3．太陽能電池

電池行業(yè)是２１世紀的朝陽行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中，zui沒有污染、市場空間zui大的應(yīng)該是太陽能電池，太陽能電池的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視。

太陽的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽的光除了照亮世界，使植物通過光合作用把太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N養(yǎng)分，供人們食用，產(chǎn)生纖維質(zhì)供人們做衣服，生長木材給我們建筑房屋以外，太陽的光還可以通過太陽能電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟Ｌ柲茈姵厥且环N近年發(fā)展起來的新型的電池。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”，用于太陽能電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表。若把這兩種半導體結(jié)合，交界面便形成一個P－N結(jié)。太陽能電池的奧妙就在這個“結(jié)”上，P－N結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。當太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電。這樣，在P－N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。制造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)zui成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。
1953年美國貝爾研究所首先應(yīng)用這個原理試制成功硅太陽電池，獲得6%光電轉(zhuǎn)換效率的成果。太陽能電池的出現(xiàn)，好比一道曙光，尤其是航天領(lǐng)域的科學家，對它更是注目。這是由于當時宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，人造地球衛(wèi)星上天，衛(wèi)星和宇宙飛船上的電子儀器和設(shè)備，需要足夠的持續(xù)不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長，使用方便，能承受各種沖擊、振動的影響。太陽能電池*這些要求，1958年，美國的“先鋒一號”人造衛(wèi)星就是用了太陽能電池作為電源，成為世界上*個用太陽能供電的衛(wèi)星，空間電源的需求使太陽電池作為技術(shù)，身價百倍?，F(xiàn)在，各式各樣的衛(wèi)星和空間飛行器上都裝上了布滿太陽能電池的“翅膀”，使它們能夠在太空中長久遨游。我國1958年開始進行太陽能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。以太陽能電池作為電源可以使衛(wèi)星安全工作達20年之久，而化學電池只能連續(xù)工作幾天。
空間應(yīng)用范圍有限，當時太陽電池造價昂貴，發(fā)展受到限。70年代初，世界石油危機促進了新能源的開發(fā)，開始將太陽電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用，技術(shù)不斷進步，光電轉(zhuǎn)換效率提高，成本大幅度下降。時至今日，光電轉(zhuǎn)換已展示出廣闊的應(yīng)用前景。
    太陽能電池近年也被人們用于生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域。從1974年世界上*架太陽能電池飛機在美國試飛成功以來，激起人們對太陽能飛機研究的熱潮，太陽能飛機從此飛速地發(fā)展起來，只用了六七年時間太陽能飛機從飛行幾分鐘，航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽?，F(xiàn)在，的太陽能飛機，飛行高度可達2萬多米，航程超過4000公里。另外，太陽能汽車也發(fā)展很快。
    在建造太陽能電池發(fā)電站上，許多國家也取得了較大進展。1985年，美國阿爾康公司研制的太陽能電池發(fā)電站，用108個太陽板，256個光電池模塊，年發(fā)電能力300萬度。德國1990年建造的小型太陽能電站，光電轉(zhuǎn)換率可達30％多，適于為家庭和團體供電。1992年美國加州公用局又開始研制一種“革命性的太陽能發(fā)電裝置”，預(yù)計可供加州1／3的用電量。用太陽能電池發(fā)電確實是一種誘人的方式，據(jù)專家測算，如果能把撒哈拉沙漠太陽輻射能的1％收集起來，足夠*的所有能源消耗。
在生產(chǎn)和生活中，太陽能電池已在一些國家得到了廣泛應(yīng)用，在遠離輸電線路的地方，使用太陽能電池給電器供電是節(jié)約能源降低成本的好辦法。芬蘭制成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機，太陽能電池板就裝在住家的房頂上，還配有蓄電池，保證電視機的連續(xù)供電，既節(jié)省了電能又安全可靠。日本則側(cè)重把太陽能電池應(yīng)用于汽車的自動換氣裝置、空調(diào)設(shè)備等民用工業(yè)。我國的一些電視差轉(zhuǎn)臺也已用太陽能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎。
    當前，太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化；小功率小面積的太陽能電池在一些國家已大批量生產(chǎn)，并得到廣泛應(yīng)用；同時人們正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽能電池；可以預(yù)見，太陽能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一，在人們的生產(chǎn)、生活中占有越來越重要的位置。                                          返回11

