太阳能电池分类

最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池。

硅是地球上极丰富的一种元素，几乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽。

用硅来制造太阳电池，原料可谓不缺。

但是提炼它却不容易，所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，至今商业规模生产的太阳电池，还没有跳出硅的系列。

其实可供制造太阳电池的半导体材料很多，随着材料工业的发展、太阳电池的品种将越来越多。

目前已进行研究和试制的太阳电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳电池，举不胜举，这里仅选几种较常见的太阳电池作些介绍。

【硅晶圆太阳能电池】主要是单晶硅与多晶硅
⑴单晶硅太阳电池
单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。

为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。

有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。

硅片经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。

加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。

扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。

这样就硅片上形成PN结。

然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。

因此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。

单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。

最后用框架和装材料进行封装。

用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。

目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为17％左右，实验室成果也有20％以上的。

晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一。

加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。

因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。

⑵多晶硅太阳电池
目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。

其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，
用1：5的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。

用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。

熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。

这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约16％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

　【非晶系硅太阳能电池】Amorphous silicon solar cell 非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。

制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。

辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体。

非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。

若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。

衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。

这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。

非晶硅太阳电池的结构有各种不同，其中有一种较好的结构叫PiN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i 层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。

此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。

同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。

因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。

目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10％左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。

估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。

此类型光电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池。

其结构通常为p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。

由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I层厚度通常只有0.2 ~ 0.5μm。

其吸光频率范围约1.1 ~ 1.7eV，不同于晶圆硅的
1.1eV，非晶性物质不同于结晶性物质，结构均一度低，因此电子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生，I层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。

为克服此困境，此类型光电池长采多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。

这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的SWE效应，其幅度约15 ~ 35﹪。

发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。

前述多层堆栈方式，亦成为弥补SWE效应的一个方式。

非晶型硅光电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法（PECVD）制造硅薄膜。

基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，比如不锈钢、塑料材料等。

其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。

至于多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。

综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过去三年仍呈现快速成长，2003年相较于2002年成长了113﹪，预期此趋势将持续下去。

为了降低制造成本，近年有人开发已VHF电浆进行制膜，制程速度可提升5倍，同时以ZnO取代SnO2作为导电玻璃材料，以降TCO成本，预计未来制程顺利开发成功，将可使非晶型硅光电池竞争力大幅提高。

展望未来此型光电池最大的弱点在于其低光电转化效率。

目前此型光电池效率，实验室仅及约13.5﹪，商业模块亦仅4 ~ 8﹪，而且似乎为来改善的空间，可能相当有限。

【多元化合物太阳电池】
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。

现在各国研究的品种繁多，虽然大多数尚未工业化生产，但预示着光电转换的满园春色。

现在简要介绍几种：
1、铜铟镓二硒太阳能电池Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells
以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。

它是一种多晶薄膜结构，一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10％以上。

因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的新型太阳电池。

近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅薄膜之上，组成叠层太阳电池的可能，借此提高太阳电池的效率，并克服非晶硅光电效率的衰降。

此类型光电池计有两种：一种含铜铟硒三元素（简称CIS），一种含铜铟镓硒四元素（简称CIGS）。

由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。

在实验室完成的CIGS光电池，光电效率最高可达约19﹪，
就模块而言，最高亦可达约13﹪。

CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。

此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。

CIGS光电池其结构有别于非晶型硅光电池，主要再于光电层与导电玻璃间有一缓冲层（buffer layer），该层材质通常为硫化铬（CdS）。

其载体亦可使用具可挠性材质，因此制程可以roll-to-roll方式进行。

目前商业化制程是由shell solar所开发出来，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投资与制造成本均相当高昂，粗估制程投资一平方米约需US$33。

实验室常用的同步挥发式制程，放大不易，可能不具商业化可行性。

另一家公司，ISET，已积极投入开发非真空技术，尝试利用奈米技术，以类似油墨制程（ink process）制备层状结果，据该公司报导，已获初步成功，是否能发展成商业化制程，大家正拭目以待。

另外，美国NREL亦成功开发一种三步骤制程（3-stage process），在实验室非常成功，获得19.2﹪光电效率的太阳能电池。

不过由于该制程相当复杂，花费亦大，咸认放大不易。

综合而言，CIGS在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服：（1）制程复杂，投资成本高；（2）关键原料的供应；（3）缓冲层CdS潜在毒害。

制程改善，如前述有许多单位投入，但类似半导体制程的需求，要改良以降低成本，困难度颇高。

奈米技术应用，引进了不同思维，可能有机会，但应用至大面积制造，其良率多少？可能是一项挑战。

其次原材料使用到铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人类如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有数年光景可用。

镉（Cd）的毒性一直是人们所关注，硫化镉（CdS）在电池中会不会不当外露，危害人们，并不能让所有人放心，因此在欧洲部份国家，舍弃投入此型光电池研究。

2、硫化镉太阳电池
早在1954年雷诺兹就发现了硫化镉具有光伏效应。

1960年采用真空蒸镀法制得硫化镉太阳电池，光电转换效率为3.5%。

到1964年美国制成的硫化镉太阳电池，光电转换效率提高到4％～6％。

后来欧洲掀起了硫化镉太阳电池的研制高潮，把光电效率提高到9％，但是仍无法与多晶硅太阳电池竞争。

不过人们始终没有放弃它，除了研究烧结型的块状硫化镉太阳电池外，更着重研究簿膜型硫化镉太阳电池。

它是用硫化亚铜为阻挡层，构成异质结，按硫化镉材料的理论计算，其光电转换效率可达16.4％。

中国科学院长春应用化学研究所于80年代初曾把薄膜硫
化镉太阳电池的光电转换效率做到7.6％。

尽管非晶硅薄膜电池在国际上有较大影响，但是至今有些国家仍指望发展硫化镉太阳电池，因为它在制造工艺上比较简单，设备问题容易解决
　3、镉碲薄膜太阳能电池Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe
此类型薄膜光电池在薄膜式光电池中历史最久，也是被密集探讨的一种之一。

