太阳能电池

太阳能电池

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池[1]，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（PV），简称光伏。

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波，如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应与射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7 %，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1% [2]。

太阳能电池的结构图

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。

太阳能电池的充电发展

太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。近

年来超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上价格低廉，因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象，因而改善了太阳能充电的许多问题：

1.充电较快速，

2.寿命长5倍以上，

3.充电温度范围较广，

4.减少太阳能电池用量(可低压充电)。

太阳电池材料种类

第二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池。种类可分为碲化镉(Cadmium Telluride CdTe)、铜铟硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、铜铟镓硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化镓(Gallium arsenide GaAs)

第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。第四代则是针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。

某种电池制造技术。并非仅能制造一种类型的电池，例如在多晶硅制程，既可制造出硅晶版类型，也可以制造薄膜类型。

单晶硅太阳能电池

以单晶硅为原料，当前采用较多的生产工艺是在P型硅片上晶硅磷扩散制作PN结，用高纯的硅原料（纯度要求不低于99.9999%）通过直拉法或者是区熔法制造单晶硅棒，同时掺杂少量硼元素，再切成薄片，经过清洗制绒、磷扩散、刻蚀去边结、PECVD法镀减反射膜、丝网印刷制作电极等工序制作成太阳能电池。少量高效单晶硅电池采用N型硅片上进行硼扩散制作PN结。

3.修角：该工艺只适用于单晶，目的是将圆柱形的单晶硅棒磨为近长方体形，

使切出的硅片接近方形。

4.切片：用多线锯（金刚石线）将单晶硅棒或多晶硅锭切为200-300μm厚的

薄片，目前工业上已大规模使用200μm左右的硅片进行生产。

5.清洗制绒：首先用碱液(一般为80摄氏度以上的NaOH溶液)腐蚀机械加工

中造成硅片的损伤，然后分别用碱液(单晶硅片)或酸液(多晶硅片)制备出用于减反射的绒面，最后用甩干机甩干。

6.扩散制结：目前工业上用的硅片主要为p型片，因此需要通过扩散磷(P)来形

成PN结，扩散一般通过扩散炉进行，工艺温度高于900摄氏度，但目前已经在开发低温的扩散工艺。如果是使用n型片制备太阳电池，则需要扩散硼

(B)。

7.二次清洗：因为在扩散工艺中会形成非活性的磷硅玻璃，因此需要通过氢氟

酸(HF)腐蚀掉。

8.制备减反射膜：工业中采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，制备氮化

硅SiN x减反射膜。

9.印刷电极：通过丝网印刷(Screen printing)制备前后电极，前电极一般用银

浆，后电极用银铝浆，而背面场则用铝浆印刷而成。

10.烧结：通过烧结炉的高温烧结，使前电极烧穿前表面的氮化硅减反射膜，n

型层形成良好的欧姆接触，而背面的铝扩散入硅中，在背表面形成p+的重掺区，从而形成背表面场。

目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的“浪费能源”。当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。而这样简易的理论构想，在实际的技术上，却可以用不同的方法来执行这样的原则。超高效率的太阳电池(第三代太阳电池[3])的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料的引进，而达成大幅增加转换效率的目的。

薄膜太阳电池

在薄膜电池技术中，近年来BIPV（Building Integrated Photo Voltaic）即建筑物集成太阳能电池技术特别引人注目。此技术把薄膜电池应用到建筑物的围护结构如屋顶、天窗、外观、门窗等部分的建筑材料之中；对于使用帷幕墙特别是玻璃幕墙的建筑物，BIPV更可结合在帷幕墙的材料之中。故其相对于非集成系统的优点，在于初投资可被因节省建材和劳工而抵消。被认为是太阳能电池工业中增长最大的技术之一。

调查表明，CIGS可弯曲模块是BIPV封装工业增长的最大推动力。[4]

染料敏化太阳电池

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSsC也被称为格雷策尔电池，因为是在1991年由格雷策尔等