一、太陽能電池概述
1.1 太陽能電池原理
太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應把光能轉化成電能的裝置。太陽能電池以光電效應工作的結晶體太陽能電池和薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處於萌芽階段。太陽能電池工作原理的基礎是半導體pn結的光生伏特效應。
所謂光生伏特效應就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。
為了理解太陽能電池的運做，我們需要考慮材料的屬性並且同時考慮太陽光的屬性。太陽能電池包括兩種型別材料，通常意義上的p型矽和n型矽。在純淨的矽晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。
如果在矽晶體摻雜了能俘獲電子的硼、鋁、鎵、銦等雜質元素，那麼就構成p型半導體。如果在矽晶體麵中摻入能夠釋放電子的磷、砷、銻等雜質元素，那麼就構成了n型半導體。若把這兩種半導體結合在一起，由於電子和空穴的擴散，在交接面處便會形成pn結，並在結的兩邊形成內建電場。
太陽光照在半導體 p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n 區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路後就形成電流。這就是光電效應，也是太陽能電池的工作原理。
1.2 太陽能電池種類
太陽能電池的種類有很多，按材料來分，有矽基太陽能電池（單晶，多晶，非晶），化合物半導體太陽能電池（砷化鎵（gaas），磷化銦（inp），碲化鎘（cdte）, 銅銦鎵硒（cigs）），有機聚合物太陽能電池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太陽能電池，奈米晶太陽能電池；按結構來分，有體結晶型太陽能電池和薄膜太陽能電池。
1.3 太陽能電池發展趨勢
市場發展的需求和發電成本降低的需要是太陽能光伏技術發展的「原動力」；同時，技術進步也是促進光伏產業發展的重要因素。幾十年來，圍繞著降低成本的各種研究工作取得了輝煌成就，表現在電池效率不斷提高、矽片厚度持續減薄、新材料應用、產業化技術改進等方面，對降低光伏發電成本起到了決定性作用。
1.3.1 電池效率不斷提高
單晶矽電池的實驗室效率已經從50 年代的6％提高目前的24.7％（商業化效率16～20％）；多晶矽電池實驗室效率目前達到了20.3％（商業化效率14～16％）。
薄膜電池的研究工作也獲得了很大成功，非晶矽薄膜電池實驗室穩定效率達到了13％、碲化鎘（cdte）電池實驗室穩定效率達到16.4％、銅銦硒（cis）電池實驗室效率達到19.5％。
其他新型電池，如多晶矽薄膜電池、染料敏化電池、有機電池等不斷取得進展，更高效率的複合型電池也受到廣泛的關注。
表1.1 **2010—2023年主要太陽能電池光電轉換效率（%）
1.3.2 商業化電池矽片厚度不斷降低
降低矽片厚度是減少矽材料消耗、降低太陽能電池成本的有效技術措施。30多年來，太陽能電池矽片厚度從70 年代的450～500μm 降低到目前的180～280μm，降低了一半以上，矽材料用量大大減少，對降低太陽能電池成本起到了重要的作用。
表1.2 太陽能電池厚度及用矽量**
1.3.3 生產規模不斷擴大
生產規模不斷擴大和自動化持續提高是太陽能電池生產成本降低的重要方面。太陽電池單廠生產規模已經從上世紀80年代的1～5mw/年發展到90年代的5～30mw/年和本世紀的50～500mw/年。生產規模與成本降低的關係體現在學習曲線率lr（learning curve rate）上，即生產規模擴大1倍，生產成本降低的百分比。
對於太陽電池來說，30年代統計的結果，lr＝20％（含技術進步在內），是所有可再生能源發電技術中最大的，是現代集約化經濟的最佳體現者之一。
1.3.4 元件成本大幅降低
光伏元件成本3年來降低了2個數量級。2023年世界重要廠商的成本為2～2.3 美元/wp，售價2.5～3美元/wp，2004 年以後因能源及原材料緊缺，**有所回公升。
1.3.5 電池技術快速發展
2004 年各種電池技術的市場份額中，其中多晶矽56％，單晶矽29％，hit電池（非晶矽（p－型）/單晶矽（n－型）異質結電池）5％，其他為薄膜電池，共計約7％。多晶矽電池在1998 年開始超過單晶矽後一直持續增長，各種薄膜電池的絕對生產量近年來也在穩定增加，反映出技術進步的推動力量。
總的來說，作為太陽能電池的材料，iii-v 族化合物及cis等系由稀有元素所製備，儘管以它們製成的太陽能電池轉換效率很高，但從材料**看，這類太陽能電池將來不可能佔據主導地位。而另兩類電池，奈米晶太陽能電池和有機聚合物太陽能電池，它們的研究剛剛起步，技術不是很成熟，仍處於探索階段，短時間內不可能替代矽系太陽能電池。因此，從轉換效率和材料的**角度講，今後發展的重點仍是矽太陽能電池特別是多晶矽和非晶矽薄膜電池。
