硅太阳能电池

Si硅， 原子序数14，原子量28.0855， 硅有 晶态和无定形两种形式。　太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。

在太阳能的有效利用当中；太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。

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，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；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太阳能电池；4、 纳米晶太阳能电池等。

一、硅太阳能电池

1 ．硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的 光电效应，一般的半导体主要结构如下：

硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的分子结构是这样的：

上图中， 正电荷表示硅 原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点2300℃，沸点3658℃，密度2.34克/厘米，硬度仅次于 金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和 金属氧化物反应，形成 金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个 空穴，它的形成可以参照下图说明：

图中， 正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼 原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

（附，什么是 P型半导体呢？在半导体材料硅或 锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺 壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的 N型半导体。）

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷 原子核，红色的为多余的电子，如下图所示：

P型半导体中含有较多的 空穴，而 N型半导体中含有较多的电子，这样，当 P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成 电势差，这就是 PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于 P型半导体多 空穴， N型半导体多 自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内 电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成 电势差，从而形成 PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。

由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结（如图 梳状电极），以增加 入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层 反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用 化学气相沉积沉积一层 氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

2 ．硅太阳能电池的生产流程

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。

上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，制备 多晶硅 薄膜电池多采用 化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（ LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（ PECVD）工艺。此外， 液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

二 、纳米晶化学太阳能电池

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、 新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。

以染料敏化 纳米晶体太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有 透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、 对电极以及电解质等几部分。

阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜）

阴极：镀铂的导电玻璃

电解质：I3/I

如图所示，白色小球表示TiO2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳 光能 跃迁到 激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2 导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入 导电膜,然后通过外回路产生 光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

三 、染料敏化 TiO 2 太阳能电池的手工制作

1.制作二氧化钛膜

(1)先把二氧化钛粉末放入 研钵中与粘合剂进行研磨

(2)接着用 玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜

(3)把二氧化钛膜放入 酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却

2.利用 天然染料为二氧化钛着色

如图所示，把新鲜的或冰冻的 黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。

3.制作正电极

由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。

4.加入 电解质

利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。

5.组装电池

把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。

6.电池的测试

在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。

正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个 空穴，它的形成可以参照下图：

正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生蓝色的空穴。

当 P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。直到达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成 电势差，这就是 PN结。

由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用，科学家们给它涂上了一层 反射系数非常小的保护膜。

太阳电池是一种对光有响应并能将 光能转换成电力的器件。能产生 光伏效应的材料有许多种，如： 单晶硅， 多晶硅， 非晶硅， 砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已 晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。

当光线照射太阳电池表面时，一部分 光子被硅材料吸收;光子的 能量传递给了硅 原子，使电子发生了越迁，成为 自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子 能量转换成电能的过程。

化学 气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的 衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、 Si3N4等。但研究发现，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在衬底上沉积一层较薄的 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，采用的技术主要有固相 结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅 薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备 单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池 转换效率明显提高化。

晶体硅太阳能电池应用中，发射极的特性可以极大地影响电池性能，通过提高发射极的掺杂浓度可以降低电池的 接触电阻，但是过高的掺杂浓度又将增加发射极中光生载流子的复合速率。选择性发射极电池结构有效地解决了这一矛盾，在这种电池结构中，金属栅线下方采用较高浓度的掺杂，与此同时，栅线间的发射极保持较低的掺杂浓度，从而在保证较好的 蓝光响应的条件下，实现电池串联电阻的减小。然而，该电池结构需要严格的对准工艺实现金属栅线与选择性发射极的电接触。

中科院宁波材料技术与工程研究所万青研究组提出了一种交叉 自对准工艺，采用普通 丝网印刷设备研制了高效率的晶体硅太阳能电池。常规晶硅电池工艺在经过高温磷扩散后，在电池表面存在一层高浓度 磷元素的磷硅玻璃层，通过波长为532nm的激光图形化 退火处理，将磷硅玻璃中的磷元素进一步扩散进入硅，从而在 电池片表面形成选择性 重掺杂区域。丝网印刷 银浆时，使得细栅线90度交叉激光重掺杂线条，巧妙地实现自对准制备工艺。

电池性能测试表明，发射极 方块电阻为75欧姆/方块的标准 单晶硅电池(125mm×125mm)，最佳 填充因子由激光掺杂前的~65%提高到激光掺杂后的~79%;最佳电池光电转化效率由激光掺杂前的~14.4%提高到激光掺杂后的~17.7%。电池性能的提高主要由于电池接触性能的改善引起。

2022年11月19日，隆基绿能科技股份有限公司宣布，收到的德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）最新认证报告显示，由其自主研发的硅异质结电池转换效率达到26.81%，打破了已尘封五年的硅太阳能电池效率纪录。该记录以可量产设备、技术和全硅片大面积创造。^[1]