包头钢铁学院学报太阳能电池研究和发展现状毛，华包头钢铁学院基础部，内蒙古包头014010些国家太阳能电池的发展状况。

　　当今社会，能源危机及传统能源对环境污染程度日趋严重，开发清洁环保能源成为人类面临的重大问，新能源因此也成为21世纪科学研究的重要领域之。人类利太阳能这取之不尽的清沾能源的想法由来己久，最早是将它直接转换为热能利用，后来光生伏特效应的发现使太阳能利用领域更加灵活广阔。所谓太阳能电池是指由光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前以光屯效应工作的薄膜太阳能电池为小，而以光化学效应工作的，式太阳能电池则还处厂萌芽阶段。太阳光照在半导体结上，形成新的空穴电子对，是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳电池可以从其性能指标产量价格等方面来评价，太阳电池转换效率等多项，其中最主要的指标是光电转换效率。目前，普遍使用的太阳电池的光电转换效率最高为20，顺报导，休斯公司研究人员利用太空太阳电池研宄成果，制成种在地球上使用的太阳能电池其效率高达32.3，要比目前地球上太阳能电池高倍以上。目前在太空中使用的太阳能电池是结型电池，其效率为40，研究人员研制成功种称为镓铟，砷镓锗结型聚焦式太阳能电池。取得了，笸黄疲，沟孛嫣，裟艿绯氐男，驶，大提高，而制造成本大幅下降。据称，这将给目前产值达10亿美元的太阳能电池产业带来革命性的突破。硅是地球上极为丰富的种元襄可说是取之不尽。最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池，用桂来制造太阳电池，原料可谓不缺。但是提炼它却不容易，所以人们在生产单昌桂太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。其实可供制造太阳电池的半导体材料很多，除硅系列外，还有硫化镉砷化镓铜铟硒等许多类型的太阳电池。

　　太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。硅太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结构系薄膜式2大类，而前者又分为单结品形和多纟晶形。下血将分别对这4类电池从其结构特性制备方法生产应用等方面加以叙述。

　　1晶体硅太阳电池1晶体桂太阳电池是世界，市场上的主导产品。1997年84的太阳电池及组件是用晶体硅制造半导体材料，人们对它研宄得最多，技术最成熟，而且晶硅性能稳定无毒，因此成为太阳电池研究开发生产和应用中的主体材料。晶硅电池在过去20年里有了很大发展，许多新技术的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，如背面场浅结绒面1金属化电极和减反射膜等。后来的高效电池就是在这些早期实验和理论基础上发展起来的。

　　1.1单晶硅太阳电池单品硅太阳电池是开发得最最快的种太阳电池，其结构和生产工艺己定型，产品己广泛用于空间和地面。这种人阳电池以高纯的单晶硅榨为原料，纯度要求99.999为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加1的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

　　1.1.1单晶硅材料硅。要以52形式存于英和砂户中。它过程能遣消耗很高，约为141评以1.典呕的半导体级硅的制备过程粉碎的冶金级徒在硫化床反应器与0气体混合并反应生成氯氢碎和氢气。山尸5在30以厂是液体。因此很界易与氢气分离。接着，通过精馏使3识，3与其它氯化物分离，经过精馏的5.其杂质水平可低于，12质量分理制备出多晶硅锭。

　　1.1.2加工工艺将单晶桂棒切成片，般片厚约0.3 1桂片经过成形抛磨清洗等工序，制成待加工的原料桂片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，般掺杂物为微量的硼磷锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成然后采丝，印，法，将粘配好的银浆印砘片上做成栅线。经过烧结，同时制成竹电极，并钉栅线的面涂抱减反肘膜，以防人景的光能被光泔过系统设计，将太阳电池组件组成各种人小+目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15左右，实验朵成果也有3以的。典喂代是斯坦福大学的背面点触电池，新威尔士大学太阳能研宄所的局域化背面场电池1好。还有埋栅电池1从等。

