详细分析太阳能电池技术（中）
光伏产业网讯
发布日期：2018-09-13
核心提示：
详细分析太阳能电池技术（中）
太阳能电池的种类
太阳能电池按形态可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池；按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形；按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形；根据所用材料的不同，还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
硅太阳能电池
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片，经过一系列的半导体工艺形成PN结。
然后采用丝网印刷法做成栅线，经过烧结工艺制成背电极，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装，将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。
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。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。
单晶硅太阳能电池的特点
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。
多晶硅太阳能电池
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，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。
多晶硅太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件，半导体的PN结被光照后产生电流，当光直射太阳能电池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透过电池芯片、被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子，使之成为自由电子，这些自由电子在晶体内向各方向移动，余下空穴（电子以前的位置）。空穴也围绕晶体飘移，自由电子（－）在N结聚集，空穴（＋）在P结聚集，当外部环路被闭合，电流产生。
多晶硅太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件，半导体的PN结被光照后产生电流，当光直射太阳能电池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透过电池芯片、被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子，使之成为自由电子，这些自由电子在晶体内向各方向移动，余下空穴（电子以前的位置）。空穴也围绕晶体飘移，自由电子（－）在N结聚集，空穴（＋）在P结聚集，当外部环路被闭合，电流产生。
太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体，以便切片加工成方形电池片。
多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
多晶硅太阳能电池的特点
1、具有稳定高效的光电转换效率。
2、表面覆深蓝色氮化硅减反膜,颜色均匀美观。
3、高品质的银和银铝浆料，确保良好的导电性、可靠的附着力和很好的电极可焊性。
4、高精度的丝网印刷图形和高平整度，使得电池易于自动焊接和激光切割。
非晶硅太阳能电池
非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。
制造方法有多种，最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。
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1ùm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。
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，目前单纯非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17.4%。
非晶硅薄膜太阳能电池的特点
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1.7eV，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（SW）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。
多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。
因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
CIS铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
聚合物多层修饰电极型太阳能电池
在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。
其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。
当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。
由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索
纳米晶化学太阳能电池
在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。
纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。
纳米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。
纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5－1/10．寿命能达到2O年以上。
钙钛矿型太阳能电池
2015年，日本、中国和瑞士研究人员借助薄膜掺杂技术，制造出一种面积为1平方厘米的钙钛矿太阳能电池，其公证效率为15％，研究人员给钙钛矿电池的无机界面层氧化镍薄膜重掺杂锂与镁，将其导电性提高了10倍左右。