太阳能电池材料的研究进展 - 副本.doc

太阳能电池的研究进展摘要：近年来，太阳能电池研究突飞猛进，在很多领域得到了广泛应用。本文主要介绍了单晶硅太阳能电池的合成方法和太阳能电池的几种常用材料的基本特性，以及对太阳能材料的一些前景猜想。关键词：光生伏特；单晶硅；多晶硅；非晶硅引言: 太阳能电池是将太阳能直接转变为电能的最基本器件。1889年科学家就发现晒和氧化铜由光电转换特性;1954年具有实用价值的第一批硅太阳能电池问世,当时的光电转换效率只有3%-6%;到1957年光电转换效率提高到10%左右;目前硅太阳能电池在实验室的最高效率达到了24.75%;大规模工业生产的硅太阳能电池的转换效率稳定在15%-175。太阳能电池是以广生伏特效应(简称光伏效应）为基础制备的，所谓光生伏特效应，就是当物体受到光照时，物体内的点和分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照到半导体PN结、金属-半导体接触界面时，就会产生典雅，叫光生电压。这种现象就是著名的光生伏特效应。 某些材料受到光的照射后具有产生电动势的效应，这些材料有可能使气体、液体和固体，而在固体材料中，尤其以半导体材料光能转换为电能的效率最高。1、太阳能电池的合成方法 太阳能电池的种类很多，目前应用最多的是单晶硅和多晶硅太阳能电池。他们技术上成熟，性能稳定可靠，转换效率较高，以产业化大规模生产。实际上，单晶硅是一个大面积的半导体PN结。上表面为受光面，蒸有铝银材料做成的栅状电极；背面为锡层做成的背电极。上下均焊接银丝作为引线。为了减少硅片表面对入射光的反射，在电池表面上蒸镀一层二氧化硅或其他材料的减反膜。下面介绍的是单晶硅太阳能电池的一般制造方法。1.1硅片的选择 硅片是制造单晶硅太阳能电池的基本材料,它可以有纯度很高的硅单晶棒切割而成。选择硅片时,要考虑硅材料的导电类型、电阻率、晶向、位错、寿命等。硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形,厚度约为0.20-0.04nm。1.2硅片的表面准备 切好的硅片，表面脏且不平。因此，在制造电池之前，要先进行表面准备。表面准备分为三步。（1） 用浓硫酸做初步清洗。（2） 在酸性或碱性腐蚀液中腐蚀，每面约蚀去30-50m。（3） 用王水或其它清洗液再进行化学清洗。在化学清洗和腐蚀后，要用高纯的去离子水冲洗硅片。1.3扩散制结 PN结石单晶硅太阳能的核心部分。没有PN结，便不能产生电流，也就不能称其为太阳能电池。因此，PN结的制造是最重要的工序。制结方法有热扩散、离子注入、外延、激光和高频电注入等法。通常采用热扩散法制结，此法又有涂布源扩散、液态源扩散和固态源扩散之分。其中固态氮化硼扩散，设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，PN结面平整，均匀性和重复性优于液态源扩散。扩散前，氮化硼片现在扩散温度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，鹏向硅内部扩散。扩散温度为950-1000，扩散时间为15-30min，氮气流量为2000min。1.4除去背结 在高温扩散过程中，硅片的背面也形成了PN结，必须把背结去掉。常用方法有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。1.5制作上下电极 为使电池转换所获得的电能能够输出，必须在电池上制作正负两个电极。上电极通常制成栅线状，有利于对光生电流的收集，并使电池有较大的受光面积。下电极布满在电池背面，以减少的串联电阻。制作电极的方法主要有真空蒸镀、化学镀镍、铝浆印刷烧结等。铝浆烧结是目前商品化生产中大量采用的方法，其工艺为，把硅片置于真空镀膜机的钟罩内，真空度抽到足够高时，便凝结成一层铝薄膜，其厚度控制在30-100nm。然后，再在铝薄膜上蒸镀一层银，厚度约为2-5m。为便于电池的组合装配，电极丄还需焊一层锡-铝-银合金焊料。此外，为得到栅线状的上电极，在蒸镀铝和银时，硅表面需放置一定形状的金属掩膜。