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硅基太阳能电池的发展及应用
..硅基太阳能电池的发展及应用
摘要：
太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。
关键词：
硅基太阳能电池转换效率
1引言
二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。
传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。
随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。
特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。
中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%--45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。
目前太阳能电池主要有以下几种：
硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。
（图1：
太阳能电池的种类）
太阳电池的基本工作原理是：
在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。
这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。
光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。
因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。
这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应（简称光伏）。
图1典型的晶体硅太阳电池结构图【6】
由于太阳能能源有如此优越的特性，因此，大力发展可再生能源成为了当今世界的热门研究领域，从长远角度来看，在各种可再生能源技术光伏发电自20世纪90年代后半期进入了快速发展时期，最近10年和最近5年的太阳电池的年均增长率都达到了爆发性的水平。
我国太阳能光伏产业的发展在世界光伏市场的拉动下快速发展起来。
2007年我国太阳电池产量达到了1088MW，占世界总产量的27.2%，超过了日本（920MW）和欧洲（1062.8MW），成为世界太阳电池的第一大生产国。
到了2010年中国光伏电池产量己超过全球总产量的50%，目前己有数十家公司在海外上市，行业年产值超过3000亿人民币。
太阳能光伏发电技术具有可持续发展的特点;最丰富的资源来源（太阳）和最洁净的发电过程【4】。
由于太阳电池研究涉及的学术与技术内容过于广泛，而且据近几年市场数据分析，硅基太阳能电池占太阳能电池总产量的98%，故本文只对当前生产化主要的硅基太阳能电池材料进行论述。
2硅基太阳能电池的原理与特点
根据硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。
本文主要论述以下几种硅基太阳能电池的基本原理：
单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，微晶硅薄膜太阳能电池。
晶体硅的发电过程大致如下：
P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚集，产生电位差。
当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
2.1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换效率最高，技术也最为成熟。
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。
现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。
提高转化效率主要是靠单晶硅表面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系统研究所保持着世界领先水平。
该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。
并在表面把一13nm。
厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：
通过以上制得的电池转化效率超过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换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cmX2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cmX5cm）转换效率达8.6%。
2.1.1单晶硅的优点和不足
单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，虽然其转换效率高，但是制作单晶硅太阳能电池需要大量的高纯度硅材料，且工艺复杂，电耗很大池工艺影响，且太阳能电池组件平面利用率低，致使单晶硅成本价格居高不下。
要想大幅度降低其成本是非常困难的。
为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。
2.2多晶硅太阳能电池
目前，太阳能使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶硅颗粒的集合体，或用废弃单晶硅材料和冶金基硅材料熔化浇筑而成，其工艺过程是选择电阻率为100-300
cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1:
5的氢氟酸液混合进行适当的腐蚀，然后用离子水冲洗呈中性，并烘干，用石英坩埚装好许多硅料，加入适当硼硅，放入浇铸炉，在真空状态下加以熔化，熔化后保持约20min,然后注入石墨铸模中，慢慢冷却后即基硅锭，然后切片加工成太阳能电池片，即多晶硅太阳能电池。
2.2.1多晶硅太阳能电池的优点和不足
它的成本和单晶硅差不多，其转换约为12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，总的生产成本较低，因此得到了大量发展。
2.3多晶硅薄膜太阳能电池
通常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。
因此实际消耗的硅材料更多。
为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。
为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。
目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。
此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池【3】。
2.3.1多晶硅薄膜太阳能电池的优缺点
