太阳能电池技术应用与发展

太阳能电池技术应用与发展

摘要: 本文介绍了太阳能电池的原理、特点、种类及其发展现状，并预计了未来太阳能电池的发展及应用

趋势。

关键词: 太阳能电池光伏效应薄膜电池

The Application and Development of Solar Cells Abstract:In this paper, the principle, characteristics, sorts and present research of solar cells are reviewed.

Some important expectations for solar cells development and its future application trends are given.

Key words: solar cells; photovoltaic effect; thin film cells

一、引言

太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。

当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N 结区，通过P—N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体[1～3]。

二、太阳能电池技术优势

（1）燃料免费；

（2）没有磨损、毁坏或需替换的活动部件；

（3）保持系统运转仅需很少的维护；

（4）系统为组件，可以在任何地方快速地安装；

（5）无噪声、无有害排放和污染气体。

三、太阳能电池发展的意义

（1) 保护气候；

（2) 改善环境；

（3) 节省空间；

（4) 增加就业；

（5) 为农村提供电力；

（6) 大力推进普及电力服务，为无电人口提供电力；

（7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给。

四、太阳能电池的发展历程

第一代：晶硅电池；

第二代：薄膜电池；

第三代；聚光太阳能系统（CPV )。

五、各类太阳能电池简介

1、晶硅电池

晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。自1954 年贝尔实验室发表了具备6％光电效率的电池后，随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，单晶硅太阳电池发展很快，一直是市场的主角。在电池制作中，一般都要采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，目前开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，提高转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。

多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，它的研究热点包括：开发太阳级多晶硅生产技术、开发快速掺杂和表面处理技术、提高硅片质量、研究连续和快速的布线工艺、多晶硅电池表面织构化技术和薄片化、高效化电池工艺技术等，以进一步降低成本。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约17％左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，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。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。多晶硅太阳能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，在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。

2、薄膜电池

目前，进入到规模产业化阶段的第二代电池按吸收层材料可分为以下几大类：非晶、微晶硅(锗)、碲化镉(CdTe)以及铜铟镓硒(CIGS)。其中，铜铟镓硒电

池的效率最高，达到20%，但其规模化的生产工艺还在逐渐成熟，而且铟元素的地壳储量很低，长期材料供应可能会有问题。碲化镉电池当前的最高效率是16.7%，相比较而言，碲化镉电池在效率、生产工艺的成本与稳定性、原材料供应等各方面综合性能较均衡，因此其产销量在最近几年增长很快，也是第一个做到生产成本低于1 美元/Wp 的太阳电池技术。

2.1 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池

碲化镉是II-VI族化合物半导体材料，属于直接禁带类型，禁带宽度约为1.5eV。这一宽度与地面标准太阳能谱(AM1.5)的峰值位置相吻合。理论计算也表明，单结太阳电池要想获得最佳的能量转换效率，其吸收层的禁带宽度应接近1.5eV[4]。由于碲化镉是直接禁带半导体，其光学吸收系数在1.5eV 以上很快达到104～105cm-1 数量级。这些综合特性使得碲化镉成为薄膜太阳电池吸收层的理想候选材料。

在碲化镉光伏器件中，碲化镉层一般显示p型导电性，与显示n型导电性的硫化镉(CdS)组成p-n结。这两种材料都无需在沉积过程中外加掺杂，其导电性主要由内缺陷和后期氯化镉(CdCl2)处理过程引入的杂质产生。

碲化镉虽然有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是闪锌矿(zinc-blende)型立方晶格结构，晶格常数约为0.648nm。因此碲化镉的能带结构与典型的闪锌矿型半导体(如砷化镓)有许多相通之处，如直接禁带都位于布里渊区里的k®=0点。理论计算得出的碲化镉能带结构可参见文献。硫化镉也具有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是六方结构。

材料光学性质包括折射率n和消光系数k，也可以用复介电常数e=e1+ie2等效表征：

e1=n2-k2 (1)

e2=2nk (2)

图1给出了宽光谱范围内(0.75～6.5eV)几种典型碲化镉和硫化镉材料的复介电常数曲线，溅射生长条件参考文献。需要注意的是：碲化镉薄膜电池中的多晶半导体材料晶粒尺寸在纳米到微米量级。在这个范围内，材料光学性质受晶粒尺寸、内应力和空隙度等其他物理特性的影响而变化相当显著。这就是图1a和1b 中两条曲线都对应同一化学物质却具有不同光学特性的原因。这和晶粒尺寸或原