晶硅太陽電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

王英連

摘 要：在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，人類一直在探究如何利用太陽電池作為清潔能源、可再生能源。文章概述了太陽電池的工作原理，并對(duì)單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析了其發(fā)展前景。晶體硅太陽電池因其儲(chǔ)量豐富、安全無毒、易于大面積制備和基底多樣化等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，使其在現(xiàn)在的光伏市場(chǎng)中成為主角，也是未來一段時(shí)間發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Ч杼栯姵?；多晶硅太陽電池；非晶硅太陽電?/p>

中圖分類號(hào)：TM914.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0062-03

Abstract： In the increasingly serious environmental pollution today， human beings have been exploring how to use solar cells as clean energy， or renewable energy. In this paper， the working principle of solar cells is summarized， the research status of monocrystalline silicon， polycrystalline silicon and amorphous silicon solar cells are reviewed， and the development prospect of solar cells is analyzed. Crystalline silicon solar cells have become the focus of research because of its abundant reserves， safety and non-toxic nature， and easiness to be prepared in large areas and diversification of substrate， which makes it become the leader in the photovoltaic market as well as the main trend of development for a period of time in the future.

Keywords： monocrystalline silicon solar cells； polycrystalline silicon solar cells； amorphous silicon solar cells

1 概述

當(dāng)今世界人類面臨的最嚴(yán)峻的問題就是能源枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，而太陽能是取之不盡的清潔能源，其利用的有效途徑就是太陽電池。對(duì)太陽光伏系統(tǒng)來說，Si資源豐富、性能穩(wěn)定、無污染，成為最有前途的材料。1954年第一塊實(shí)用的Si半導(dǎo)體太陽電池在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，揭開了光電技術(shù)的序幕，也揭開了人類利用太陽能的新篇章。迄今為止，許多新技術(shù)的應(yīng)用極大提高了太陽電池的效率，在硅太陽電池方面，嘗試了多種結(jié)構(gòu)和技術(shù)來改進(jìn)電池性能，如背表面場(chǎng)、淺結(jié)、絨面、鈍化、Ti/ Pd金屬化電極和減反射膜等。太陽能應(yīng)用中，90%由硅系列太陽能電池占據(jù)，硅太陽電池按照材料的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池，本文對(duì)這三種太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并分析了其發(fā)展前景。

2 太陽電池的工作原理

太陽電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，當(dāng)太陽電池受到陽光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開到兩極，正負(fù)電荷分別被上下電極收集，由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負(fù)載。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照時(shí)，就會(huì)把太陽光能變成電能，產(chǎn)生電流。也可以把許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來成為太陽能電池方陣，獲得較大的輸出功率。太陽電池主要由四部分組成：一是半導(dǎo)體材料部分，其禁帶寬度不能太寬，以提高太陽輻射的利用率，主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵等無機(jī)化合物和有機(jī)半導(dǎo)體幾類；二是表面涂層部分，主要由金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飿?gòu)成；三是電極部分，由金屬導(dǎo)體構(gòu)成；四是封裝部分，主要由玻璃和有機(jī)玻璃構(gòu)成。所用材料必須性能穩(wěn)定、便于生產(chǎn)、沒有污染。

3 晶硅太陽電池

3.1 單晶硅太陽電池

3.1.1 研究現(xiàn)狀

在光伏技術(shù)和微型半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了第一塊效率為6%的單晶硅太陽電池，標(biāo)志著人類利用太陽能的起點(diǎn)。單晶硅晶體的原子和分子以同一晶向周期性的整齊排列，主要用于制作半導(dǎo)體元件，在其中摻入微量的ⅢA族元素，如硼，可形成p型硅半導(dǎo)體，提高其導(dǎo)電性；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷，可形成n型硅半導(dǎo)體。單晶硅太陽電池多以p型硅片做基底，轉(zhuǎn)換效率高、壽命長，但工藝繁雜，成本高昂，其中硅材料和制硅片的成本占單晶硅太陽電池制造成本的60%，昂貴的大量高純硅的需要迫使單晶硅太陽電池向超薄化方向發(fā)展，輔之以表面織構(gòu)和發(fā)射極鈍化等新技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品開發(fā)迅速，已廣泛用于空間和地面。

目前，單晶硅太陽電池及其組件的制備技術(shù)已經(jīng)十分成熟。低成本高效硅電池得到了飛速發(fā)展，通過多線切割技術(shù)、電化學(xué)工藝等都能大大降低成本。另外，提高電池轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)有效途徑就是增強(qiáng)光吸收，可通過表面制絨技術(shù)有效地形成絨面結(jié)構(gòu)，不僅可以降低表面的反射率，而且還可以在電池的內(nèi)部形成光陷阱，從而顯著提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

