对太阳能工程材料与工作原理的初步探讨

摘 要：倡导绿色环保，清洁高效，清洁能源是当今的时代主题，越来越受到各国 的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域。太阳能电池作为一种无污染、供量大的产品，通过光电变换从太阳能获得电能。可以有效地吸收太阳能辐射并使之转化为电能，被广泛应用于各种照明及发电系统中。

关键词：太阳能电池；半导体 ；非晶硅薄膜材料；

【分类号】：TK519；TK121

一、太阳能电池半导体工作原理

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池材料可分为：1、硅太阳能电池材料；2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶材料太阳能电池等。

二、太阳能电池材料的严格要求

不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上 几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主 的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的 太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

三、太阳能电池产业化发展

太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的光电池 。以太阳电池组成的地面发电系统， 管理简单、使用可靠、易于实现无人值守。 由于组件框架式结构 ，质量轻 ，运输 、安装 、拆卸都很方便。安装时对场地基础要求不高，建设工期短，运行时无噪声、无振动 。作为一种特殊的供电装置，受到广大无电地区的用户欢迎。近年来全球太阳能电池产量增长迅速，1994 年产量为 72.7M w ，1995 年产量为 90M w 。国内市场也 出现需求旺盛 ，产量同步增长的情况。

四、薄膜太阳能电池材料的发展状况

为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池材料的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池材料，其中多晶硅薄膜太阳能电池材料和非晶硅薄膜太阳能电池材料就是典型代表。

1、多晶硅薄膜材料电池

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。研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚 的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主 要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

2、非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到 迅速发展，其实早在 70 年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅材料电池的研 制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上己有许多家公司在此种 材料的基础上生产该种电池产品。 非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶 硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即 所谓的光致衰退 S 一 W 效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的 p、i、n 层单结太阳能电池 上再沉积一个或多个 P-i-n 子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的 i 层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保 证 i 层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰 退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜材料太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反应原料气体为 H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及 不锈钢片， 制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。

3、化合物薄膜太阳能电池

3.1 碲化镉太阳能电池

碲化镉（ Cd Te）材料成本低、效率高.且光谱响应与太阳光谱分吻合。薄膜的 生长工艺主要有丝网印刷烧结法、近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体 光伏材料理论转换效为 30 % o。Cd Te 电池实验室效率 16. 4%大规模生产的商业 化电池平均效率 8%一 10%。四川大学制备出的电池率达 11.6 %。以 cd Te 吸收 层，CdS 作窗口层的结构为：减反射膜/玻璃/ SnOz ： F/ CdS/ P-CdTe/背电极，这种 电池转换效率达 16 %。

3.2砷化镓太阳能电池

1954 年.首次发现砷化镓材料具有光生伏特效应，1974 年砷化镓电池效率的 理论值达 22 %～25 %。实验室条件下在 CaA s 单结电池效率已超过 25 %。目前 研究的砷化镓系列太阳能电池有单品砷化镓、多品砷化镓 ， 镓铝砷一砷化镓异 质结、金属一半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓等。材料的制备类似于 硅半导体的制备，有晶体生长法、直.接拉制法、气相生长法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物（ CaInP ，Al CaInP ， CaInA s 等）半导体材料的技术日 益成熟，可通过设计电池结构来提高效率和降低成本。双结电池的效率最高为 30%，三结电池为 38%，四结电池为 41 %。

4、聚合物薄膜太阳能电池

以聚合物为材料的太阳能电池是近些年开始的研究方 向.具有分子结构自行设计合成、易加工、毒性小、成本低等特点。目前制作聚合物半导体层主要是：真空技术，主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术； 溶液处理成膜技术.主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装技术、印刷技 术等；单品技术.主要有电化学法、扩散法和气相法。 Heeger 等发现.聚乙炔用 Iz ，AsFs 掺杂后电导率明显增高。口前 P3 H T/ PCB M 体系最高的光电转化效率为 4% 。使带双嚓嗯乙烯撑边链的二维共 扼聚嚓吩与 PCB M 共混时.能量转换效率达 3. 18%。虽然聚合物电池有着众多优点，但性能无法与传统太阳能电池相比。

参考文献： [1]梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料}J（ufJ l.

[2]耿新华.张建军.硅基薄膜太阳电池新进展[[J].

[3]汀建军.刘金霞.太阳能电池及材料和发展现状

[4]马胜中国光伏产业发展展望及政策建议[[J ].