多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。
2.4非晶硅薄膜太阳能电池
非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。
非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要1ùm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。
非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产。
由于硅原料不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。
非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足，未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。
但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，且其效率还会随着光照衰减，导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到
限制。
目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/晶硅异质结太阳能电池，这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度，目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17.4%【3】。
2.4.1非晶硅薄膜太阳能电池优点与缺陷
非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比，具有重量轻、工艺简单、成本低、耗能少和便于大规模生产等优点，因此受到人们
重视，并得到迅速的发展。
非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。
虽然非晶硅薄膜太阳能电池得到了广泛的研究和应用。
但是，依然存在着很多问题需要去解决:
y光学禁带宽度为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域吸收不敏感，限制了其光电转换效率;
（2）光电转换效率随着光照时间的增长而衰弱，即所谓的光致衰退（SW）【2】效应，使得电池性能不稳定;（3）制备过程中，非晶硅的沉积速率较低，影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产;（4）电池组件的后续加工困难，如Ag电极的处理问题;（5）在薄膜沉积过程中存在大量的负面杂质，如Oz,Nz和C等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。
2.5微晶硅薄膜太阳能电池
微晶硅薄膜可采用与非晶硅兼容的技术制备，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅作底电池，形成非晶硅/微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。
通过诸多实验室的努力，微晶硅电池自1994年被报道以来，转换效率得到明显的提高。
目前，单结微晶硅电池的效率已超过10%，微晶硅薄膜的制备方法有:
基于高氢气稀释比，高功率密度的PECVI〕技术;用氢等离子体退火处理a-Si:
H薄膜;电子回旋共振担CR）等离子体淀积技术;用热丝法（VV1J或Cat）技术【1】。
2.5.1微晶硅薄膜太阳能电池的优势与不足
微晶硅薄膜太阳能电池具有过渡层结构，几乎没有s-w效应，稳定性好，可拓展太阳光谱范围，使其转换效率高，具有与非晶硅材料相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点，主要存在的问题就是其生长速率较低的问题，不利于降低制造成本。
这将成为今后重点的研究方向。
3主流太阳能电池材料的比较
单晶硅太阳能电池是开发得最早、使用最广泛的一种太阳能电池，其结构和生产工艺已定型，产品已广泛应用于空间技术和其它方面单晶硅太阳能电池是由高质量的单晶硅材料制成的.目前，商用晶体硅光伏产品的光转化率约为20%左右.由于单品硅材料的制作成木昂贵，而半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转换.是降低成本和提高光子循环的理想材料，非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电池。
非晶硅薄膜太阳能电池可以用玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底.多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太阳电池的激活层。
纳米Ti0:
半导体的化学性质稳定.纳米Ti0:
半导体用做太阳能电池材料的原理与硅半导体相同.但TiO:
是宽禁带（3.2eV）半导体化合物，应用于太阳能电池只有波长较短的太阳光（λ≥387nm）才能被吸收.而这部分紫外线（（300--400nm）只占到达地面上的太阳光能的4%-6%，太阳能利用率很低.提高太阳能吸收效率的途径是缩短Tin:
半导体的禁带宽度使其吸收光谱向可见光扩展，可以通过金属离子掺杂、非金属离子注人、半导体复合以及染料敏化等几个方法来缩短Ti0:
的禁带宽度。
从20世纪70年代起开始探索一些具有大共扼结构的有机化合物或金属配合物用做太阳能电池材料与无机半导体太阳能电池相比，有机材料制备太阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并且可以在可卷曲折叠的衬底上制备具有柔性的太阳能电池等优点.有机太阳能电池材料主要是一些具有大共扼结构的有机小分子花类化合物、有机染料分子、富勒烯及其衍生物等.有机小分子化合物的主要优势是制备和表征比较简单，化学结构很容易修饰，可以根据需要进行设计和改变官能团。
过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物，它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构的多样性，这类化合物的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕，有机配体易于进行分子设计和分子裁剪，而过渡金属离子的d轨道或漱道上具有未成对电子，能形成特有的光电性质。
目前用做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物和具有共扼结构的联毗啶过渡金属配合物。
染料敏化太阳能电池（Dye-sensitizedSoarCells,DSSCs）.以半导体
Ti02薄膜为光阳极，并引入了染料敏化剂，使电池效率达到7.1%，
这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方法，它将带有发色团的染料分子引人到半导体中，大大增强了半导体TiO,捕获太阳光的能力。