半導(dǎo)體的禁帶寬度決定著太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，單晶硅太陽電池效率的理論極限為28%。新南威爾士大學(xué)報(bào)導(dǎo)了用液相外延法制備的高效漂移場(chǎng)單晶硅電池，4.11cm2電池轉(zhuǎn)換效率為16.4%，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等技術(shù)加工，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24.7%[1]。北京市太陽能研究所研制的單晶硅太陽電池綜合利用了各種先進(jìn)技術(shù)，將光電轉(zhuǎn)換效率提升到了19.8%。OlafBerger等人[2]用一種商業(yè)化的白色油漆（主要成分為TiO2）作為單晶硅太陽能電池的背反射層，它是一種彩色的漫反射層，特別是當(dāng)電池厚度是1-2時(shí)，該層對(duì)提高電池的短路電流，比其他背反射器的效果都要好。

3.1.2 發(fā)展趨勢(shì)

限制單晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：電池表面柵線遮光影響，表面光反射損失，光傳導(dǎo)損失，內(nèi)部和表面復(fù)合損失等。針對(duì)以上這些問題，可以從以下幾個(gè)方面來提升其轉(zhuǎn)換效率：（1）用單、雙層減反射膜減小表面反

射，如TiO2/SiO2膜。減反射膜可有效降低太陽電池的表面反射率，增加對(duì)紅外光子的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率。（2）利用絨面陷光結(jié)構(gòu)延長光程，p-n結(jié)面積較大的絨面電池，入射光在表面多次反射，附近產(chǎn)生較多光生載流子，從而增加收集幾率并且可以提高短路電流。現(xiàn)在工業(yè)上大多采用絨面工藝形成均勻密布的金字塔結(jié)構(gòu)[3]。（3）激光刻槽埋柵技術(shù)[4]。（4）背點(diǎn)接觸電極克服表面遮光技術(shù)。（5）高效反射器及光吸收技術(shù)。（6）接收端增加聚光器。（7）點(diǎn)接觸硅光伏電池。（8）鈍化發(fā)射區(qū)背部定域擴(kuò)散電池等新型單晶硅電池。

3.2 多晶硅太陽電池

3.2.1 研究現(xiàn)狀

早期的多晶硅光伏電池具有較低的轉(zhuǎn)換效率，但原材料廉價(jià)易得，能耗低，成本控制好，所以比單晶硅更具發(fā)展?jié)摿Α＝陙?，由于澆鑄技術(shù)的發(fā)展，再加上多晶硅光伏電池工藝制作的不斷進(jìn)步，使得太陽電池的光電效率有了較大提高。1998年，多晶硅太陽電池全世界的總產(chǎn)量達(dá)79.9MW，第一次超過了單晶硅光伏電池產(chǎn)量的75MW，隨后三年繼續(xù)保持穩(wěn)定增長。到2001年，在市場(chǎng)份額占有方面，多晶硅太陽電池已達(dá)52%，大大高于單晶硅光伏電池的35%。

由于多晶硅內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特性，如大量晶粒和晶界的存在，晶粒晶向的不同，堿液腐蝕的各向異性等，所以只可采取各向同性酸腐蝕的方法，而不能像單晶硅一樣采取堿腐蝕。堿腐蝕中各晶向的腐蝕速率不一致，容易在晶界處形成臺(tái)階結(jié)構(gòu)，有損電極的制備。當(dāng)前大規(guī)模的生產(chǎn)通常采用硝酸（HNO3）、去離子水和氫氟酸（HF）的不同化學(xué)配比的混合溶液，來腐蝕硅片表面，實(shí)現(xiàn)硅表面織構(gòu)。由理論推算，23%是多晶硅光伏電池的光電效率的極限，目前的最高記錄是1.002cm2的電池效率達(dá)20.3%，是由德國弗朗霍夫研究所研制。該電池的絨面結(jié)構(gòu)是采用等離子體掩膜法制得，并且還實(shí)現(xiàn)了局部背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有良好的光電性能。其次應(yīng)用濕法氧化法達(dá)到了優(yōu)良的鈍化效果，大大削弱了溫度對(duì)少子壽命的作用，增強(qiáng)了光電轉(zhuǎn)換效果。由此可見，表面鈍化、絨面結(jié)構(gòu)和晶粒邊界是提高多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。2006年日本京瓷制成了電池效率達(dá)18.5%的15×15cm2的大面積多晶硅電池，PECVD-SiN技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了減反和鈍化雙重效果。太陽電池的鈍化通常采用PECVD的方法沉積氮化硅薄膜來實(shí)現(xiàn)，薄膜中的大量的氫可與缺陷或表面處的懸掛鍵結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅中缺陷和表面態(tài)的鈍化，該過程與沉積氮化硅同步完成。

3.2.2 發(fā)展趨勢(shì)

轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及有效的成本控制使得多晶體硅太陽電池一直占據(jù)市場(chǎng)的重要位置，再加之不斷完善的多晶硅技術(shù)及日趨成熟的電池生產(chǎn)工藝，預(yù)計(jì)多晶硅光伏電池將迎來更加穩(wěn)健的發(fā)展[5]：（1）優(yōu)化多晶硅的制備工