4．多晶硅及其他光電轉(zhuǎn)換材料

光伏效應(yīng)

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面加大對能源的需求，引發(fā)能源危機；另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳氣體，導致性的“溫室效應(yīng)”。為此各國力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源。作為的可再生能源，太陽能具有“取之不盡，用之不竭”的特點，而利用太陽能發(fā)電具有環(huán)保等優(yōu)點，而且不必考慮其安全性問題。所以在發(fā)達國家得到了高度重視，歐洲聯(lián)盟國家計劃在２０１０年太陽能光電轉(zhuǎn)換的電力占所有總電力的1.5％，美國啟動了“百萬屋頂”計劃。在能源短缺，環(huán)境保護問題日益嚴重的我國，低成本率地利用太陽能尤為重要。
    太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽電池簡單裝置如圖1所示。當N型和P型兩種不同型號的半導體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。當光照在太陽電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場的作用下分離開，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負載提供電流。

從本世紀70年代中期開始了地面用太陽電池商品化以來，晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位，而且可以確信這種狀況在今后20年中不會發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括：單晶硅太陽電池，鑄造多晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高；非晶硅太陽電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，但是轉(zhuǎn)換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率，而且性能價格比zui高；薄膜晶體硅太陽能電池則現(xiàn)在還只能處在研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為zui主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因，因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是進一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。另外，尋找適合鑄造多晶硅表面織構(gòu)化的濕化學腐蝕方法也是目前低成本制備率電池的重要工藝。
    從固體物理學上講，硅材料并不是的光伏材料，這主要是因為硅是間接能帶半導體材料，其光吸收系數(shù)較低，所以研究其他光伏材料成為一種趨勢。其中，碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認識是兩種非常有前途的光伏材料，而且目前已經(jīng)取得一定的進展，但是距離大規(guī)模生產(chǎn)，并與晶體硅太陽電池抗衡需要大量的工作去做。             返回11

5．晶體硅太陽電池及材料

引言

    1839年，法國Becqueral*次在化學電池中觀察到光伏效應(yīng)。1876年，在固態(tài)硒（Se）的系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應(yīng)，隨后開發(fā)出Se／CuO光電池。有關(guān)硅光電他的報道出現(xiàn)于1941年。貝爾實驗室Chapin等人

1954年開發(fā)出效率為6％的單晶硅光電池，現(xiàn)代硅太陽電池時代從此開始。硅太陽電他于1958年首先在航天器上得到應(yīng)用。在隨后10多年里，硅太陽電池在空間應(yīng)用不斷擴大，工藝不斷改進，電他設(shè)計逐步定型。這是硅太陽電池發(fā)展的*個時期。第二個時期開始于70年代初，在這個時期背表面場、細柵金屬化、淺結(jié)表面擴散和表面織構(gòu)化開始引人到電池的制造工藝中，太陽電池轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。與此同時，硅太陽電池開始在地面應(yīng)用，而且不斷擴大，到70年代未地面用太陽電池產(chǎn)量已經(jīng)超過空間電池產(chǎn)量，并促使成本不斷降低。 80年代初，硅太陽電他進入快速發(fā)展的第三個時期。這個時期的主要特征是把表面鈍化技術(shù)、降低接觸復合效應(yīng)、后處理提高載流子壽命、改進陷光效應(yīng)引入到電他的制造工藝中。以各種電池為代表，電池效率大幅度提高，商業(yè)化生產(chǎn)成本進一步降低，應(yīng)用不斷擴大。

    在太陽電他的整個發(fā)展歷程中，先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構(gòu)的電池，如肖特基（Ms）電池，M1S電池，MINP電他；異質(zhì)結(jié)電池（如ITO（n）／Si（p），a-Si／c-Si，Ge／Si）等，其中同質(zhì)p-n結(jié)電池結(jié)構(gòu)自始至終占主導

地位，其它結(jié)構(gòu)對太陽電他的發(fā)展也有重要影響。

    以材料區(qū)分，有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅鋼硒（CIS）電池，磅化鎬（CdTe）電池，砷化稼電他等，而以晶硅電池為主導，由于硅是地球上儲量第二大元素，作為半導體材料，人們對它研究得zui多、技術(shù)zui成熟，而

且晶硅性能穩(wěn)定、無毒，因此成為太陽電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。