　　1.2多晶娃太阳电池单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯娃材料。而制造这鸣材料1艺从杂。电耗很人，在人1电池生产总成本中己超12.加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳电池，其中包括非晶硅薄膜太阳电池硒铟铜和，化镉薄膜电池多晶硅薄膜太阳电池。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶桂少，又无效率衰减问，并有可能在廉价底材上制其成本预期及远低于晶碎电池，次於至效。千。

　　达18，远高于非晶硅薄膜电池的效率。因此，多晶硅薄膜电池被尺为是似有能替代单品硅电池和非晶硅薄膜电池的下代太阳电池。

　　1.21多晶娃材料浇铸多晶酬技术是降低成木的重要途径之，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较打。

　　1铸锭工艺铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法2种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以溶数的电子级硅懿，稼豢，盟。舰，1雌备，舰腿，冷源以造成定的温度梯度，使固液界面从坩祸底部向上移动而形成晶锭。浇铸法的工艺过程是选择电阻率为300，的多晶块料或单晶桂头尾料，经破碎，用1=5白勺，酸和硝酸，合液进话当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英谢埚装好多晶硅料，加入适量硼娃，放入浇铸炉，在真空状态下加热熔化。熔化后应保温约20，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。

　　铸锭法中需要解决的主要问是①硅容器的材质。因为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在坩埚的内壁。若两荇的膨胀系数不14硅固化时体枳增加9，会使桂锭产生裂纹或破碎。，晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当数毫米的具有单向性的晶粒并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。

　　2桂片加工技术常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.30.35，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年用多线切割机，切损只有0.22，硅片可切薄到0.2，且切割的损伤小。

　　目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种化学气相沉积法化奶法夂等离子体增强化学气相沉积法0，法液相外延法，和等离子体溅射沉积法中1.

　　化学气相沉枳法就足将衬底加热到适当的温度，然后通以反应气体如3尤，5；3，等，在定的保护气氛下反应生成硅原子并在衬底面沉积35厚的娃薄1吴。这些反应的温度通吊较尚，在8001200，之间。等离子，强化学气相沉积法是利用厂技术在非硅衬底上制1晶粒较小的多晶桂薄膜的种方法。娃粉在尚温等尚子体中力口以熔化，熔化的粒子沉积在衬底上。等离子体由心和少量的构成。沉积多品薄膜厚度2，该薄膜是种结构。主要特点是在1以和层之间有层较厚的多晶硅的本征层层。其制备温度很低200.晶粒很小7量级，但己属于多晶硅薄膜，几乎没有效率衰减问。但是，该方法也存在生长速度太慢以及薄膜极易受损等问，有待今后研究改进。液相外延法膜的种方法。可在平面和非平面衬底上生长，可获得结构完美的材料。

　　除了上述制备薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制济人电池器件方面人们也采取了系列工艺步骤，以提高效率。这些工艺步骤包括衬底的制备和选择；隔离层的制备；籽晶层或匹配层的制备；晶粒下面结构化，上下面减反射；电学限制制备背场胳和前后电极的欧姆接触制各电极钝化晶粒间界的钝化和面钝化。

　　目前，几乎所有制备单晶硅高效电池的实验室技术均⑴在制济多品硅薄膜太阳电池的工艺，甚至还也姑些制备集成电路的方法和工艺。1木菱公4制成效率高达16.421的多晶硅电池。北京太阳能研究所也成功地制成了效率为121的多晶桂电池。

　　2非晶硅太阳电池1241由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶桂太阳电池可以帮得很薄，通常硅膜厚度仅为1 2，是单晶硅或多晶硅电池厚度0.5，左右的1500，所以制作非品硅电池。资源消耗少。

