晶體硅、薄膜和納米結(jié)構(gòu)太陽電池研究

王振美

（哈爾濱市職工醫(yī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150020）

太陽能是有巨大開發(fā)潛能的清潔能源。隨著現(xiàn)代科技成果的普及，太陽能被廣泛利用。晶體硅電池和薄膜電池被廣泛應(yīng)用。新一代納米結(jié)構(gòu)電池也在研發(fā)中。本文將介紹晶體硅、薄膜、納米結(jié)構(gòu)三種太陽電池的存在問題及技術(shù)特性。

1 晶體硅電池

晶體硅電池主要分為單晶硅電池、多晶硅電池和帶狀硅電池，成本較高，但工藝和材料技術(shù)成熟，且硅材料對環(huán)境和人體無害、光電轉(zhuǎn)換效率較高、穩(wěn)定性高、壽命長，硅基（多晶硅、單晶硅）太陽電池仍是光伏市場的重要產(chǎn)品，占市場的8 0%以上。

1.1 單晶硅電池

單晶硅是集成電路硅片的重要材料，同時也是重要的光伏材料。單晶硅太陽電池使用的硅原料主要為：半導(dǎo)體硅碎片、半導(dǎo)體單晶硅的頭、尾料，半導(dǎo)體用不合格的單晶硅以及專門為生產(chǎn)太陽電池制備的單晶硅。單晶硅電池工藝技術(shù)成熟，轉(zhuǎn)化效率高，商品單晶硅電池和組件的轉(zhuǎn)化效率為1 4%-1 7%，加入新技術(shù)之后可超過2 0%。改進單晶硅電池的課題主要集中于如何提高轉(zhuǎn)化效率；提高晶體質(zhì)量。單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率高，但是單晶硅材料價格較高，工藝較為繁瑣，因此單晶硅太陽電池的主要問題是成本較高。

1.2 多晶硅電池

多晶硅太陽電池采用低等級的半導(dǎo)體多晶硅或?qū)ｉT為太陽能電池使用而生產(chǎn)的鑄造多晶硅等材料。與單晶硅相比，多晶硅太陽電池存在的問題是晶粒間界和晶粒的不同取向，晶粒間界中的大量缺陷在硅的禁帶中形成的界面態(tài)勢光生載流子的復(fù)合中心，影響多晶硅太陽能電池的特性和效率。一種解決辦法是，控制晶體凝固過程的晶粒形狀和尺寸，從而降低界面態(tài)密度、提高多晶硅太陽電池性能。工藝過程中的溫度分布、凝固速度、固液界面形狀會影響晶錠的晶粒形狀和尺寸，這些工藝參數(shù)取決于冷源散熱情況、坩堝厚度和加熱器的熱量分布，因此鑄錠的設(shè)備對生產(chǎn)出的多晶硅電池有重要的影響。根據(jù)研究結(jié)果顯示，為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的多晶硅電池，需要滿足如下生產(chǎn)設(shè)備條件：第一，石墨托側(cè)壁的厚度在滿足支撐作用的前提下要盡可能薄；第二石墨托底部越厚越有利于得到性能優(yōu)良的硅錠；第三，石英坩堝的厚度和冷源半徑最佳值需要結(jié)合實際參數(shù)來確定；第四，鑄錠過程的首位階段加熱器降溫速率需要足夠小使得結(jié)晶應(yīng)力不至過于集中而導(dǎo)致晶錠開裂。

1.3 帶狀硅電池

帶狀硅制備不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，從而降低電池材料成本。帶狀硅生長的主要方法有條帶法、蹼狀法、定邊喂膜生長法等。帶狀硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率約為1 5%，略低于單晶硅電池。

2 薄膜電池

晶體硅太陽電池通常制造在厚度3 5 0-4 5 0微米的高質(zhì)量硅片上，硅片從拉制或鑄造的晶錠上切割而成，消耗較多硅材料，因此從1 9 7 0年代開始，在廉價襯底上沉積薄膜制造成太陽電池成為新的研究熱點。薄膜電池相較晶體硅電池成本更低，具有更高的競爭力和開發(fā)潛力。

