太阳能与人类生活

第四节太阳能电池材料的研究进展1 硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池 2 多元化合物薄膜太阳能电池3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池(简称聚合物太阳能电池) 4 纳米晶化学太阳能电池（又称敏化纳米晶太阳能电池）太阳能电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太 阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号 人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电 池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在 太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内 太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火 力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发 展最快的行业。4.1 硅系太阳能电池硅太阳能电池工作原理与结构图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 。 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中 就会存在着一个空穴图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表 示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的 空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（ positive）型半导体。掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变 得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图: P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子， 这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势 差，这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域 里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带 正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出 现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区 ，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩 散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差 ，这就是PN结。在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的 电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结 与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起 了电源的作用。这就是光电池的基本原理。太阳能电池发电原理太阳能电池当光线照射到硅系太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给硅原子，使电子发生越迁成为自由电子，产生新的电子-空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，当外部接通电路时就会形成电流。 硅系太阳能电池的工作原理太阳能电池材料对材料的 基本要求能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能 太宽； 有较高的光电转换效率； 材料本身对环境不造成污染； 材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济 硅材料工业硅（又称：结晶硅或金属硅）半导体用硅材料 含硅化合物（SiHCl3, SiH4） 太阳能用硅材料半导体用多晶硅 太阳能用多晶硅（又称：高纯硅或超纯硅） (Solar grade silicon)单晶硅锭 单晶硅锭 多晶硅锭各种硅片 单晶硅片 多晶硅片各种半导体器件 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 4.1.1 单晶硅太阳能电池（Monocrystalline silicon）单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要 组成部分。硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体。 不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。单晶硅太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求 99.9999。有的甚至达到99.9999999。制备方法： 将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、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。这样就在硅片 上形成P/N结。然后采用丝网印刷法，将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，至此，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） 目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15左右， 实验室成果也有20以上的。用于宇宙空间站的还有 高达50%以上的太阳能电池板。4.1.2 多晶硅太阳能电池（Polycrystalline silicon）当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。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。 生产工艺：其工艺过程是选择电阻率为100300欧姆厘米 的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：5的 氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，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。 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12左右，稍低于单 晶硅太阳电池，目前多晶硅的转换效率也可以达 到14%左右。4.1.3 非晶硅太阳能电池（amorphous silicon）用来描述非晶硅的结构模型很多，左面给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。在非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而 其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所， 所以，一般说，非晶硅是不适于做电子器件的。1975 年，研究人员通过辉光放电技术分解硅烷，得到的非晶硅薄膜中含有一定量的氢，使得许多悬挂键被氢化，大大降低了材料的缺陷态密度，并且成功地实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂。制备方法：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。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P-i-N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。 The typical amorphou silicon cell employs a p-i-n design, in which an intrinsic layer is sandwiched between a p layer and an n layer.the cells are designed to have an ultrathin (0.008-micron) p-type top layer;a thicker (0.5- to 1-micron) intrinsic (middle)layer; and a very thin(0.02-micron) n-type bottom layer.非晶硅太阳能电池的特点1、非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在300nm-750nm的可见光波 段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太 阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1 m厚）就 能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能 够成为低价格太阳能电池的最主要因素。2. 非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的 范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低、时间短，适于大批生产 。4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。5、制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。目前非晶硅太阳电池存在的两个致命的缺点：一是 寿命短；二是光电转换效率远比晶体硅低，国际先 进水平为10左右。最近的一则报道说，在美国密执根的联合太阳能 系统公司刚刚发明了一种“三结”非晶硅光电池， 可以同时接受蓝、绿和红红外辐射，光电转化效 率达到12.1 非晶硅太阳能电池的发展历史自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，采用了金属-半导体和p-i-n两种器件结构，当时的转换效率不到1%。1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非晶硅太阳能电池，采用的是金属-绝缘体-半导体（MIS）结构；同年，日本三洋公司向市场推出了装有面积为5平方厘米非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳能电池的研究。1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池的手表，充电器、收音机等商品。1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能电池组合板。硅系太阳能电池小结特点名称优优点 缺点单单晶硅光电转换效率高 成本高多晶硅材料制造简便，节约电耗，总的生产成本低 光电转换效率稍低非晶硅成本较低，能耗较少， 重量轻，应用更为方便 光电转换效率偏低，不 稳定，常出现转换效率 衰降现象。