晶体硅、薄膜和纳米结构太阳电池研究

王振美

（哈尔滨市职工医学院，黑龙江 哈尔滨150020）

太阳能是有巨大开发潜能的清洁能源。随着现代科技成果的普及，太阳能被广泛利用。晶体硅电池和薄膜电池被广泛应用。新一代纳米结构电池也在研发中。本文将介绍晶体硅、薄膜、纳米结构三种太阳电池的存在问题及技术特性。

1 晶体硅电池

晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池，成本较高，但工艺和材料技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的8 0%以上。

1.1 单晶硅电池

单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专门为生产太阳电池制备的单晶硅。单晶硅电池工艺技术成熟，转化效率高，商品单晶硅电池和组件的转化效率为1 4%-1 7%，加入新技术之后可超过2 0%。改进单晶硅电池的课题主要集中于如何提高转化效率；提高晶体质量。单晶硅太阳电池转化效率高，但是单晶硅材料价格较高，工艺较为繁琐，因此单晶硅太阳电池的主要问题是成本较高。

1.2 多晶硅电池

多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。与单晶硅相比，多晶硅太阳电池存在的问题是晶粒间界和晶粒的不同取向，晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态势光生载流子的复合中心，影响多晶硅太阳能电池的特性和效率。一种解决办法是，控制晶体凝固过程的晶粒形状和尺寸，从而降低界面态密度、提高多晶硅太阳电池性能。工艺过程中的温度分布、凝固速度、固液界面形状会影响晶锭的晶粒形状和尺寸，这些工艺参数取决于冷源散热情况、坩埚厚度和加热器的热量分布，因此铸锭的设备对生产出的多晶硅电池有重要的影响。根据研究结果显示，为了生产出高质量的多晶硅电池，需要满足如下生产设备条件：第一，石墨托侧壁的厚度在满足支撑作用的前提下要尽可能薄；第二石墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭；第三，石英坩埚的厚度和冷源半径最佳值需要结合实际参数来确定；第四，铸锭过程的首位阶段加热器降温速率需要足够小使得结晶应力不至过于集中而导致晶锭开裂。

1.3 带状硅电池

带状硅制备不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，从而降低电池材料成本。带状硅生长的主要方法有条带法、蹼状法、定边喂膜生长法等。带状硅太阳电池转化效率约为1 5%，略低于单晶硅电池。

2 薄膜电池

晶体硅太阳电池通常制造在厚度3 5 0-4 5 0微米的高质量硅片上，硅片从拉制或铸造的晶锭上切割而成，消耗较多硅材料，因此从1 9 7 0年代开始，在廉价衬底上沉积薄膜制造成太阳电池成为新的研究热点。薄膜电池相较晶体硅电池成本更低，具有更高的竞争力和开发潜力。

碲化镉具有闪锌矿结构，是I I-V I族化合物半导体材料，光吸收系数高，1微米的碲化镉能吸9 9%以上禁带宽度以上的辐射能，是制造太阳电池的优质材料。主要制备过程以碲化镉作为吸收体的薄膜半导体材料，与窗口层C d S形成异质结太阳电池。吸收层碲化镉薄膜室温禁带宽度为1.4 5 e V。制备方法有生化、M O C V D、C V D、电沉积、丝网印刷、真空蒸发以及原子层外延等多种方法，各种方法的转化效率均有1 0%以上的记录。

3 纳米结构电池的研究

太阳电池的发展历经了第一代半导体晶体片p n结太阳电池和第二代半导体薄膜p i n结构太阳电池，第一代转换效率较高但是成本较高，第二代成本低但是转换效率和稳定性不够高。第三代电池应该朝着高效率、低成本、长寿命、无污染、高稳定性的方向发展，需要拓宽对太阳光谱吸收范围，选择更加优质的材料、更加合理的结构、减少自身的损耗等。下面介绍其特性。

3.1 量子阱结构的带隙可调谐特性

量子阱结构是利用两种或多种具有不同禁带宽度的材料，利用分子束外延或金属有机化学气相淀积法形成的多层超薄异质结构。一维量子阱结构中，窄带隙材料是量子阱，宽带隙材料是势垒层。量子阱结构用作太阳电池的特点是：第一，可以拓宽对太阳光谱的能量吸收范围，这有利于实现宽频带和强吸收；第二，选择具有适宜晶格失配度的材料可以实现量子阱有源区的无位错生长，可显著减少界面处的载流子复合过程，从而有效提高对光生载流子的收集效率；第三，可以利用光子回收效应，即利用电池背面的分布布拉格反射镜面的反射作用，使能量地狱量子阱带隙能量的光子被反射，从而减少暗电流。

3.2 纳米薄膜的良好光吸收特性

纳米半导体薄膜由纳米晶粒和界面结缔组织构成，晶粒尺寸3-6纳米，界面区宽2-4个原子层厚。纳米半导体材料已经在各种纳米电子器件和光电子器件中占据重要地位，近期也开始被应用于太阳电池。纳米薄膜的重要特点是：表面/体积比大，因此与体材料或者其他薄膜材料相比，光吸收系数更高；纳米薄膜材料具有显著的量子限制效应，通过控制晶粒尺寸和密度分布可以调节能带特性，拓宽光吸收谱范围；良好的光照稳定性，例如纳米晶薄膜无光致亚稳效应，具有较高的工作稳定性。

3.3 纳米线阵列的低反射率特性

纳米线、纳米棒、纳米晶须、纳米管等式典型准一维纳米结构，它们可以作为纳米结构太洋电池的材料。纳米线结构和纳米薄膜相比优势是：第一，比纳米薄膜的比表面及更大，因此光吸收能力更强；第二，纳米线中原子定向有序生长可提高结晶质量，此外一维电子运输特性可以改善纳米结构中的载流子输运过程，从而有利于提高光电转换效率；第三，纳米线结构反射率低、抗反射特性好、载流子迁移率高，因此是高转换效率的潜力材料。

结语

本文总结了3大类太阳电池，第一类是晶体硅电池，特点是光电转换效率高，但是成本较高，制作工艺复杂。第二类是薄膜电池，特点是成本不高，但是光电转换效率不高，而且稳定度和寿命不够高，并且有的材料对环境和人体有害。第三类是纳米结构太阳电池，这类电池还处于研发阶段，但当前的科研成果认为纳米结构电池在转换效率、寿命、稳定性、无害性等方面均有巨大的研究和开发的潜力，是未来的发展方向。

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