由於多晶矽和非晶矽薄膜電池具有較高的轉換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶矽電池，成為市場的主導產品。下面我將重點講述著三種矽基太陽能電池的製作工藝和優缺點，以及在今後的發展中需要解決的問題。
二．矽基太陽能電池
2.1 單晶矽太陽能電池
單晶矽太陽能電池是當前開發得最快、應用最為廣泛的一種太陽能電池，它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用於空間和地面。其生產工藝流程如下：將單晶矽棒切成片，一般片厚約0.
3公釐。矽片經過拋磨、清洗等工序，製成待加工的原料矽片。加工太陽能電池片，首先要在矽片上摻雜和擴散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。
擴散是在石英管製成的高溫擴散爐中進行。這樣就矽片上形成pn結。然後採用絲網印刷法，精配好的銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在有柵線的面塗覆減反射源，以防大量的光子被光滑的矽片表面反射掉。
因此，單晶矽太陽能電池的單體片就製成了。單體片經過抽查檢驗，即可按所需要的規格組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），用串聯和併聯的方法構成一定的輸出電壓和電流。最後用框架和材料進行封裝。
2.2多晶矽薄膜太陽能電池
通常的晶體矽太陽能電池是在厚度200～350μm 的高質量矽片上製成的，這種矽片從提拉或澆鑄的矽錠上鋸割而成。因此實際消耗的矽材料更多。為了節省材料，人們從70 年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶矽薄膜。
多晶矽（poly-si）薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構成的。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百nm級，大顆粒尺寸可達μm級。高質量的半導體多晶矽薄膜的許多效能引數，都可用單晶矽（c-si）薄膜和非晶矽氫合金（a-si：
h）薄膜的引數來代替。多晶矽薄膜在長波段具有高光敏性，對可見光能有效吸收，又具有與晶體矽一樣的光照穩定性，因此被公認為是高效、低耗的理想光伏器件材料。
目前製備多晶矽薄膜電池多採用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（lpcvd）和等離子增強化學氣相沉積（pecvd）工藝。此外，液相外延法（lppe）和濺射沉積法也可用來製備多晶矽薄膜電池。多晶矽薄膜可在600℃以下的低溫沉積，隨後用雷射加熱晶化或固相結晶等方法形成。
電池襯底可採用玻璃甚至塑料類的柔性材料。也可以直接在高溫下生長形成多晶矽薄膜，生長溫度大於1000℃，矽的沉積速率約為5nm／min。生長溫度高就需要選擇耐高溫襯底材料，目前通常採用低質量的矽、石墨或陶瓷材料。
由於在高溫下生長薄膜，獲得的多晶矽薄膜具有較好的結晶性，晶粒尺寸較大。低溫製備多晶矽薄膜電池，一般採用cvd方法。由低溫沉積的薄膜，晶粒尺寸較小，獲得的電池效率不高。
要獲得10%～15%的效率，晶粒尺寸須大於l00nm。高溫製備多晶矽薄膜電池，一般採用液相外延法（lppe）、區熔再結晶（zmr）及低壓化學氣相沉積（lpcvd），apcvd、等離子增強化學氣相沉積（pecvd）等方法。先在耐高溫襯底材料上生長厚度為10～20nm 的多晶矽薄膜，再利用晶體矽電池常規製備工藝進行p-n 結及電極製備。
化學氣相沉積主要是以sih2cl2、sihcl3、sicl4 或sih4，為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成矽原子並沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用si、sio2、si3n4等。但研究發現，在非矽襯底上很難形成較大的晶粒,並且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 lpcvd在襯底上沉熾一層較薄的非晶矽層，再將這層非晶矽層退火，得到較大的晶粒，然後再在這層籽晶上沉積厚的多晶矽薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的乙個環節，目前採用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。
