格低廉、功能杰出和工艺简略等长处，将成为往后开展太阳能电池的一个重要方向。仅有的问题是资料的来历，因为铟和硒都是比较稀有的元素，因而，这类电池的开展又必定遭到约束。
    3 聚合物多层润饰电极型太阳能电池
　　在太阳能电池中以聚合物代替无机资料是刚刚开端的一个太阳能电池制爸的研讨方向。其原理是运用不同氧化复原型聚合物的不同氧化复原电势，在导电资料（电极）外表进行多层复合，制成相似无机P－N结的单向导电设备。其间一个电极的内层由复原电位较低的聚合物润饰，外层聚合物的复原电位较高，电子搬运方向只能由内层向外层搬运；另一个电极的润饰正好相反，而且榜首个电极上两种聚合物的复原电位均高于后者的两种聚合物的复原电位。当两个润饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后发作的电子搬运到复原电位较低的电极上，复原电位较低电极上堆集的电子不能向外层聚合物搬运，只能经过外电路经过复原电位较高的电极回到电解液，因而外电路中有光电流发作。
　　因为有机资料柔性好，制作简略，资料来历广泛，本钱底等优势，从而对大规模运用太阳能，供给廉价电能具有重要含义。但以有机资料制备太阳能电池的研讨只是刚开端，不管是运用寿数，仍是电池功率都不能和无机资料特别是硅电池比较。能否开展成为具有有用含义的产品，还有待于进一步研讨探究。
    4 纳米晶化学太阳能电池
　　在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是开展最老练的，但因为本钱居高不下，远不能满意大规模推广运用的要求。为此，人们一向不断在工艺、新资料、电池薄膜化等方面进行探究，而这傍边新近开展的纳米TIO2晶体化学能太阳能电池遭到国内外科学家的注重。
　 自瑞士Gratzel教授研发成功纳米TIO2化学大阳能电池以来，国内一些单位也正在进行这方面的研讨。纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在禁带半导体资料润饰、组装到另一种大能隙半导体资料上构成的，窄禁带半导体资料选用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体资料为纳米多晶TIO2并制成电极，此外NPC电池还选用恰当的氧化一复原电解质。纳米晶TIO2作业原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不安稳，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染猜中失掉的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于终究进入导电膜,然后经过外回路发作光电流。
　　纳米晶TiO2太阳能电池的长处在于它廉价的本钱和简略的工艺及安稳的功能。其光电功率安稳在10％以上，制形本钱仅为硅太阳电池的1/5－1/10．寿数能到达2O年以上。但因为此类电池的研讨和开发刚刚起步，估量不久的将来会逐渐走上商场。
    5 太阳能电池的开展趋势
　　从以上几个方面的评论可知，作为太阳能电池的资料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，虽然以它们制成的太阳能电池转化功率很高，但从资料来历看，这类太阳能电池将来不可能占有主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物润饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研讨刚刚起步，技能不是很老练，转化功率还比较低，这两类电池还处于探究阶段，短时刻内不可能代替应系太阳能电池。因而，从转化功率和资料的来历视点讲，往后开展的要点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。因为多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转化功率和相对较低的本钱，将终究替代单晶硅电池，成为商场的主导产品。
　　进步转化功率和下降本钱是太阳能电池制备中考虑的两个首要因素，关于现在的硅系太阳能电池，要想再进一步进步转化功率是比较困难的。因而，往后研讨的要点除持续开发新的电池资料外应会集在怎么下降本钱上来，现有的高转化功率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制作硅太阳能电池最费钱的部分。因而，在怎么确保转化功率仍较高的状况下来下降衬底的本钱就显得尤为重要。也是往后太阳能电池开展急需处理的问题。近来国外曾选用某些技能制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以到达下降本钱的意图，作用仍是比较现想的.