光电子技术论文

硅光电池——我们日常生活中的太阳

能电池光电池也称为光伏电池。它既可以作为电源，又可以作为光电检测器件。作为电源使用的光电池，主要是直接把太阳的辐射能转换为电能，称为太阳能电池。

常见的光电池有硅光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池,还有硫化铊电池等。其中硅光电池、因其价格便宜、光电转换效率高、光谱响应宽（很适合红外探测）、寿命长、稳定性好、频率特性好、能奈高能辐射、、等优秀的特点，备受人们关注。所以，在此本人着重介绍硅光电池。

一、硅光电池的分类：

1）单晶体硅光电池

单晶体硅光电池用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为Φ10至20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24%，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5-18%，地面用大量生产的在AM1条件下多在11-18%之间。

2）多晶体硅光电池

p-Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p-Si 光电池转换效率为15.3%，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为 12.6-17.3%。采用廉价衬底的p-Si薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对a-Si：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8%和9.2%的无退化电池。微晶硅薄膜生长与a-Si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7%。大面积低温p-Si膜与-Si组成叠层电池结构，是提高a-S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28%以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。

3）非晶体硅光电池

a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化（0.5m×1.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层p in 等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。其商品化产量连续增长，年产能力45MW/a，10MW生产线已投入生产，全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。发展集成型a-Si光电池组件，

激光切割的使用有效面积达90%以上，小面积转换效率提高到14.6%，大面积大量生产的为8-10%，叠层结构的最高效率为21%。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。

二、硅光电池的工作原理（简介）

即使是是不同材料制作的硅光电池，它的发电原理也是基本相同的，其能量转换的基础是PN结的光生伏特效应。这里便不得不提及光生伏特效应。

当光照射到PN结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。而硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。

硅光电大多是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，在Ｐ型层上贴一栅形电极，Ｎ型层上镀背电极作为负极。电池表面有一层增透膜，以减少光的反射。由于多数载流子的扩散，在Ｎ型与Ｐ型层间形成阻挡层，有一由Ｎ型层指向Ｐ型层的电场阻止多数载流子的扩散，但是这个电场却能帮助少数载流子通过。当有光照射时，半导体内产生正负电子对，这样Ｐ型层中的电子扩散到ＰＮ结附近被电场拉向Ｎ型层，Ｎ型层中的空穴扩散到ＰＮ结附近被阻挡层拉向Ｐ区，因此正负电极间产生电流；如停止光照，则少数载

流子没有来源，电流就会停止。

二、硅光电池的应用

硅光电池是一种半导体光电器件，它能将光能直接转换成电能，所以可把它用做能量转换器，将太阳光的能量转换成电能;硅光电池还能将变化的光信号转换成相应变化的电信号，所以它又是一个重要的光电信号转换器。因此，在工农业生产和技术革新中有着十分广泛的应用。

1.作为能源使用

在这方面的应用又可分为两类，即空间应用和地面应用。空间应用主要作为空间探测用的电源，用于人造卫星、宇宙飞船中。在应用过程中通常是按所需的电压和功率，把硅光电池单体串、并联成组合板，许多组合板再组装成电池阵列。地面应用除用做航标灯电源外，在无人气象观测站、地震观测站、微波中继站等等方面，也可作为电器设备的电源，而在广阔的农村、山区、沙漠、海滨等地，还可作为照明或其它用途的小型电源，例如农村中灭虫用的黑光灯即是一例。这些地区架设电力网路困难，从设备投资和维护管理考虑也不经济，而利用硅光电池可以就地取

“电”。目前虽然成本很高，但由于寿命长，不需燃料，维护及管理简便，所以，从长远发展考虑还是很有研究价值的。2.作为光电信号转换器使用

硅光电池作为信号转换器使用，与其它光电器件相比，有其独特的优点。如与光电管相比，它体积小，重量轻，不怕强光，不需外加电源;与光敏电阻、硒光电池相比，它不易老化，参数稳定，光电积分灵敏度高，与光电二极管及三极管相比，价格较廉，线路简单。另外，硅光电池具有20年以上的寿命，更是显著的长处。根据使用方式的不同，可把它的应用分为三类:(1)作为光电开关使用。如，在电力系统中实现安全低压操作（2)光电流随光照面积大小变化而变化的应用。如，用于电影放映机做欢音原件(3)光电流随光强度变化而变化的应用。如，其在照度计、比色计和浊度计等仪器中的应用。

三、发展预期

硅光电池是在最近二十年间发展起来的一种半导体光电器件。硅光电池与其它光电池相比，在工作机理方面的研究比较深人，在制造工艺方面也比较成熟。前面的介绍只是很初步的，也是比较浅近的。随着对硅光电池原理的深人研究，一些结论会有新的发展，例如极限转换效率就不一定是23 00，但上述原理对硅光电池的认识和改进仍具有重大指导意义。

在作为能源应用方面，硅光电池是人造卫星、宇宙飞船和星际站的主要能源。地面应用也在逐步推广，但受到成本的限制目