太陽（yáng）電池基本知識

最早問世的太陽電池是單（dān）晶矽太陽（yáng）電池。矽是地球（qiú）上極豐富的一種（zhǒng）元素，幾乎遍（biàn）地都有矽的（de）存在，可說是取之不盡。用矽來製造（zào）太陽電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易，所以人們在生產單晶矽太陽電池的同時（shí），又研究了多晶矽太陽電池和（hé）非晶矽太陽電池，至今商（shāng）業規模（mó）生產的太陽電池，還沒有（yǒu）跳出矽的係列。其實可供製造太陽電池的（de）半導體材料很多，隨著材料工業的發展、太陽電池的品種將越來越（yuè）多。目前已進行研究和試製的太陽電池，除矽係列外，還有硫化鎘、砷化镓、銅銦硒等許多類型的太陽電池，舉不勝舉，以下介紹幾種較常見（jiàn）的太陽電池（chí）。



單晶矽太陽電池



單晶矽太陽電池是當前開發得最快的一種太陽電池，它的構（gòu）和生產（chǎn）工藝已定型，產品已廣泛（fàn）用（yòng）於空（kōng）間和地麵。這種太陽電池以高純的單晶矽（guī）棒（bàng）為原料，純度要求99.999％。為了降低生產成本，現在地麵應用的太陽（yáng）電（diàn）池等采用太陽能級的單（dān）晶矽棒，材料性能指（zhǐ）標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢（fèi）次單晶矽材料，經（jīng）過複拉製成太陽電池專（zhuān）用的單（dān）晶矽棒（bàng）。



將單晶矽棒切成片，一般片厚約0.3毫米。矽片經過形、拋磨、清洗等工序，製（zhì）成待加工的原料矽片。加工太陽電池（chí）片，首先要在矽片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等（děng）。擴散是在石英管製成的（de）高溫擴散爐中進行（háng）。這樣就矽片上形成P？／FONT》N結。然後采用絲網印（yìn）刷法，精配好的銀漿印在（zài）矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在（zài）有柵線的麵塗覆減反射源，以防大量的光子被光滑的矽（guī）片表麵反射掉。因（yīn）此，單晶矽太陽電池（chí）的（de）單（dān）體片就（jiù）製成了。單體片經過抽查（chá）檢驗，即可按（àn）所需要的規格組裝（zhuāng）成（chéng）太陽電池組件（太陽電池板（bǎn）），用串聯和並聯的方（fāng）法構成一定的輸（shū）出電壓和（hé）電流。最後用框架和裝材料進行封裝。用戶根據係統設計，可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣，亦稱太陽電（diàn）池陣列。目前單晶矽太（tài）陽電池的光電轉換效率為15％左右，實驗（yàn）室成果也有20％以上的。



多晶矽太陽電池



晶矽（guī）太陽電池的生（shēng）產需要消耗大量的高純（chún）矽材料，而製造這些材料工藝複雜（zá），電（diàn）耗很（hěn）大，在太陽電（diàn）池生產總成本中己超二分之一。加之拉製的單晶矽棒呈圓柱狀（zhuàng），切片製作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平麵利用率低。因此，80年代以來，歐（ōu）美一些國家投入了多晶矽太陽電（diàn）池的研製。



目前太（tài）陽電池使用的（de）多（duō）晶矽材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合（hé）體，或用廢次單（dān）晶矽料和冶（yě）金級矽材料熔化澆鑄而成。其工（gōng）藝過程是選（xuǎn）擇電（diàn）阻率為（wéi）100～300歐姆·厘米的多晶塊料或單晶矽頭尾料，經破碎，用1：5的（de）氫氟酸和硝酸混台液進（jìn）行適當的腐蝕，然後用去離（lí）子水衝洗呈中性，並烘幹。用（yòng）石英坩（gān）堝（guō）裝好多晶矽料，加（jiā）人適量硼矽，放人澆（jiāo）鑄爐，在真（zhēn）空狀態中（zhōng）加熱（rè）熔化。熔化後應保溫約20分鍾，然後注入石（shí）墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻後，即得多晶矽錠。這種矽錠可鑄成立方體，以便切片加工（gōng）成方形太陽電池片，可提高材製利用率和方便組裝。多晶（jīng）矽太（tài）陽電池的製作工藝與單晶矽太陽電池（chí）差（chà）不多，其光電轉換效率約12％左右，稍低於單（dān）晶矽太陽電（diàn）池，但（dàn）是材料製造簡便，節約電耗，總的（de）生產成本較低，因此得到大量發展。



非晶矽太陽電池



非晶矽太陽電池（chí）是1976年有出現的新型（xíng）薄膜式太陽電池，它與單晶（jīng）矽和多晶（jīng）矽太陽電池的製作方法完全不同，矽材料消耗（hào）很（hěn）少，電耗更低，非常（cháng）吸引人。



製造非晶矽太陽電池的方法有多種，最常見的（de）是輝光放電法，還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發法和熱分解（jiě）矽烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空（kōng），充入氫氣（qì）或氬氣稀釋的矽烷（wán），用射（shè）頻電源加熱，使矽烷電離，形成等離（lí）子體。非晶矽膜就（jiù）沉積在被加熱的襯底上（shàng）。若矽烷中（zhōng）摻人適量的氫化磷或氫化硼（péng），即可（kě）得（dé）到N型或P型的非晶矽（guī）膜。襯底材料（liào）一（yī）般用玻璃或不（bú）鏽（xiù）鋼板。這種製備（bèi）非晶矽薄膜的工藝，主要（yào）取決於（yú）嚴格控製氣壓（yā）、流速和射頻功率，對襯（chèn）底的溫度也很重要（yào）。



