……太阳能电池概述

太阳能电池是一种具有光伏效应的半导体器件。1839 年，法国物理学家意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。

1883 年，有人在半导体硒和金属接触处发现

了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN 结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。

半导体中的电子的运动状态，按能量可分为导带和价带，二者之间的能量间隙称为禁带。处在导带中的电子，可在整块半导体中自由运动，传导电流。处在价带中的电子，只能绕原子核运动，不能传导电流。

导带

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禁带————————————价带———————————

半导体受到光能、热能或其他外来能量激发时，价带中的电子会跃迁入导带，在价带中留下一个空穴。空穴带正电，也可在整块半导体中自由运动，传导电流。能够传导电流的电子和空穴称为载流子。电子和空穴都是成对出现、成对存在的。受光激发产生电子、空穴对的过程，称为光激发。

典型的太阳能电池结构是一片厚为0.2-0.3 毫米、面积为5 厘米×5 厘米或10厘米×10 厘米的硅薄片，

上部是掺有5 价元素磷、并依靠大量电子导电的N 型硅。下部是掺有三价元素硼、并依靠空穴导电的P 型硅。

界面处即为刚结。

N 型硅表面布有很细的金属栅线，另一面紧贴P 型硅。为了减少反射，整个电池表面覆盖着一层透明的减反射膜。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：

●硅太阳能电池；

●以无机盐如砷化镓III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元

化合物为材料的电池；

●功能高分子材料制备的大阳能电池；

●纳米晶太阳能电池等。

不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：

1、半导体材料的禁带不能太宽；

2、要有较高的光电转换效率：

3、材料本身对环境不造成污染；

4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示

出诱人的前景。

一、硅系太阳能电池

1、单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，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。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合，通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23.3%。Kyocera 公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19.44%，

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相

应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

2、多晶硅薄膜太阳能电池

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度150-250μm 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4 或SiH4，为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在

加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si 衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower 公司采用LPE 制备的电池效率达12.2%。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池。

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于