太陽能電池及材料研究

　　引言

　　太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源．也是清潔能源，不產生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。為此，人們研制和開發(fā)了太陽能電池。制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：1、半導體材料的禁帶不能太寬；②要有較高的光電轉換效率：3、材料本身對環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)化生產且材料性能穩(wěn)定?；谝陨蠋讉€方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關技術的發(fā)展，以其它村料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。本文簡要地綜述了太陽能電池的種類及其研究現狀，并討論了太陽能電池的發(fā)展及趨勢。

　　1 硅系太陽能電池

　　1.1 單晶硅太陽能電池

　　硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的?，F在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領先水平。該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合．通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉化效率超過23%，是大值可達23．3％。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為19．44%，國內北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cmX2cm）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cmX5cm）轉換效率達8.6%。

　　單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產中仍占據主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代產品，現在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。

　　1．2 多晶硅薄膜太陽能電池

　　通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。

　　目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。
化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區(qū)熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結晶技術在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達16.42%。

　　液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達12．2％。中國光電發(fā)展技術中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅粒”太陽能電池，但有關性能方面的報道還未見到。

　　多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。

　　1.3 非晶硅薄膜太陽能電池

　　開發(fā)太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，其實早在70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅電池的研制工作,近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展,目前世界上己有許多家公司在生產該種電池產品。

　　非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其庋Т段?.7eV,使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一個或多個P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩(wěn)定性的關鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應范圍；②頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減?。虎墀B層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

　　非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經過不同的電池工藝過程可分別制得單結電池和疊層太陽能電池。

　　目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進展：第一、三疊層結構非晶硅太陽能電池轉換效率達到13％，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產能力達5MW。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結太陽能電池最高轉換效率為9．3%，三帶隙三疊層電池最高轉換效率為13％. 上述最高轉換效率是在小面積（0．25cm2）電池上取得的。曾有文獻報道單結非晶硅太陽能電池轉換效率超過12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉換效率為13．2％。國內關于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽能電池。

　　非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉換效率和較低的成本及重量輕等特點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產品之一。