太阳能电池及发电原理

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【摘 要】对已经取得较普遍应用的是Si体太阳电池来说，开发新技术以降低电池的制造成本是目前该领域最重要的努力方向之一。尽管通过优化制造工艺可以在一定程度上进一进降低单晶Si和多晶Si体太阳电池的成本，但要进大幅度地降低Si太阳电他的成本似乎是只能依赖于新一代的多晶Si薄膜电池。多晶Si薄膜电池因其转换效率高、寿命长和工艺简化等优点而极具潜力。本文从多晶硅电池的概述、原理 、结构、材料制备、材料性能和有关工艺等方面对多晶Si薄膜太阳电池的发展现状与趋势作了介绍。

【关键词】多晶硅薄膜；太阳电池；多晶硅制备；工艺

多晶硅太阳能电池片，多晶硅电池片其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。我国的太阳能工业才刚刚起步， 2006年底全部达产后的国内生产能力约为300兆瓦。我国生产的太阳能电池几乎全部出口到国外市场，国内用量极少。据预测：2010年全球（尤其是发达国家）太阳能使用量将达到18000兆瓦以上，我国的潜在市场将达到3000兆瓦。因此，太阳能电池工业将有极好的市场前景。

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12%左右（2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池）。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。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350-450μm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。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。350-450μm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。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。

单晶硅太阳电池虽有其优点，但因价格昂贵，使得单晶硅太阳能电池在低价市场上的发展备受阻碍。而多晶硅太阳能电池则是以降低成本为优先考虑，其次才是效率。多晶硅太阳能电池降低成本的方式主要有三个，

一是纯化的过程没有将杂质完全去除；

二是使用较快速的方式让硅结晶；

三是避免切片造成的浪费。

因为这三个原因使得多结晶硅太阳能电池在制造成本及时间上都比单晶硅太阳能电池少，但因为这样使得多晶硅太阳能电池的结晶构造较差。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样但发电原理一样。多晶硅太阳能电池结晶构造较差主要的原因有两个，一是本身含有杂质，二疏在结晶的时候速度较快，硅原子没有足够的时间成单一晶格而形成许多结晶颗粒。结晶颗粒愈大则效率与单晶硅太阳能电池愈接近，结晶颗粒愈小则效率愈差。效率差的原因是颗粒与颗粒间存在着结晶边界，结晶边界存在许多的悬浮键，悬浮键会与自由电子复合而使电流减少，而且结晶边界的硅原子键结情况较差，容易受紫外线破坏而产生更多的悬浮键。随着使用时间的增加，悬浮键的数目也会随着增加，光电转换效率因而逐渐衰退。此外杂质多半聚集在结效率100%效率75%串联组合晶边界，杂质的存在会使自由电子与电洞不易移动。结晶边界的存在使得多晶硅太阳能电池的效率降低，悬浮键的增加使得光电转换效率衰退，这两个是多晶硅太阳能电池的主要缺点，而成本低为其主要优点。

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