上电极栅线密度一般为2-4条，多的可达到10-19条，最多可达60条。1.6蒸镀减反射膜 光在硅表面的反射损失率约为13。为减少硅表面对光的反射，还要用真空镀膜法或气相生长法或其他化学方法，已制好的电池表面蒸镀一层二氧化硅或二氧化钛减反射膜。其中二氧化硅膜工艺成熟，制作简便，它可提高太阳能电池的光能利用率，增加电池的电能输出。镀上一层减反射膜可将入射光的反射率减少到10%左右，而镀上两层则可将反射率减少到4%以下。1.7检验测试 在生产中主要测试的是电池的伏安特性曲线，从它可以得知电池的短路电流、开路电压、最大输出功率以及串联电阻参数等。1.8单晶硅太阳能电池的封装 组件的封装工艺使用金属导电带将太阳能电池焊在一起，电池片上下两侧均为乙烯-醋酸乙烯酯膜，最上面是刚化白玻璃，背面是聚氟乙烯复合膜。将各层材料按顺序叠好后，放入真空层压机进行热压封装。最上层的玻璃为低铁钢化玻璃，透光率高，并且经过长期紫外线照射也不会变色。乙烯-醋酸乙烯酯膜具有良好的耐光和防潮己方腐蚀性能。经层压封装后，再与四周加上密封条，装上经过氧化的铝合金框，即制成太阳能电池组件。这种密封成的组件，可以满足使用中对防冰雹、防风、防尘、防湿、防腐等条件的要求。2、太阳能电池的材料性能地面用太阳能电池通常用单晶硅、多晶硅或非晶硅材料制作。单晶硅效率最高，因为它不存在晶界。多晶硅有明显晶界，他的单晶部分是肉眼可见的。非晶硅是硅的非晶态形式，其中的原子随意分布。由于这种材料的无序性，故某些原子有悬挂键扰乱电子流动。这三类电池中，非晶硅转换效率最低，但成本却最便宜。2.1单晶硅材料 单晶硅是硅的单晶体，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。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的A族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的A族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。 单晶硅电池用单一晶硅锭块制作，在高科技实验室通过切片、掺杂和蚀刻而成。对于商业化地面用组件，效率一般为15%-20%。这类电池组件是市场上最成熟的。2.2多晶硅材料 多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。 这类电池用硅锭形成的各种硅晶体制成的。他们也经过切片、掺杂和蚀刻，但转换效率比单晶硅电池稍低，通常为13%-15%。2.3非晶硅材料 非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。 就晶体硅而言，非晶组件不具有有序的晶体结构特征，其结构特征为短程有序而长程无序的-硅。纯-硅因缺陷密度高而无法使用。这类商业化组件通常转换效率为5%-10%。3、对太阳能电池的猜想 随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新。新的概念已经开始在光伏技术中显现，从某种意义上讲，预示着光伏技术的发展趋势。光伏器件日趋薄层化、柔性化、叠层化。薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带来好处，同时也是器件的植被更为简便；柔层化是光伏器件更为方便实用，从根本省解决了器件的便携问题；叠层化提高了器件整体上的光能转换效率。 根据光伏电池发电成本测算，目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规电源的10倍，且中短期内这一成本无法得到有效的下降，根据IEA 和EPIA的研究，2020年前光伏发电成本的下降主要源于产业政策补贴和规模化，2020-2040年间通过技术进步和光伏利用效率的提升，才能与常规电源的峰值成本接轨，而要真正达到取代常规电源的成本，预计在2050年左右才有可能。参考文献：1罗运俊，何梓年，王长贵主编.太阳能利