硅太陽能電池簡(jiǎn)介

Si硅，原子序數(shù)14，原子量28.0855，硅有晶態(tài)和無定形兩種形式。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。

在太陽能的有效利用當(dāng)中；太陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。

硅太陽能電池分類

制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：

1、硅太陽能電池；

2、以無機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；

3、功能高分子材料制備的太陽能電池；

4、納米晶太陽能電池等。

一、硅太陽能電池

1．硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)

太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：

硅材料是一種半導(dǎo)體材料，太陽能電池發(fā)電的原理主要就是利用這種半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。一般半導(dǎo)體的分子結(jié)構(gòu)是這樣的：

正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。

當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼（黑色或銀灰色固體，熔點(diǎn)2300℃，沸點(diǎn)3658℃，密度2.34克/厘米，硬度僅次于金剛石，在室溫下較穩(wěn)定，可與氮、碳、硅作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應(yīng)，形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高導(dǎo)電率和化學(xué)惰性的物質(zhì)。）磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖說明：

正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子，而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。

（附，什么是P型半導(dǎo)體呢？在半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體中摻入三價(jià)元素雜質(zhì)可構(gòu)成缺殼粒的P型半導(dǎo)體，摻入五價(jià)元素雜質(zhì)可構(gòu)成多余殼粒的N型半導(dǎo)體。）

同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子，

P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。P區(qū)的空穴會(huì)自發(fā)擴(kuò)散到N區(qū)，N區(qū)的電子會(huì)自發(fā)擴(kuò)散到P區(qū)，由于電子和空穴的相向，原來呈現(xiàn)電中性的P型半導(dǎo)體在界面附近就富集負(fù)電荷（由于一部分空穴擴(kuò)散到N區(qū)去了），類似的，原來呈現(xiàn)電中性的N型半導(dǎo)體在界面附近就富集正電荷（由于一部分電子擴(kuò)散到P區(qū)去了），這樣就形成了一個(gè)有N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止電子和空穴擴(kuò)散的進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，從而形成PN結(jié)。當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。

由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)（如圖梳狀電極），以增加入射光的面積。

另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。

2．硅太陽能電池的生產(chǎn)流程

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。

上述方法實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

二、納米晶化學(xué)太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。

以染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）為例，這種電池主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對(duì)電極以及電解質(zhì)等幾部分。

陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜（TiO2膜）

陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃

電解質(zhì)：I3/I

如圖所示，白色小球表示TiO2，紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。

三、染料敏化TiO2太陽能電池的手工制作

1.制作二氧化鈦膜

（1）先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進(jìn)行研磨

（2）接著用玻璃棒緩慢地在導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行涂膜

（3）把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結(jié)10～15分鐘，然后冷卻

2.利用天然染料為二氧化鈦著色

把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水并進(jìn)行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進(jìn)去進(jìn)行著色，大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進(jìn)去浸泡5分鐘，然后用乙醇沖洗，并用柔軟的紙輕輕地擦干。

3.制作正電極

由染料著色的TiO2為電子流出的一極（即負(fù)極）。正電極可由導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面（涂有導(dǎo)電的SnO2膜層）構(gòu)成，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的萬用表就可以判斷玻璃的那一面是可以導(dǎo)電的，利用手指也可以做出判斷，導(dǎo)電面較為粗糙。如圖所示，把非導(dǎo)電面標(biāo)上‘+’，然后用鉛筆在導(dǎo)電面上均勻地涂上一層石墨。

4.加入電解質(zhì)

利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質(zhì)，它主要用于還原和再生染料。如圖所示，在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質(zhì)即可。

5.組裝電池

把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質(zhì)，然后把正電極的導(dǎo)電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯(cuò)開，用兩個(gè)夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導(dǎo)線。這樣，你的太陽能電池就做成了。

6.電池的測(cè)試

在室外太陽光下，檢測(cè)你的太陽能電池是否可以產(chǎn)生電流。

結(jié)構(gòu)

正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。

當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖：

正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色的空穴。

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層）。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。直到達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。

由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)（如圖梳狀電極），以增加入射光的面積。

另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜。

硅太陽能電池工作原理

太陽電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч瑁嗑Ч瑁蔷Ч瑁榛墸熴~等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。

當(dāng)光線照射太陽電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

生產(chǎn)流程

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高化。