多晶矽薄膜電池除採用了再結晶工藝外，另外採用了幾乎所有製備單晶矽太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所採用區館再結晶技術在fz si襯底上制得的多晶矽電池轉換效率為19％，日本三菱公司用該法製備電池，效率達16.42%。
液相外延（lpe）法的原理是通過將矽熔融在母體裡，降低溫度析出矽膜。美國astro power 公司在耐高溫襯底上製備的多晶矽薄膜電池效率己達16%，而且認為通過降低多層減反射膜中氧化層的厚度到100a，並增加基體材料的擴散長度，電池效率可達l8%。
2.3 非晶矽薄膜太陽能電池
開發太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本。由於非晶矽薄膜太陽能電池的成本低，便於大規模生產，普遍受到人們的重視並得到迅速發展，其實早在70年代初，carlson 等就已經開始了對非晶矽電池的研製工作，近幾年它的研製工作得到了迅速發展，目前世界上已有許多家公司在生產該種電池產品。
非晶矽半導體材料的最基本特徵是組成原子的排列為長程無序、短程有序，原子的鍵合類似晶體矽，形成一種共價無規網狀結構。這結構，不是無規理想的網路模型，其中含有一定量的結構缺陷、懸掛鍵、斷鍵和空洞等。非晶矽電池的工作原理與單晶矽電池類似，都是利用半導體的光生伏特效應實現光電轉換。
與單晶矽電池不同的是，非晶矽電池光生載流子只有漂移運動而無擴散運動，原因是由於非晶矽結構中的長程無序和無規網路引起的極強散射作用，使載流子的擴散長度很短。如果在光生載流子的產生處或附近沒有電場存在，則光生載流子受擴散長度的限制，將會很快復合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電池設計成為pin型，其中p層是入射光層，i層是本徵吸收層，處在p和n產生的內建電場中。
當入射光通過p+層進入i層後，產生電子-空穴對，光生載流子一旦產生後就由內建電場分開，空穴漂移到p+邊，電子飄移到n 邊，形成光生電流和光生電壓。
非晶矽光學帶隙為1.7ev, 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶矽太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續而衰減，即所謂的光致衰退s-w效應，使得電池效能不穩定。
解決這些問題的途徑就是製備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在製備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積乙個或多個p-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉換效率、解決單結電池不穩定性的關鍵問題在於：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應範圍；②頂電池的i層較薄，光照產生的電場強度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應減小；④疊層太陽能電池各子電池是串聯在一起的。
非晶矽薄膜太陽能電池
簡介非晶矽薄膜太陽能電池是一種以非晶矽化合物為基本組成的薄膜太陽能電池。按照材料的不同，當前矽太陽能電池可分為三類 單晶矽太陽能電池 多晶矽薄膜太陽能電池和非晶矽薄膜太陽能電池三種。由於反應溫度低，可在200 左右的溫度下製造，因此可以在玻璃 不鏽鋼板 陶瓷板 柔性塑料片上澱積薄膜，易於大面積化生產...
多晶矽非晶矽太陽能電池的區別
太陽能電池最早問世的是單晶矽太陽能電池。矽是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有矽的存在，可說是取之不盡，用矽來製造太陽能電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易，所以人們在生產單晶矽太陽能電池的同時，又研究了多晶矽太陽能電池和非晶矽太陽能電池，至今商業規模生產的太陽能電池，還沒有跳出矽的系列。其實可...
單晶多晶非晶矽太陽能電池的區別 3
太陽電池最早問世的是單晶矽太陽電池。矽是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有矽的存在，可說是取之不盡，用矽來製造太陽電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易，所以人們在生產單晶矽太陽電池的同時，又研究了多晶矽太陽電池和非晶矽太陽電池，至今商業規模生產的太陽電池，還沒有跳出矽的系列。其實可供製造太陽電池...