由于现在对界面电荷的分离机理还不是很明确，当电荷分离形成之后就会发生电荷的迁移电子移向正极而空穴移向负极，从而在两极间形成一定的电势，但在电荷的迁移过程中，也伴随着电荷的重新结合（重合）。
电荷重合浪费了界面电荷分离所储存的电势能，极大地降低光电转化的效率.目前染料敏化太阳能电池材料还存在光电转换率低，或是电池材料的寿命短.因此寻找光转换效率高寿命长的光敏染料是染料敏化太阳能电池材料研究的重要方向。
4硅基太阳能电池的发展和应用前景
4.1 硅基的发展历程
硅基太阳能电池的发展可划分为三个阶段（如图1所示），每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。
图1电池效率发展路程图
1954年贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备工艺日趋完善、硅材料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这一期间电池效率在15%。
1972年到1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17%，电池成本大幅度下降。
1985年后是电池发展的第三阶段，光伏科学家探索了各种各样的电池新技术、金属化材料和结构来改进电池性能提高其光电转换效率：
表面与体钝化技术、Al/P吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。
许多新结构新技术的电池在此阶段相继出现，如效率达24.4%钝化发射极和背面点接触（PERL）电池。
目前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生产当中来。
目前已经有多家国内外公司对外宣称到2008年年底其大规模产业化生产转换效率单晶将达到18%，多晶将超过17%。
4.2硅基太阳能电池的应用前景
目前，硅基电池已广泛应用于工业、农业、商业、通信、军事、航火等领域。
还包括家用电器以及公用设施。
硅基电池的应用主要可分为3种类型:
并网型、离网和家用电器产品。
4.2.1并网
进入21纪以来，全球太阳能光伏并网发电年度并网容址增长了44.1倍.从2000年的287MW递增至2008年的29.85MW，年均增长率
达60.99%，同比2007年增长了72.65%.全球太阳能光伏并网发电并网累积总里增长10.5倍，从2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增长率为35.6%。
世界各国都在楼宇和家居屋顶应用了太阳能电池，所发的电大都可以并网。
4.2.2离网应用
与井网发电相比，离网发电具有灵活等特点，特点，始终占据着重的市场份领，如用于通信联络中继站的供电、边远山区小功率的生活用电等场合。
在不少偏远地区如远离城市的农场、山区、葡萄园采用离网方式发电，如水泵的供电系统。
功率可高达441.3KW。
4.2.3家用电器应用
太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。
太阳电池日益成为家用电器的"能源心脏"。
1.太阳能电话。
以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。
它利用顶端上装的太阳能接收板，可以不断给电池充电。
使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机，再传送到各地电话通讯网去。
巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时，便足够使用10多天。
2.太阳能冰箱。
法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰剂，每24小时可制冰10公斤，保鲜30公斤食物。
印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在－2℃，可冷藏500公斤食品，每天还可制出25公斤冰来。
3.太阳能空调器。
日本夏普电器公司制造的这种空调装置，当天气晴朗时，全部动力都由阳光供给，多云或阴天时才使用一般电源。
期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间18平方米的居室室温保持在20℃左右，并较一般空调器节约电费60％以上。
4.太阳能电视机。
芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需电源便可观看电视。
转换器贮存的电能，可供工作电压为12伏的电视机使用3至4小时。
印度研制的太阳能电视机，其能源吸收系统只要每天工作4小时，即使连续3天无太阳，也能正常接收信号播放节目。
5.太阳能照相机。
日本制作的世界上第一架太阳能照相机，重量仅有475克，机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用4年。
美国一家公司生产了一种新型的135照相机。
它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则由太阳能硒光电池提供，只要有光线就能供电。
5.总结
目前晶体硅电池仍然是硅基太阳能电池的主要部分，但由十成木、环保等发而的制约。
为了寻找晶硅电池的替代品，人们除开发了硅基薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。
其中主要包括砷化嫁III-V族化合物、硫化福、硫化福及铜锢硒薄膜电
池等。
但这些材料有些含有剧毒而制约其发展。
硅基薄膜凭借其而积大、成木低、工艺设备成熟、易集成、无毒、有多种廉价衬底选择以及适合制备柔性电池等优势，己经成为工业生产的一个重要组成部分。
随着研究的深入，技术的进步和成木的进一步下降，薄膜电池将占据越来越多的市场份额，最终取代体硅材料成为太阳能电池的主要材料。
薄膜电池的另一个优点是适合作为光伏建筑一体化（BIFV）的材料，非氢化非晶硅薄膜电池的生产线己有很多条，但其红外波段的响应较弱，受到光致衰
减效应的影响，组件效率较低。
为了充分利用光谱减小光致衰减效应以提高效率，非晶微晶叠层电池己成为目前研究的一个热点。
多晶硅薄膜电池的制备温度较高，耐高温衬底的成本
大致为组件制造成本的三分之一，因此寻找低成本的衬底和高效的低温制备技术和工艺艺是目前研究的一个重点。
参考文献
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山西太原，太原科技大学。
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青海西宁，青海大学先进材料重点实验室。
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硅太阳能电池的应用研究与进展。
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华南理工大学电子信息学院，茂名学院物理系。
【6】汪建军，刘金霞。
太阳能电池及材料研究和发展现状。
宁波
浙江万里学院。
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