非晶矽太陽電（diàn）池的（de）結構有各種不（bú）同，其中有一種較好的結構叫PIN電池，它是在（zài）襯（chèn）底上先沉（chén）積一層摻（chān）磷的（de）N型非晶矽，再沉積一層（céng）未摻（chān）雜的I層，然（rán）後再沉積一層摻硼的P型非晶矽，最後用（yòng）電子束蒸發一層減（jiǎn）反射膜，並蒸鍍銀電（diàn）極。此種製作工（gōng）藝，可以采用一連串沉積室，在生產中（zhōng）構成連續程序，以實現大批量生產。同時，非（fēi）晶矽（guī）太陽電池很薄，可以製成疊層式，或采用集成電（diàn）路的（de）方法製造，在一個平麵上，用適當的掩模工藝，一次（cì）製（zhì）作多個串聯電池，以獲得較高的電壓（yā）。因為普通晶體矽太陽（yáng）電（diàn）池單個隻有0.5伏左右的電壓，現（xiàn）在（zài）日本生產的非晶矽（guī）串聯太陽電池可達2.4伏。目前非晶矽太陽電池存在的問題（tí）是光電轉換效率偏低，國際先進水平為（wéi）10％左（zuǒ）右，且（qiě）不夠穩（wěn）定，常有轉換效（xiào）率衰降的現象，所（suǒ）以尚（shàng）未大量用於作大（dà）型太陽能電源，而多半用於弱光電源，如袖珍式電子（zǐ）計算器、電子鍾表及複印機等方麵。估（gū）計效（xiào）率衰降問題克服（fú）後，非晶矽太陽電池將促進太陽能利用的大發展，因為它成本低，重量輕，應用更（gèng）為方便，它可以與房屋的屋麵結合構成住戶的獨立電（diàn）源。



多元化合物太陽電池



多元化合物太陽電池指（zhǐ）不是用單一元素半（bàn）導體材料製成的太陽電池（chí）。現在各國研（yán）究的品種繁多，雖然大多數尚未工業（yè）化生產，但預示著光電（diàn）轉換的（de）滿園春色。現在簡要介紹幾種：



（1）硫化鎘太陽電池－－早在1954年雷諾茲就發現了硫化鎘（gé）具有光生伏打效應。1960年采用真空蒸鍍法製得硫化鎘（gé）太（tài）陽電池，光電轉換效率為3.5％。到1964年美國製成的硫化鎘太陽電（diàn）池，光電轉（zhuǎn）換效率提高（gāo）到4％～6％。後來歐洲掀起了硫化鎘太陽電池的研製高潮，把光電效率提高到9％，但是仍無法與多晶矽太陽電池競爭。不過人們始終沒有放棄它，除了研究燒結型的塊狀硫化鎘太陽電池外，更著重研究簿膜型硫化鎘太陽電池（chí）。它是（shì）用硫（liú）化亞銅為阻擋層，構成異質結，按硫化（huà）鎘材料的理（lǐ）論計算，其光電轉換效率可達16.4％。中（zhōng）國科學院長春應用化學研究所於80年代初曾把薄膜硫化鎘太（tài）陽電池的光電（diàn）轉換效率做到7.6％。盡管非晶矽薄膜電池在國際上有（yǒu）較大影響，但是至今有些國家仍指望發展硫化鎘太陽電池，因為它在製造（zào）工藝上比較簡單，設備問題容易解決。



（2）砷化镓太陽電池－－砷化镓是一種很理想的（de）太陽電（diàn）池材料，它與太陽光譜的匹配較適（shì）合，且能耐（nài）高溫，在250℃的條件下，光電轉換性能仍很（hěn）良好，其最高光電轉換（huàn）效率約30％，特別適合（hé）做（zuò）高溫聚光太陽電池。已研究的砷化镓（jiā）係列太（tài）陽電池有單晶砷化镓、多晶砷化镓、镓鋁砷－－砷化镓異質結、金屬－－半導體砷化镓、金（jīn）屬－－絕（jué）緣體－－半導體砷（shēn）化镓太（tài）陽電池等。砷化镓材（cái）料的製備（bèi）類似（sì）矽半導體（tǐ）材料的製（zhì）備，有晶體生長法、直接拉製法、氣相生（shēng）長法、液（yè）相（xiàng）外延法等（děng）。由於镓比較稀缺，砷有毒，製造成本（běn）高，此種太陽電池的發（fā）展受到影響。



（3）銅銦硒太陽電池－－以銅、銦、硒三元化（huà）合物半導體為基本材料（liào）製成的太陽電池。它是一種多晶薄膜（mó）結構，一般采用真空鍍膜、電（diàn）沉積、電泳法或化學氣相沉積法等工藝來製備，材料消耗少，成本低，性能穩定，光電轉換效（xiào）率在10％以上。因此是一種可與非晶矽薄膜太陽電池相競爭的新型太陽電池。近來還發（fā）展用銅銦硒薄膜加在非晶矽薄膜之（zhī）上，組（zǔ）成疊層太陽電池的可能，借（jiè）此提（tí）高（gāo）太陽電池的效率，並克服（fú）非晶矽光（guāng）電效率的衰（shuāi）降