在1982年时Kodak首先做出光电效率超过10﹪的此类型光电池，目前实验室达成最高的光电效率是16.5﹪，由美国NREL实验室完成，其作法是将已建立多年的电池构造，在进一步增量修改，并改变部分材质。

典型的CdTe光电池结构的主体是由约2μm层的P-type CdTe层与后仅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收层主要发生于CdTe层，西光效率细数大于105㎝-1，因此仅数微米厚及可吸收大于90﹪的光子。

CdS 层的上沿先接合TCO，再连接基材，CdTe上沿则接合背板，以形成一个光电池架构。

目前已知为制备高光电效率CdTe光电池，不论电池结构如何，均需要使用氯化镉活化半导体层，方法上可采湿式或干式蒸气法。

干式法较为工业界所采用。

关于CdTe光电池的薄膜，目前已有多种可行的工艺可采用，其中不乏具量产可行性的方法。

已知的方法有溅镀法（sputtering）、化学蒸镀（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、网印（screen-printing）、电流沉积法（galvanic deposition）、化学喷射法（chemical spraying）、密集堆积升华法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。

各方法均有其利弊，其中电流沉积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界采用的主要方法。

沉积操作时温度较低，所耗用碲元素也最少。

CdTe太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在2002年其全球市占率仅0.42﹪，2000年时全球交货量也不及70MW，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：ㄧ、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53﹪，其中半导体材料只占约5.5﹪。

二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。

三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。

3、砷化镓太阳电池
砷化镓是一种很理想的太阳电池材料，它与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，特别适合做高温聚光太阳电池。

已研究的砷化镓
系列太阳电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷——砷化镓异质结、金属——半导体砷化镓、金属——绝缘体——半导体砷化镓太阳电池等。

砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备，有晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法等。

由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳电池的发展受到影响。

　4、硅薄膜太阳能电池 Thin Film Silicon Solar Cells
最早开发此型光电池是在1970年，至1980年方有大的突破。

其硅结晶层的厚度仅5~50 毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。

除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求，不若硅晶圆型太阳能电池高，材料成本可进一步降低。

由于硅材料不若其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此型光电池硅层膜，不若硅晶圆型太阳能电池硅层厚度约达300微米，为提高光吸收率，设计上需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜型光电池不同之处。

此类型光电池之制备方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、许多型式的化学蒸镀（CVD），包括低压与常压化学蒸镀（LP-CVD、AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（IA-CVD），以及热线化学蒸镀（HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界，虽然如此，一般咸信常压化学蒸镀，应具备发展为量产制程的可能性。

上述蒸镀法，操作温度区间在
300~1200℃，主要依据基材材料而定。

此型光电池光电效率实验室最高已达21﹪，市场上只有Astropower 一家产品，当基材使用石墨时，效率可达13.4﹪，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大底有三个方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高温基材；三、将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。

日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备100㎝2，光电效率达16﹪的组件。

整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。

　5、染料敏化太阳能电池 Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC
此型光电池可是源自19世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过100年后的1991年，瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过7﹪的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。

此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。

目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权，其中包括了Toyota/IMRA、Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。

染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。

失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。

此型电池的结构一般有两种，实验室制备的通常为三明治结构，上下均为玻璃，玻璃内源则为TCO。

中间有两部份，包括含有染料的二氧化钛，以及溶有电解质的有机溶液。

为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术，Gratzel等，于1996年发展出三层式的monolithic cell structure，采用碳电极取代一层TCO电极，各层的制备可直接沉积在另一层TCO上。

玻璃并非必然的基材，其它具挠屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可应用于此类型电池制备。

德国的ISE公司已发展出包含网印方式的生产流程（如下图），制程非常简单。

关于DSSC 的制造成本，由于该型电池为新世代产品，目前并无量产市场，因此有不同的评估值，依据Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光电效率为基础，其制造成本约US$1.0~1.3/Wp（年产能5~10
NWp/year），Solaronix SA 1996年的估算则为US$2.2/Wp/year（年产能4MWp/year）；相较于技术开发较久的
CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）两类型，成本差距似乎不大。

DSSC发展的最大优势在于其简单的制程，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。

其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。

至于铂金属触媒以及染料，相信生产规模变大时，价格亦会下降。

其次就如同其它部分薄膜光电池，因为可以使用具挠屈性基材，因此应用范围可大幅扩张，不似目前硅晶圆式，只适用于屋顶等少数场合。

未来DSSC如要成为具商业竞争力，甚至达到高市占率，仍有几件事需要证明：一、光电池本身的长期使用性。

虽然实验室以较严苛条件测试，推估使用十年以上没有问题，但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。

二、对大面积的制备技术，有待努力发展。

目前此方面工艺研究投入较少。

三、对整体电池模块细部的基础研究，仍有许多工作要做，此方面研究可促进产品质量与规格的确立。

高能阶差半导体，光稳定性较高，因此如能以此类物质取代二氧化钛，学理上应较易获得耐久性DSSC产品，关于这方面研究，有部分研究单位也积极投入，惟至今仍未获得良好成果。

开发新式染料以取代目前公认最佳的染料，有机钌金属（简称N3），亦是一项热门研究主题。

有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域，因此许多人相信经由适切的构思与系列实验，应有机会开发出吸光能力比N3好的有机染料，如此除可免除使用贵重的钌金属外，染料成本也可获得大幅降低。