　　晶硅太阳电池般是叫高频辉光放电等方法使硅烷4气体分解沉枳而成的。辉光放屯法圮将石英容器抽成真空。允氢气或氩气稀释的娃院，用射频电源加热5使硅烷电离，形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若娃烧中掺入适量的氢化磷或氢化硼，即可得到型或，型种制备非晶硅薄脱的工艺，主要取决于严格抟制气压流速和射频功率，衬底的温度也很重要。由厂分解沉积温度低200左，因此制作时能量消耗少，成本比较低。这种方法适于大规模生产。单片电池面积可以做1很大例如5，1.整齐美观。1晶硅电池的另1特点足它可以做在玻璃不锈钢板陶瓷板甚至柔性塑料片等基板上，还可以制成建筑屋顶用的瓦状太阳电池，应用前景广阔。

　　非品硅中由厂原子排列缺少结晶硅的规则性，缺陷多。因此单纯的非晶硅，结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈电阻特性，而无整流特性。也就不能制作太阳屯池。为此要在层与就是，将硅熔融在母液里降低温度使硅析出成之间加入较厚的本征层以扼制其隧道电流，所以非晶硅太阳电池般具有，取结构。为了提高效率和改善松定性吖时述制作成州斤财奶等多层结构式的叠层电池。或是插入些过渡。非品硅350太阳电池是在玻璃妞388衬底上沉积透明导电膜，然后依次用等离子体反应沉积，型1型型层以接着再蒸镀金屈屯极铝。光从玻璃面射，屯池电流从透叫导屯膜和铝引出，其结构可为388兀，1入还可以用不锈钢片塑料等作衬底。

　　在材料研究方面，先后研宄了以窗口层梯度界面层微晶硅，层等，明显改善了电池的短波光谱响应。这是由于忙太阳电池光生载流子的生成主要在层。入射光到达1层之前部分被1层吸收，对发电是无效的。而扣和微晶硅材料比，型3具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达1层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了38祝异质结界面光电子的输运特性。在增加长波响应方面，采用了绒面100膜绒面多层背反射电极21幻71和多带隙叠层结构。绒面丁1膜和多层背反肘屯极减少光的反肘和，肘损失，并增加了光在1层的传播路程，从而增加了光在1层的吸收。多带隙结构中，1层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应，提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集。

　　自1980年日本洋电气公司利用没太阳电池制成袖珍计算器后，产量连续增长，电池成本也逐年下降。随着非晶硅电池性能的不断提高，成本不断下降其应用领域亦在不断扩大。由计算器扩展到其他领域如太阳能收音机路灯微波中继站交通道口信号灯气象监测以及光伏水泵户用独立电作晶桂由于其内部结构的不稳定性和大量氢原刊勺存在，具有光疲劳效应，经过长期光照后，效率会变低。特别是在强光光照下长期稳定性存在问底解决问，作为电力电源，尚未大量推广。

　　非晶硅太阳电池的研究，现在主要着重于改善非晶桂膜本身性质，以减少缺陷密度，精确设计电池结构和控制各层厚度，改善各层之间的界面状态，以14.6左右，大量生产的可达到810左右。叠层电池的最高效率可达到21.0.

　　3化合物半导体太阳能电池151化合物半导体太阳电池是另大类太阳电池，研宄。应用较多的有，8，碟，0162和瓜；太阳电池。由于化合物半导体多数带有毒性，易对环境造成污染，目前只用在些特殊场合。

　　合物半导体光伏材料。由于它具有的转换效率低的制造成本以及性能稳定而成为小光伏界研允热点之，很有可能成为下代的商品化薄膜太阳电池。

　　1辽处族化合物半导体2是直接带隙半导体材料，771时的带隙为度的变化不敏感吸收率高达5 15太1电池是在玻璃或其他廉价衬底上分别沉积多层薄脱而构成的光伏器件，其结构为光金屈栅状电极减反射膜窗1层20过渡以，光吸收层03金属竹电极伽，讨经多年研宄，太阳电池发展了不同结构，主要差别在于窗口材料的选择。最早是用13作窗口，其禁带宽度为2.42薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为型层，与，型材料形成结，从而构成太阳电池。因此它对太阳电池的特性有很大影响，特别是对电池转换效率有很大影响。般而言，本征，薄膜的串联电阻很高，不利于作窗口层，在变成。近年来窗口层改用办，带宽可达到3.3，0，只作为过渡层，其厚度大约几十纳米。

　　为了，加光的入射率，在电池面做层减反膜随奸2，有益于屯池效率的提，5.

