硅半導(dǎo)體太陽能電池進(jìn)展研究

摘要：能源問題關(guān)系到整體社會的可持續(xù)發(fā)展，就當(dāng)前形勢分析，我國能源資源較為緊張，經(jīng)濟發(fā)展受到一定的限制，環(huán)境協(xié)調(diào)能力不足。在這種情況下積極開發(fā)全新的能源成為推動社會發(fā)展的必然條件。硅半導(dǎo)體太陽能電池作為新型能源具有傳統(tǒng)能源不能夠比擬的優(yōu)勢。本文就硅半導(dǎo)體太陽能電池的發(fā)展進(jìn)行相關(guān)分析。

關(guān)鍵詞：硅半導(dǎo)體、太陽能電池；薄膜電池

硅半導(dǎo)體在工業(yè)、化工、能源、電子、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。太陽能是一種可再生資源，對于太陽能資源的開發(fā)與利用將會大大緩解當(dāng)前能源壓力，并且使環(huán)境得到改善。因此，開發(fā)硅半導(dǎo)體太陽能具有積極地現(xiàn)實意義。

1.開發(fā)硅太陽能電池的必要性

經(jīng)濟發(fā)展過程當(dāng)中容易忽視能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)。當(dāng)前我國發(fā)展受到能源和環(huán)境危機的影響逐步的加深，限制了社會各個方面的可持續(xù)發(fā)展。環(huán)境和能源形勢不容樂觀。如果還以犧牲環(huán)境資源為代價實現(xiàn)經(jīng)濟的快速發(fā)展，將會打破自然的平衡，必然會對社會、生活造成深遠(yuǎn)的影響。因此，解決好能源和環(huán)境問題，實現(xiàn)人與自然的和諧進(jìn)步，在以可持續(xù)發(fā)展為理念不斷地開發(fā)新型能源。太陽能屬于清潔能源，在開發(fā)與利用的過程當(dāng)中不會對周邊環(huán)境造成污染，同時利用硅半導(dǎo)體，制造硅半導(dǎo)體太陽能電池能夠有效地緩解當(dāng)前環(huán)境和能源帶來的壓力。對于促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展具有積極地促進(jìn)作用。

2.硅半導(dǎo)材料

2.1單晶硅材料

單晶硅是晶體的重要組成，具有活潑性非金屬的特點，作為新型材料單晶硅在硅半導(dǎo)體太陽能電池中具有重要的應(yīng)用效果，轉(zhuǎn)換效率高，應(yīng)用技術(shù)相對成熟，但是價格較為昂貴，特別是工藝技術(shù)復(fù)雜，在制造硅半導(dǎo)體太陽能電池上成本較大。轉(zhuǎn)換效率高是單晶硅相比較其他材料最大的優(yōu)勢，現(xiàn)有的第一代硅半導(dǎo)體太陽能電池采用的就是單晶硅，但是隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，單晶硅的轉(zhuǎn)換效率也在逐步的提高，但是值得注意的是，單晶硅的轉(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的轉(zhuǎn)換效果，還沒有達(dá)到其極限，就這點進(jìn)行分析，能夠確認(rèn)單晶硅在硅半導(dǎo)體太陽能電池中的應(yīng)用具有較大的發(fā)展空間。

2.2多晶硅材料

多晶硅是多晶硅薄膜，在制作工藝上與單晶硅大致一樣，但是在投入成本上要明顯低于單晶硅，但是在轉(zhuǎn)換效率上沒有單晶硅高。處于冷凍狀態(tài)，多晶硅會發(fā)生凝固，內(nèi)在的原子發(fā)生變化，產(chǎn)生晶核，經(jīng)過分裂會形成較大的晶粒，在經(jīng)過結(jié)合就形成了多晶硅。多晶硅與單晶硅相比，在力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)上有著差異性，多晶硅的導(dǎo)電效果差，或者是不存在導(dǎo)電性，化學(xué)性與單晶硅較為一致。多晶硅使用的制造工藝主要是改良西門子法和硅烷熱分解法，兩種方面前者工藝較為完善，在原材料、成本、消耗等方面優(yōu)勢較大。后者工藝純度相對較高，主要利用閉路循環(huán)方式。

2.3非晶硅材料

上個世紀(jì)七十年代開始出現(xiàn)，采用的技術(shù)經(jīng)過不斷地創(chuàng)新，與其他材料相比，投入的成本相對較低，環(huán)保性較高，在工藝制作上較為簡便。特備是在物理性質(zhì)較為固定的前提下，將會實現(xiàn)?化學(xué)性質(zhì)在不同斷層上實現(xiàn)沉淀。