碲化鎘具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，是I I-V I族化合物半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)高，1微米的碲化鎘能吸9 9%以上禁帶寬度以上的輻射能，是制造太陽電池的優(yōu)質(zhì)材料。主要制備過程以碲化鎘作為吸收體的薄膜半導(dǎo)體材料，與窗口層C d S形成異質(zhì)結(jié)太陽電池。吸收層碲化鎘薄膜室溫禁帶寬度為1.4 5 e V。制備方法有生化、M O C V D、C V D、電沉積、絲網(wǎng)印刷、真空蒸發(fā)以及原子層外延等多種方法，各種方法的轉(zhuǎn)化效率均有1 0%以上的記錄。

3 納米結(jié)構(gòu)電池的研究

太陽電池的發(fā)展歷經(jīng)了第一代半導(dǎo)體晶體片p n結(jié)太陽電池和第二代半導(dǎo)體薄膜p i n結(jié)構(gòu)太陽電池，第一代轉(zhuǎn)換效率較高但是成本較高，第二代成本低但是轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性不夠高。第三代電池應(yīng)該朝著高效率、低成本、長壽命、無污染、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，需要拓寬對太陽光譜吸收范圍，選擇更加優(yōu)質(zhì)的材料、更加合理的結(jié)構(gòu)、減少自身的損耗等。下面介紹其特性。

3.1 量子阱結(jié)構(gòu)的帶隙可調(diào)諧特性

量子阱結(jié)構(gòu)是利用兩種或多種具有不同禁帶寬度的材料，利用分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相淀積法形成的多層超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)。一維量子阱結(jié)構(gòu)中，窄帶隙材料是量子阱，寬帶隙材料是勢壘層。量子阱結(jié)構(gòu)用作太陽電池的特點是：第一，可以拓寬對太陽光譜的能量吸收范圍，這有利于實現(xiàn)寬頻帶和強吸收；第二，選擇具有適宜晶格失配度的材料可以實現(xiàn)量子阱有源區(qū)的無位錯生長，可顯著減少界面處的載流子復(fù)合過程，從而有效提高對光生載流子的收集效率；第三，可以利用光子回收效應(yīng)，即利用電池背面的分布布拉格反射鏡面的反射作用，使能量地獄量子阱帶隙能量的光子被反射，從而減少暗電流。

3.2 納米薄膜的良好光吸收特性

納米半導(dǎo)體薄膜由納米晶粒和界面結(jié)締組織構(gòu)成，晶粒尺寸3-6納米，界面區(qū)寬2-4個原子層厚。納米半導(dǎo)體材料已經(jīng)在各種納米電子器件和光電子器件中占據(jù)重要地位，近期也開始被應(yīng)用于太陽電池。納米薄膜的重要特點是：表面/體積比大，因此與體材料或者其他薄膜材料相比，光吸收系數(shù)更高；納米薄膜材料具有顯著的量子限制效應(yīng)，通過控制晶粒尺寸和密度分布可以調(diào)節(jié)能帶特性，拓寬光吸收譜范圍；良好的光照穩(wěn)定性，例如納米晶薄膜無光致亞穩(wěn)效應(yīng)，具有較高的工作穩(wěn)定性。

3.3 納米線陣列的低反射率特性

納米線、納米棒、納米晶須、納米管等式典型準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)，它們可以作為納米結(jié)構(gòu)太洋電池的材料。納米線結(jié)構(gòu)和納米薄膜相比優(yōu)勢是：第一，比納米薄膜的比表面及更大，因此光吸收能力更強；第二，納米線中原子定向有序生長可提高結(jié)晶質(zhì)量，此外一維電子運輸特性可以改善納米結(jié)構(gòu)中的載流子輸運過程，從而有利于提高光電轉(zhuǎn)換效率；第三，納米線結(jié)構(gòu)反射率低、抗反射特性好、載流子遷移率高，因此是高轉(zhuǎn)換效率的潛力材料。

結(jié)語

本文總結(jié)了3大類太陽電池，第一類是晶體硅電池，特點是光電轉(zhuǎn)換效率高，但是成本較高，制作工藝復(fù)雜。第二類是薄膜電池，特點是成本不高，但是光電轉(zhuǎn)換效率不高，而且穩(wěn)定度和壽命不夠高，并且有的材料對環(huán)境和人體有害。第三類是納米結(jié)構(gòu)太陽電池，這類電池還處于研發(fā)階段，但當(dāng)前的科研成果認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)電池在轉(zhuǎn)換效率、壽命、穩(wěn)定性、無害性等方面均有巨大的研究和開發(fā)的潛力，是未來的發(fā)展方向。

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