　　山如薄膜生长工艺真空蒸发法合金膜的硒化处理法包括电沉积法和化学热还原法封闭空间的气相输运法喷涂热解法射频求得尚效率和尚稳定性。

　　3斤1说2灿电池般由低0的型办和阻，型纟。成，这种结构的电池般有较高的短路电流中等的仆路屯压和较低为了获得性能较好的015，162电池，需要形成低阻咖2层，实验发现低阻。血862材料与13接触时，在界面处会产生大量铜结核。结核的产生使电池的效率大为降低。丽型08化062电池解决这问。

　　我国的32薄膜太阳电池研究始于20世纪8，年代中期。我国该技术仍处于实验室阶段，而且处厂较低的水平，投很少，进展缓忪。

　　2尤也太阳电池版妃公认的高效廉价的薄脱电池材料。1是讥族化合物，是直接带隙材料，其带隙为1.45，它的光谱响应与太阳光谱十分吻合。

　　由于，取膜具有直接带隙结构，其光吸收系数极大，厚度为1的薄膜，足以吸收大于，及禁带能量的辐射能量的99.因此降低了对材料扩散长度的要求。

　　其制备方法主要有丝网印刷烧结法周期性电脉冲沉积法高温喷涂法真空蒸发，和原子层外延等技术。

　　以，lt；吸收层，0，作窗口层的。8斤，丁6半导体异质结电池，其典型结构为减反射膜。3；山太；电池1956年；太阳屯池出现，201纪60代开展了同质结0太阳电池的研宄，由于它在效率和成本上都无法与硅太阳电池竞争，阻碍了它的应用和发展。

　　20世纪70年代初采用异质结后，使0太阳电池引起人们的普遍关注。，化镓08太阳电池可以得到较高的效率，实验室最高效率已达到24以上。般航天用的太阳也池效率岜在18 19.5之间。在单晶衬底上生长的单结电池效率为0120；级联屯池的理论效率的36，实验卞中已制出了面积42转换效率30.28的1加535 08迭层电池。1977年，由贾，也和，51设计研制的，入1石1人808层结构异质结太阳电池，效率达21.9，使0；太阳电池在效率方面超过同质结硅太阳电池，而在材料成本方面比娃昂贵，但0土禁带宽度适中，耐辐射和高温性能比硅强，学者对它的研究兴趣不减。

　　砷化镓太阳电池目前大多用液相外延方法或金属有机化学气相沉积技术制备，因此成本高，产量受到限制，降低成本和提高生产效率己成为研宄重点。砷化镓太阳电池目前主要用在航天器上。

　　另外还有，霪和磷化铟！太阳电池。

　　128太阳电池理论转换效率达15左右，实际电池效率约为9.度因其廉价制备工艺简单而受到人们的注意，但由于其稳定性差，效率低下，人们对这类电池已逐渐失去兴趣。磷化铜1.太阳电池具有特别好的抗辐照性能，因此在航天应用方面受到重视，目前这种电池的效率也己达到17 1赵；文休安中。晶休硅太；电池及村料阳能学报。1999，特刊854 2埤光普。太1电搦发1现状4我旧阳光发电规划。

　　3耿新华，孙云。王宗畔。等。薄膜太阳电池的研宄进1.物甩9.282124吴瑞华，耿新华。非晶硅太阳电池评述。太阳能学报。1999，特刊9101.

　　5季秉厚，王万录。多晶薄膜与薄膜太阳电池1.太阳能学报。1999.特刊214