3.太陽能電池的原理

通過光電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，這個轉(zhuǎn)換過程被稱為“光伏效應(yīng)”。太陽能電池中涉及到的半導(dǎo)體材料主要是介于導(dǎo)體與絕緣體之間的特殊物質(zhì)，半導(dǎo)體原子由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成。半導(dǎo)體硅原子的外層有四個電子，原子核按固定軌道旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這些電子暴露在異能下時，就會變成自由電子，并在它們的位置上留下一個“空穴”，相當(dāng)于純硅晶體中的空穴。如果在硅晶體中加入硼和鎵等元素，它就會變成空穴半導(dǎo)體，通常用符號P表示，因為這些元素可以捕獲電子。當(dāng)摻雜有磷和砷等元素時，它變成電子半導(dǎo)體，通常用符號n表示。當(dāng)兩個半導(dǎo)體結(jié)合時，結(jié)形成一個p-n結(jié)，防止電子和空穴相互擴散和移動。當(dāng)太陽電池受到輻射時，電子接收光能并向n型區(qū)移動，使n型區(qū)帶負(fù)電荷。同時，孔向p型區(qū)移動，使p型區(qū)帶正電。這樣，電動勢或電壓就產(chǎn)生在p-n結(jié)的兩端。如果P結(jié)和N結(jié)分別與金屬絲焊接并連接到負(fù)載上，則外部電路會有電流通過，從而形成單個電池元件，串聯(lián)、并聯(lián)，它們會產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。

4.硅半導(dǎo)體太陽能電池未來的發(fā)展

硅半導(dǎo)體太陽能電池將會成為社會發(fā)展和國民經(jīng)濟增長的重要能源基礎(chǔ)，晶體硅與硅薄膜將會成為太陽能電池的關(guān)鍵構(gòu)成。硅薄膜在技術(shù)和應(yīng)用上發(fā)展更為良好，具有原材料使用相對較少，成本費用低等特點，特別是工藝技術(shù)水平的提升，硅薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率逐步提升，衰減速度也越來越慢。聯(lián)想等一些企業(yè)也對硅薄膜太陽能電池進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并且取得了較大的技術(shù)性突破。但是，在轉(zhuǎn)換效率低的問題上還沒有完全的克服，硅薄膜太陽能電池造價相對較高，需要投入大量的成本，也是不容忽視的限制條件。多晶硅薄膜太陽能電池是一種新型太陽能電池，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命穩(wěn)定、非晶硅太陽能電池材料制備工藝簡單、成本低、無污染、面積大等優(yōu)點。具有廣闊的發(fā)展前景。多晶硅太陽能電池占據(jù)主流，除了具有優(yōu)異性能的此類電池外，還在于其豐富、廉價、無毒、無污染的硅原料來源，而且近年來多晶硅降低成本將使多晶硅太陽能電池受到歡迎。但多晶硅薄膜的粒徑、晶粒形狀和晶界、膜厚和基片分布以及中有害雜質(zhì)的含量嚴(yán)重影響了陽光的吸收和載流子的復(fù)合速率，從而影響了光電轉(zhuǎn)換效率，也是多晶硅的性能。在薄膜太陽能電池中，單晶硅太陽能電池的主要成因仍然是落后的。

結(jié)束語

對于硅半導(dǎo)體太陽能電池進(jìn)展的研究，需要確定開發(fā)硅半導(dǎo)體太陽能電池的必要性，明確對國民經(jīng)濟發(fā)展的重要意義。單晶硅、多晶硅以及非晶硅是硅半導(dǎo)體太陽能電池的主要材料。在今后的發(fā)展當(dāng)中，單晶硅太陽能電池的發(fā)展空間將會越來越大，特別是硅系薄膜電池所需要的原料較少，相對的制造成本也會降低，當(dāng)前工藝技術(shù)能夠滿足其發(fā)展需求。但同時，晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率相對較差，設(shè)備價格較為昂貴，也在一定程度上限制了其發(fā)展。光伏產(chǎn)業(yè)需求的多晶硅原料較大，導(dǎo)致資源短缺明顯，因此，都為薄膜電池的發(fā)展提供了機遇。薄膜電池將會成為晶體硅電池的有效替代品。

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作者簡介：丁彥妮 1994 女 漢 山西 本科 三江學(xué)院 學(xué)生。

（作者單位：三江學(xué)院）