詳細分析太陽能電池技術（中）
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發(fā)布日期：2018-09-13
核心提示：
詳細分析太陽能電池技術（中）
太陽能電池的種類
太陽能電池按形態(tài)可分為剛性太陽能電池和柔性太陽能電池；按結晶狀態(tài)可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形；按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形；根據所用材料的不同，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，在應用中居主導地位。
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
單晶硅太陽能電池的結構主要包括正面梳狀電極、減反射膜、N型層、PN結、P型層、背面電極等。單晶硅太陽能電池廣泛用于空間和地面，這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。將單晶硅棒切成片，經過一系列的半導體工藝形成PN結。
然后采用絲網印刷法做成柵線，經過燒結工藝制成背電極，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片即可按所需要的規(guī)格用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組裝成太陽能電池組件(太陽能電池板)，構成一定的輸出電壓和電流。最后用框架進行封裝，將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。
硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。
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化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，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。
提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。
單晶硅太陽能電池的特點
單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據主導地位，雖然其轉換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用率低，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)省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代產品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。
多晶硅太陽能電池
多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層作為太陽電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣，是基于太陽光與半導體材料的作用而形成光伏效應。
多晶硅太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件，半導體的PN結被光照后產生電流，當光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內向各方向移動，余下空穴（電子以前的位置）?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子（－）在N結聚集，空穴（＋）在P結聚集，當外部環(huán)路被閉合，電流產生。
多晶硅太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件，半導體的PN結被光照后產生電流，當光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內向各方向移動，余下空穴（電子以前的位置）?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子（－）在N結聚集，空穴（＋）在P結聚集，當外部環(huán)路被閉合，電流產生。
太陽能電池使用的多晶硅材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形電池片。
多晶硅太陽能電池板的制作工藝與單晶硅太陽能電池板差不多，其光電轉換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發(fā)展。
多晶硅太陽能電池的特點
1、具有穩(wěn)定高效的光電轉換效率。
2、表面覆深藍色氮化硅減反膜,顏色均勻美觀。
3、高品質的銀和銀鋁漿料，確保良好的導電性、可靠的附著力和很好的電極可焊性。
4、高精度的絲網印刷圖形和高平整度，使得電池易于自動焊接和激光切割。
非晶硅太陽能電池
非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜(TCO)層、非晶硅薄膜P-I-N層(I層為本征吸收層)、背電極金屬薄膜層組成，基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。
制造方法有多種，最常見的是用輝光放電法得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，可一次制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。
非晶態(tài)硅，其原子結構不像晶體硅那樣排列得有規(guī)則，而是一種不定形晶體結構的半導體。非晶硅屬于直接帶系材料，對陽光吸收系數高，只需要1ùm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。
非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產。由于硅原料不足和價格上漲，促進了高效使用硅的技術和非晶硅薄膜系太陽能電池的開發(fā)。非晶硅薄膜電池低廉的成本彌補了其在光電轉換效率上的不足，未來將在光伏發(fā)電上占據越來越重要的位置。
但是由于非晶硅缺陷較多，制備的太陽能電池效率偏低，且其效率還會隨著光照衰減，導致非晶硅薄膜太陽能電池的應用受到限制。
目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向是與微晶硅結合，生成非晶硅/晶硅異質結太陽能電池，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度，目前單純非晶硅薄膜電池的最高轉換效率為17.4%。
非晶硅薄膜太陽能電池的特點
非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比，具有重量輕、工藝簡單、成本低、耗能少和便于大規(guī)模生產等優(yōu)點，因此受到人們重視，并得到迅速的發(fā)展。非晶硅薄膜太陽能電池首先實現(xiàn)商品化，也是目前產業(yè)規(guī)模最大的薄膜電池。
雖然非晶硅薄膜太陽能電池得到了廣泛的研究和應用。但是，依然存在著很多問題需要去解決：
1、y光學禁帶寬度為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域吸收不敏感，限制了其光電轉換效率;
2、光電轉換效率隨著光照時間的增長而衰弱，即所謂的光致衰退（SW）效應，使得電池性能不穩(wěn)定;
3、制備過程中，非晶硅的沉積速率較低，影響了非晶硅薄膜太陽能電池的商業(yè)化生產;
4、電池組件的后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問題;
5、在薄膜沉積過程中存在大量的負面雜質，如Oz，Nz和C等，影響薄膜的質量和電池的穩(wěn)定性。
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，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染。
因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學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。
CIS銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉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
在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。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，在導電材料（電極）表面進行多層復合，制成類似無機P－N結的單向導電裝置。
其中一個電極的內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，電子轉移方向只能由內層向外層轉移；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高于后者的兩種聚合物的還原電位。
當兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時．光敏化劑吸光后產生的電子轉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生。
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品，還有待于進一步研究探索
納米晶化學太陽能電池
在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。
納米晶化學太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當的氧化一還原電解質。
納米晶TiO2工作原理：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導帶，染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償，進入TiO2導帶中的電于最終進入導電膜,然后通過外回路產生光電流。
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．壽命能達到2O年以上。
鈣鈦礦型太陽能電池
2015年，日本、中國和瑞士研究人員借助薄膜摻雜技術，制造出一種面積為1平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池，其公證效率為15％，研究人員給鈣鈦礦電池的無機界面層氧化鎳薄膜重摻雜鋰與鎂，將其導電性提高了10倍左右。