矽太陽能電池

矽太陽能電池是指以矽為基體材料的太陽能電池。按矽材料的結晶形態，可分為單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池和非晶矽太陽能電池。

基本介紹

• 中文名：矽太陽能電池
• 外文名：silicon solar cell
• 基體材料：矽
• 類型：單晶矽太陽能電池等
• 套用：電力設備等
• 學科：電力學

簡述

最早的矽太陽能電池是由於人們對將矽用於點接觸整流器產生興趣而出現的。鋒利的金屬接觸對各種晶體的整流特性早在1874年就被發現。在無線電技術的早期，這種晶體整流器在無線電接收設備中被廣泛地用作檢波器。但是隨著熱離子管的發展，這種晶體整流器除在超高頻領域仍被使用外，已經被熱離子管所代替。這種整流器最典型的例子是鎢在矽表面的點接觸。這項技術促進了對矽純度的改良，並且使得人們希望更進一步了解矽的性質。

雖然矽太陽能電池的歷史能夠追溯到50多年前矽雙極性器件出現的時期，但是實驗室電池的性能和電池理論在最近十年才取得巨大進步。在過去幾年中，太陽能電池的性能已經達到一度認為不可能再提高的水平。

矽太陽能電池和其他大多數矽電子器件相比，有其特殊的設計和材料要求。為了獲得高能量轉換效率，矽太陽能電池不僅需要幾乎理想的矽表面鈍化，而且體材料特性也必須具有均勻的高品質。這是因為一些波長的光必須在矽中傳播幾百微米才能被吸收，其產生的載流子還必須仍然能夠被電池收集。

原理

太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：矽材料是一種半導體材料，太陽能電池發電的原理主要就是利用這種半導體的光電效應。當矽晶體中摻入其他的雜質，如硼（黑色或銀灰色固體，熔點為2 300℃，沸點為3 658℃，密度為2.349/cm³，硬度僅次於金剛石，在室溫下較穩定，可與氮、碳、矽作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應，形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高電導率和化學惰性的物質）、磷等，當摻入硼時，硼元素能夠俘獲電子，矽晶體中就會存在一個空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，它就成為空穴型半導體，稱為P型半導體（在半導體材料矽或鍺晶體中摻入三價元素雜質可構成缺殼粒的P型半導體，摻入五價元素雜質可構成多餘殼粒的N型半導體）。同樣，摻入磷原子以後，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成電子型半導體，稱為N型半導體。P型半導體中含有較多的空穴，而N型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時。在兩種半導體的交界面區域裡會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡後，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，從而形成PN結。當晶片受光後，PN結中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流。然後在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。

由於半導體不是電的良導體，電子在通過PN結後如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部塗上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬格線覆蓋PN結，以增加入射光的面積。另外矽表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它塗上了一層反射係數非常小的保護膜（減反射膜），實際工業生產基本都是用化學氣相沉積一層氮化矽膜，厚度在1000A左右。將反射損失減小到5%甚至更小。或者採用製備絨面的方法，即用鹼溶液（一般為NaOH溶液）對矽片進行各向異性腐蝕在矽片表面製備絨面。入射光在這種表面經過多次反射和折射，降低了光的反射，增加了光的吸收，提高了太陽電池的短路電流和轉換效率。一個電池所能提供的電流和電壓畢競有限，於是人們又將很多電池（通常是36個）並聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。

分類

矽太陽能電池是以矽為基體材料的太陽能電池。按矽片厚度的不同，可分為晶體矽太陽能電池和薄膜矽太陽能電池。按材料的結晶形態，晶體矽太陽能電池有單晶矽（c-Si）和多晶矽（p-Si）太陽能電池兩類；薄膜矽太陽能電池分為非晶矽（a-Si）薄膜太陽能電池、微晶矽（c-Si）太陽能電池和多晶矽（p-Si）薄膜太陽能電池三種。

單晶矽太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%（理論最高光電轉化效率為25%），規模生產時的效率為18%（截至2011年）。在大規模套用和工業生產中仍占據主導地位，但由於單晶矽成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省矽材料，發展了多品矽薄膜和非晶矽薄膜作為單晶矽太陽能電池的替代產品。

多晶矽太陽能電池一般採用低等級的半導體多晶矽，或者專門為太陽能電池使用而生產的鑄造多晶矽等材料。與單晶矽太陽能電池相比，多晶矽太陽能電池成本較低，而且轉換效率與單晶矽太陽能電池比較接近，它是太陽能電池的主要產品之一。多晶矽太陽能電池矽片製造成本低，組件效率高，規模生產時的效率已達18%左右。多晶矽太陽能電池占據主流，除取決於此類電池的優異性能外，還在於其充足、廉價、無毒、無污染的矽原料來源，而近年來多晶矽成本的降低更將使多晶矽太陽能電池大行其道。

非晶矽薄膜太陽能電池成本低重量輕，便於大規模生產，有極大的潛力。非晶態矽，其原子結構不像晶體矽那樣排列得有規則，而是一種不定形晶體結構的半導體。非晶矽屬於直接帶系材料，對陽光吸收係數高，只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。非晶矽薄膜太陽能電池於1976年問世，南於矽原料不足和價格上漲，促進了高效使用矽的技術和非晶矽薄膜系太陽能電池的開發。非晶矽薄膜電池低廉的成本彌補了其在光電轉換效率上的不足。但是南於非晶矽缺陷較多，製備的太陽能電池效率偏低，且受制於其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際套用。

微晶矽（μc-Si）薄膜太陽能電池同樣由於光電效率衰退效應致使其性能不穩定。發展受到一定的限制。

多晶矽薄膜太陽能電池是近年來太陽能電池研究的熱點。雖然多晶矽屬於間接帶隙材料，不是理想的薄膜太陽能電池材料，但是隨著陷光技術、鈍化技術以及載流子束縛技術的不斷發展，人們完全有可能製備出高效、廉價的多晶矽薄膜太陽能電池。

製造

常規太陽能電池製作包括晶體生長、切片、拋光等工序，需要大量的人力、物力，特別是在切片工序更是浪費了大量昂貴的矽晶體材料。採用矽懸浮帶提純可以較好地提高功效，減少材料浪費，節約成本。矽懸浮帶提純法也叫czochrals ki晶體生長法，利用石英坩堝把矽熔化，棒的一端是具有一定純度的完好晶體，將棒移過線圈或線圈通過棒，以一定的方向和一定的速率使熔化帶疑固，形成一定的晶體排列，用傳送帶將固化後的矽提升出模。這種矽晶體中心薄，兩邊厚，形成具有很好的抗破碎機械形狀。