3．太陽能電池

電池行業(yè)是２１世紀(jì)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?。太陽能電池是一種近年發(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(dǎo)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(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)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(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，半導(dǎo)體硅原子的外層有4個(gè)電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)受到外來能量的作用時(shí)，這些電子就會(huì)脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個(gè)“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(dǎo)體，通常用符號(hào)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(dǎo)體，以符號(hào)N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個(gè)P－N結(jié)。太陽能電池的奧妙就在這個(gè)“結(jié)”上，P－N結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動(dòng)。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，電子接受光能，向N型區(qū)移動(dòng)，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向P型區(qū)移動(dòng)，使P型區(qū)帶正電。這樣，在P－N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)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(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個(gè)個(gè)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(dǎo)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(jià)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(gè)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(xué)家，對它更是注目。這是由于當(dāng)時(shí)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(dòng)的影響。太陽能電池*這些要求，1958年，美國的“先鋒一號(hào)”人造衛(wèi)星就是用了太陽能電池作為電源，成為世界上*個(gè)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(jià)百倍。現(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(jìn)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(dá)20年之久，而化學(xué)電池只能連續(xù)工作幾天。
空間應(yīng)用范圍有限，當(dāng)時(shí)太陽電池造價(jià)昂貴，發(fā)展受到限。70年代初，世界石油危機(jī)促進(jìn)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(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率提高，成本大幅度下降。時(shí)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(jī)在美國試飛成功以來，激起人們對太陽能飛機(jī)研究的熱潮，太陽能飛機(jī)從此飛速地發(fā)展起來，只用了六七年時(shí)間太陽能飛機(jī)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(jī)，飛行高度可達(dá)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(jìn)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(gè)太陽板，256個(gè)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(dá)30％多，適于為家庭和團(tuán)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(jì)可供加州1／3的用電量。用太陽能電池發(fā)電確實(shí)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(yuǎn)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(jī)，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(jī)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(dòng)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(tái)也已用太陽能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎。
    當(dāng)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(shí)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(jī)；另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)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(diǎn)，而利用太陽能發(fā)電具有環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而且不必考慮其安全性問題。所以在發(fā)達(dá)國家得到了高度重視，歐洲聯(lián)盟國家計(jì)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(dòng)了“百萬屋頂”計(jì)劃。在能源短缺，環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)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(dāng)N型和P型兩種不同型號(hào)的半導(dǎo)體材料接觸后，由于擴(kuò)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(dāng)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(fù)載提供電流。

從本世紀(jì)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(huì)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(jià)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(cuò)、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(rèn)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(jìn)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(xué)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(xué)上講，硅材料并不是的光伏材料，這主要是因?yàn)楣枋情g接能帶半導(dǎo)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(rèn)識(shí)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(jìn)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(xué)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(bào)道出現(xiàn)于1941年。貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)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(kuò)大，工藝不斷改進(jìn)，電他設(shè)計(jì)逐步定型。這是硅太陽電池發(fā)展的*個(gè)時(shí)期。第二個(gè)時(shí)期開始于70年代初，在這個(gè)時(shí)期背表面場、細(xì)柵金屬化、淺結(jié)表面擴(kuò)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(shí)，硅太陽電池開始在地面應(yīng)用，而且不斷擴(kuò)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(jìn)入快速發(fā)展的第三個(gè)時(shí)期。這個(gè)時(shí)期的主要特征是把表面鈍化技術(shù)、降低接觸復(fù)合效應(yīng)、后處理提高載流子壽命、改進(jìn)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(jìn)一步降低，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。

    在太陽電他的整個(gè)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(dǎo)

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(dǎo)，由于硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素，作為半導(dǎo)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。