藝，盡量減少缺陷、氣孔和雜質(zhì)，提高結(jié)晶質(zhì)量，減小晶界的影響，提高光生載流子收集率。（2）合理采用性能優(yōu)良的氮化硅減反膜，氮化硅中釋放出的氫也會(huì)鈍化硅中的雜質(zhì)，鈍化效果明顯，性能穩(wěn)定。（3）為降低多晶硅片內(nèi)雜質(zhì)的影響，以及減小背表面復(fù)合的幾率，可嘗試采用磷擴(kuò)散、背表面鈍化及鋁背場(chǎng)的吸雜等。

3.3 非晶硅太陽電池

3.3.1 研究現(xiàn)狀

非晶硅太陽電池是1974年才出現(xiàn)的新型太陽電池，具有廣闊的發(fā)展前景，盡管目前它的轉(zhuǎn)換效率沒有晶體硅高，但非晶硅材料對(duì)可見光的吸收系數(shù)高，厚度約1μm的非晶硅就能吸收90%的太陽光能，因而電池可以做得很薄，制備工藝簡(jiǎn)單，能耗少，約100kW·h/m2，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短得多，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，極具市場(chǎng)潛力。單結(jié)非晶硅太陽電池一般不采用pn結(jié)構(gòu)而采用pin結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榉蔷Ч杼栯姵氐拈_路電壓是由p層和n層材料的費(fèi)米能級(jí)之差決定的。襯底透明的非晶硅太陽能電池一般采用pin結(jié)構(gòu)，襯底不透明的采用nip結(jié)構(gòu)。非晶硅一般采用高頻輝光使硅烷分解沉積而成，該材料可以與氫融合反應(yīng)形成氫化非晶硅，進(jìn)而大大降低缺陷率，是一種極為實(shí)用的半導(dǎo)體應(yīng)用材料。

目前，德國RWE Schottsolar公司的非晶硅年生產(chǎn)能力達(dá)30MWp/年，初始效率高于9%；日本Kaneka公司的910×910mm2的單結(jié)非晶硅太陽電池組件年生產(chǎn)能力達(dá)25MWp，將適用于疊層電池的中間層嘗試用于非晶硅頂電池與微晶底電池之間，增加了短波在頂電池中的反射，從而增大了頂電池的電流密度，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，其非晶/微晶疊層電池轉(zhuǎn)換效率為13.4%。2010年由南開大學(xué)和天津津能公司合作的非晶硅微晶硅疊層太陽電池生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)。

非晶硅電池盡管具有許多單晶和多晶硅電池?zé)o可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但其存在光致衰退S-W效應(yīng)，穩(wěn)定性差，目前最高轉(zhuǎn)換效率為13.4%。因此對(duì)于單結(jié)太陽電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右（AM1.5）。而制作疊層太陽電池是一個(gè)很好的方法，疊層電池可以把不同的禁帶寬度材料組合在一起，拓寬了光譜的響應(yīng)范圍，同時(shí)通過調(diào)節(jié)不同本征薄膜的禁帶寬度可增加不同光譜范圍的有效光吸收。疊層太陽電池的不同光伏材料膜層對(duì)應(yīng)于不同太陽光譜部分，雖然也有衰退現(xiàn)象，但a-Si光伏系統(tǒng)在經(jīng)過一年或兩年的15%初始功率衰減后可望獲得可靠和恒定的功率輸出[6]。

3.3.2 發(fā)展趨勢(shì)

展望未來，如何提高光電轉(zhuǎn)換效率依然是太陽能電池研制的重中之重，縱觀現(xiàn)在科技人員的研究，要大力發(fā)展非晶硅太陽電池可著眼于：（1）在生產(chǎn)技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了提高效率和穩(wěn)定性，可通過設(shè)計(jì)研制雙結(jié)或多結(jié)電池，同時(shí)電池i層材料可采用新的優(yōu)質(zhì)原料，降低成本的同時(shí)進(jìn)一步采用大面積模塊生產(chǎn)工藝。（2）對(duì)太陽電池中的控制器和逆變器也應(yīng)該提出更高要求，如控制成本、提高性能和加快智能化等。（3）非晶硅電池的發(fā)展不是孤立的，要重視系統(tǒng)技術(shù)的研究，實(shí)驗(yàn)要和實(shí)際結(jié)合起來，搞好試驗(yàn)示范，做好推廣及應(yīng)用。

4 結(jié)束語

進(jìn)入21世紀(jì)以后，由于光伏能源市場(chǎng)進(jìn)入快速發(fā)展期，如何有效降低太陽電池的成本一直是困擾相關(guān)研究人員的重要問題。晶體硅太陽電池因其儲(chǔ)量豐富、安全無毒、易于大面積制備和基底多樣化等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，使其在現(xiàn)在的光伏市場(chǎng)中成為主角，也是未來一段時(shí)間發(fā)展的主要方向。目前，標(biāo)況（25℃，100W/m2）下晶硅光伏電池的最大發(fā)光效率為24.7%，這由新南威爾士大學(xué)保持。雖然多年來科技人員多方努力，但這一效率到目前還未有被刷新的報(bào)道。讓我們共同盼望晶體硅光伏太陽電池效率的不斷提升以及光伏產(chǎn)業(yè)更穩(wěn)健的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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