太陽能電池及發(fā)電原理

【摘 要】對已經(jīng)取得較普遍應(yīng)用的是Si體太陽電池來說，開發(fā)新技術(shù)以降低電池的制造成本是目前該領(lǐng)域最重要的努力方向之一。盡管通過優(yōu)化制造工藝可以在一定程度上進一進降低單晶Si和多晶Si體太陽電池的成本，但要進大幅度地降低Si太陽電他的成本似乎是只能依賴于新一代的多晶Si薄膜電池。多晶Si薄膜電池因其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長和工藝簡化等優(yōu)點而極具潛力。本文從多晶硅電池的概述、原理 、結(jié)構(gòu)、材料制備、材料性能和有關(guān)工藝等方面對多晶Si薄膜太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢作了介紹。

【關(guān)鍵詞】多晶硅薄膜；太陽電池；多晶硅制備；工藝

多晶硅太陽能電池片，多晶硅電池片其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。我國的太陽能工業(yè)才剛剛起步， 2006年底全部達產(chǎn)后的國內(nèi)生產(chǎn)能力約為300兆瓦。我國生產(chǎn)的太陽能電池幾乎全部出口到國外市場，國內(nèi)用量極少。據(jù)預(yù)測：2010年全球（尤其是發(fā)達國家）太陽能使用量將達到18000兆瓦以上，我國的潛在市場將達到3000兆瓦。因此，太陽能電池工業(yè)將有極好的市場前景。

多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右（2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽能電池）。從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些，材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。

多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽能電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶硅太陽能電池的研制。

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350-450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，對于目前的硅系太陽能電池，要想再進一步提高轉(zhuǎn)換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，現(xiàn)有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽能電池最費錢的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來降低襯底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽能電池發(fā)展急需解決的問題。近來國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較現(xiàn)想的。350-450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，對于目前的硅系太陽能電池，要想再進一步提高轉(zhuǎn)換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，現(xiàn)有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的，這是制造硅太陽能電池最費錢的部分。因此，在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來降低襯底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽能電池發(fā)展急需解決的問題。近來國外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較現(xiàn)想的。

單晶硅太陽電池雖有其優(yōu)點，但因價格昂貴，使得單晶硅太陽能電池在低價市場上的發(fā)展備受阻礙。而多晶硅太陽能電池則是以降低成本為優(yōu)先考慮，其次才是效率。多晶硅太陽能電池降低成本的方式主要有三個，

一是純化的過程沒有將雜質(zhì)完全去除；

二是使用較快速的方式讓硅結(jié)晶；

三是避免切片造成的浪費。

因為這三個原因使得多結(jié)晶硅太陽能電池在制造成本及時間上都比單晶硅太陽能電池少，但因為這樣使得多晶硅太陽能電池的結(jié)晶構(gòu)造較差。多晶硅太陽能電池與單晶硅太陽能電池雖然結(jié)晶構(gòu)造不一樣但發(fā)電原理一樣。多晶硅太陽能電池結(jié)晶構(gòu)造較差主要的原因有兩個，一是本身含有雜質(zhì)，二疏在結(jié)晶的時候速度較快，硅原子沒有足夠的時間成單一晶格而形成許多結(jié)晶顆粒。結(jié)晶顆粒愈大則效率與單晶硅太陽能電池愈接近，結(jié)晶顆粒愈小則效率愈差。效率差的原因是顆粒與顆粒間存在著結(jié)晶邊界，結(jié)晶邊界存在許多的懸浮鍵，懸浮鍵會與自由電子復(fù)合而使電流減少，而且結(jié)晶邊界的硅原子鍵結(jié)情況較差，容易受紫外線破壞而產(chǎn)生更多的懸浮鍵。隨著使用時間的增加，懸浮鍵的數(shù)目也會隨著增加，光電轉(zhuǎn)換效率因而逐漸衰退。此外雜質(zhì)多半聚集在結(jié)效率100%效率75%串聯(lián)組合晶邊界，雜質(zhì)的存在會使自由電子與電洞不易移動。結(jié)晶邊界的存在使得多晶硅太陽能電池的效率降低，懸浮鍵的增加使得光電轉(zhuǎn)換效率衰退，這兩個是多晶硅太陽能電池的主要缺點，而成本低為其主要優(yōu)點。

參考文獻：

[1]王文靜.多晶硅薄膜太陽電池[J].太陽能學(xué)報，1988.（3：）66～70.

[2]季秉厚，王萬路..多晶薄膜與薄膜太陽電池[J].太陽能學(xué)報，特刊99：90～96.

[3]耿新華，猛志國，.陸靖谷等，低溫n2c2Si在大面積a2Si太陽電池的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報，1991.12（3）：247～254.

[4]高峰，孫成權(quán)，.劉全根.太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].世界科技研究與發(fā)展，2001（4）：101～105.

[5]李維剛，許穎，勵旭東等.區(qū)熔再結(jié)晶制備多晶硅薄膜太陽電池[J].太陽能學(xué)報，2001，37（6）：746

[6]王文靜，許穎，羅欣蓮等.快速汽相沉積法制備硅薄膜太陽電池[J].太陽能學(xué)報，1999，20（4）：404