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单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

发布时间:2017-8-7 14:05:13 来源:不详

根据硅片厚度的不同,可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。本文主要论述以下几种硅基太阳能电池的基本原理:单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,多晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池,微晶硅薄膜太阳能电池。

晶体硅的发电过程大致如下:P型晶体硅经过掺杂磷可得N 型 硅,形成P-N结,当光线照射到硅晶体的表面时,一 部分光子被硅材料吸收,光子的能量传递给硅原子, 使电子发生跃迁,成为自由电子,在P-N结两侧聚 集,产生电位差。当外部接通电路时,在该电压的作 用下,将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

1、单晶硅太阳能电池

硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。

单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm X 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm X 5cm)转换效率达8.6%。

单晶硅的优点和不足

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,虽然其转换效率高,但是制作单晶硅太阳能电池需要大量的高纯度硅材料,且工艺复杂,电耗很大池工艺影响,且太阳能电池组件平面利用率低,致使单晶硅成本价格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

2、多晶硅太阳能电池

目前,太阳能使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶硅颗粒的集合体,或用废弃单晶硅材料和冶金基硅材料熔化浇筑而成,其工艺过程是选择电阻率为100-300?cm的多晶块料或单晶硅头尾料,经破碎,用1:5的氢氟酸液混合进行适当的腐蚀,然后用离子水冲洗呈中性,并烘干,用石英坩埚装好许多硅料,加入适当硼硅,放入浇铸炉,在真空状态下加以熔化,熔化后保持约20min,然后注入石墨铸模中,慢慢冷却后即基硅锭,然后切片加工成太阳能电池片,即多晶硅太阳能电池。

单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

多晶硅太阳能电池的优点和不足

它的成本和单晶硅差不多,其转换约为12%左右,稍低于单晶硅太阳能电池,但是材料制造简便,总的生产成本较低,因此得到了大量发展。

3、多晶硅薄膜太阳能电池

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。

单晶硅、多晶硅和非晶等几种硅基太阳能电池的介绍

多晶硅薄膜太阳能电池的优缺点

多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少,又无效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池,因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

4、非晶硅薄膜太阳能电池

非晶态硅,其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则,而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料,对阳光吸收系数高,只需要1 ùm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世,非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产。由于硅原料不足和价格上涨,促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足,未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。但是由于非晶硅缺陷较多,制备的太阳能电池效率偏低,且其效率还会随着光照衰减,导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合,生成非晶硅/晶硅异质结太阳能电池,这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点,而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度,目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17 .4%。

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非晶硅薄膜太阳能电池优点与缺陷

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比,具有重量轻、工艺简单、成本低、耗能少和便于大规模生产等优点,因此受到人们重视,并得到迅速的发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化,也是目前产业规模最大的薄膜电池。虽然非晶硅薄膜太阳能电池得到了广泛的研究和应用。但是,依然存在着很多问题需要去解决:

(1)y光学禁带宽度为1.7 eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域吸收不敏感,限制了其光电转换效率;

(2)光电转换效率随着光照时间的增长而衰弱,即所谓的光致衰退(S W)效应,使得电池性能不稳定;

  (3)制备过程中,非晶硅的沉积速率较低,影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产;

  (4)电池组件的后续加工困难,如Ag电极的处理问题;

  (5)在薄膜沉积过程中存在大量的负面杂质,如Oz , Nz和C等,影响薄膜的质量和电池的稳定性。

  5、微晶硅薄膜太阳能电池

  微晶硅薄膜可采用与非晶硅兼容的技术制备,鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性,常用微晶硅作底电池,形成非晶硅/微晶硅叠层结构,可大幅度提高转换效率。通过诸多实验室的努力,微晶硅电池自1994年被报道以来,转换效率得到明显的提高。目前,单结微晶硅电池的效率已超过10%,微晶硅薄膜的制备方法有:基于高氢气稀释比,高功率密度的PECVI〕技术;用氢等离子体退火处理a- Si:H薄膜;电子回旋共振担CR)等离子体淀积技术;用热丝法(VV1J或Cat)技术。

  微晶硅薄膜太阳能电池的优势与不足

  微晶硅薄膜太阳能电池具有过渡层结构,几乎没有s-w效应,稳定性好,可拓展太阳光谱范围,使其转换效率高,具有与非晶硅材料相同的低温工艺、工艺简单、便于大面积生产的优点,主要存在的问题就是其生长速率较低的问题,不利于降低制造成本。这将成为今后重点的研究方向。

  6、主流太阳能电池材料的比较

  单晶硅太阳能电池是开发得最早、使用最广泛的一种太阳能电池,其结构和生产工艺已定型,产品已广泛应用于空间技术和其它方面单晶硅太阳能电池是由高质量的单晶硅材料制成的。目前,商用晶体硅光伏产品的光转化率约为20%左右。由于单品硅材料的制作成木昂贵,而半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转换。是降低成本和提高光子循环的理想材料,非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池可以用玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底。多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太阳电池的激活层。

  纳米TI0:半导体的化学性质稳定。纳米TI0:半导体用做太阳能电池材料的原理与硅半导体相同。但TIO:是宽禁带(3.2eV)半导体化合物,应用于太阳能电池只有波长较短的太阳光(λ ≥387nm) 才能被吸收。而这部分紫外线((300--400nm)只占到达地面上的太阳光能的4%-6% ,太阳能利用率很低。提高太阳能吸收效率的途径是缩短TIn:半导体的禁带宽度使其吸收光谱向可见光扩展,可以通过金属离子掺杂、非金属离子注人、半导体复合以及染料敏化等几个方法来缩短Ti0:的禁带宽度。

  从20世纪70年代起开始探索一些具有大共扼结构的有机化合物或金属配合物用做太阳能电池材料与无机半导体太阳能电池相比,有机材料制备太阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并且可以在可卷曲折叠的衬底上制备具有柔性的太阳能电池等优点。有机太阳能电池材料主要是一些具有大共扼结构的有机小分子花类化合物、有机染料分子、富勒烯及其衍生物等。有机小分子化合物的主要优势是制备和表征比较简单,化学结构很容易修饰,可以根据需要进行设计和改变官能团。

  过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物,它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构的多样性,这类化合物的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕,有机配体易于进行分子设计和分子裁剪,而过渡金属离子的d轨道或漱道上具有未成对电子,能形成特有的光电性质。目前用做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物和具有共扼结构的联毗啶过渡金属配合物。

  染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Soar Cells, DSSCs)。以半导体 Ti02薄膜为光阳极,并引入了染料敏化剂,使电池效率达到7.1%, 这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方法,它将带有发色团的染料分子引人到半导体中,大大增强了半导体TiO,捕获太阳光的能力。由于现在对界面电荷的分离机理还不是很明确,当电荷分离形成之后就会发生电荷的迁移电子移向正极而空穴移向负极,从而在两极间形成一定的电势,但在电荷的迁移过程中,也伴随着电荷的重新结合(重合)。电荷重合浪费了界面电荷分离所储存的电势能,极大地降低光电转化的效率。目前染料敏化太阳能电池材料还存在光电转换率低,或是电池材料的寿命短。因此寻找光转换效率高寿命长的光敏染料是染料敏化太阳能电池材料研究的重要方向。

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