能源工学小论文硅基太阳能电池.doc

硅基太阳能电池 钱坤 121120101 一、引言 太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁、不产生任何环境污染的能源。在太阳能有效利用当中，太阳能光电利用是近年来发展最快，也是最具活力的研究领域。太阳电池的历史可以追溯到19 世纪。1839 年Becqurel 在电解槽中发现了光生伏特效应。1883 年,Frit ts 描述了第一个用硒制造的光生伏特电池。1941年,Ohl 提出了硅p2n 结光伏器件, 在此基础上, 美国贝尔实验室于1954 年制造出第一个实用的硅扩散p2n 结太阳电池, 并很快将光电转换效率提高到10 %。1958年, 太阳电池首先在人造卫星上得以应用, 从此开始了研究、利用太阳能发电的新阶段。20 世纪50 年代第一块实用的硅太阳电池的问世, 揭开了光电技术的序幕,也揭开了人类利用太阳能的新篇章。自20 世纪60 年代太阳电池进入空间、20 世纪70年代进入地面应用以来, 太阳能光电技术发展迅猛。但在20 世纪80 年代以前, 由于发电成本过高, 太阳电池的应用并不广泛。光伏发电主要在航天、通信、导航、农业灌溉等领域作为补充能源。1990年以来，太阳能电池的平均年增长率高达16%，目前每年的贸易额超过10亿美元。硅材料在光伏领域的增长率已高于它在集成电路领域的增长率。 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量后发生光电转换效应。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为： 以非晶硅、多晶硅和单晶硅为材料的硅太阳能电池 以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多元化合物为材料的太阳能电池 以铜铟硒为材料生产的太阳能电池 以其它材料（ 如Ⅱ-Ⅵ族半导体，塑料，有机材料）生产的太阳能电池；另外，锗单晶也是重要的太阳能电池材料。 无论采用何种材料生产太阳能电池，它们对材料的一般要求是： 半导体材料的禁带不能太宽 要有较高的光电转换效率 材料本身对环境不造成污染 材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定 综合以上几方面因素考虑，硅材料是最理想的太阳能电池材料。 按照电池的生产量来说，硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳能电池占80%以上 二、背景 硅基太阳能电池的发展可划分为三个阶段（如图1所示），每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。 　　 图1电池效率发展路程图 1954年贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备工艺日趋完善、硅材料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这一期间电池效率在15%。1972年到1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17%，电池成本大幅度下降。1985年后是电池发展的第三阶段，光伏科学家探索了各种各样的电池新技术、金属化材料和结构来改进电池性能提高其光电转换效率：表面与体钝化技术、Al/P吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。许多新结构新技术的电池在此阶段相继出现，如效率达24.4%钝化发射极和背面点接触（PERL）电池。目前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生产当中来。目前已经有多家国内外公司对外宣称到2008年年底其大规模产业化生产转换效率单晶将达到18%，多晶将超过17%。 三、原理 太阳能是一种辐射能,要将这种辐射能(或其它光能)转换为电能,必须借助“能量转换器”一一太阳能电池,也称为光电池。因为常见的太阳能电池都是由半导体材料制造,所以有时也称为半导体光电池。太阳能电池工作原理是基于半导体p一n结的光生伏特效应。即太阳光或其它光照射半导体p一n结时,就会在p一n结的两边出现电压,叫做光生电压。下面以单晶硅太阳能电池为例作一下介绍。 原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成,原子核外的电子围绕着原子核旋转,其运动轨迹遵循一定的轨道。单晶硅原子共有三个电子层,最外电子层中有4个电子,这4个电子都有着固定的位置且受原子核的约束。当有外来能量激发(如受到太阳能辐射)时,最外层的电子即可摆脱原子核的束缚而变成自由电子,与此同时,此电子原来所在地方形成一个“空位”,此“空位”可看成一个正电荷,被称之为“空穴”。在单晶硅中,带负电的电子和带正电的空穴都是可以运动的电荷。 在本征半导体晶体硅中,自由电子的数目等于空穴的数目。但如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的杂质,如硼、铝、嫁或锢等,就变成了空穴型半导体,简称p型半导体;而如果在硅晶体中掺入能够释放电子的杂质,如磷、砷或锑等,则变成了电子型半导体,简称n型半导体。若将这两种半导体结合在一