3．太陽(yáng)能電池

電池行業(yè)是２１世紀的朝陽(yáng)行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中，zui沒(méi)有污染、市場(chǎng)空間zui大的應該是太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池的研究與開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到世界各國的廣泛重視。

太陽(yáng)的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽(yáng)的光除了照亮世界，使植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)光轉變?yōu)楦鞣N養分，供人們食用，產(chǎn)生纖維質(zhì)供人們做衣服，生長(cháng)木材給我們建筑房屋以外，太陽(yáng)的光還可以通過(guò)太陽(yáng)能電池轉變?yōu)殡?。太?yáng)能電池是一種近年發(fā)展起來(lái)的新型的電池。太陽(yáng)能電池是利用光電轉換原理使太陽(yáng)的輻射光通過(guò)半導體物質(zhì)轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉換過(guò)程通常叫做“光生伏打效應”，因此太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為“光伏電池”，用于太陽(yáng)能電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導體硅原子的外層有4個(gè)電子，按固定軌道圍繞原子核轉動(dòng)。當受到外來(lái)能量的作用時(shí)，這些電子就會(huì )脫離軌道而成為自由電子，并在原來(lái)的位置上留下一個(gè)“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表。若把這兩種半導體結合，交界面便形成一個(gè)P－N結。太陽(yáng)能電池的奧妙就在這個(gè)“結”上，P－N結就像一堵墻，阻礙著(zhù)電子和空穴的移動(dòng)。當太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，電子接受光能，向N型區移動(dòng)，使N型區帶負電，同時(shí)空穴向P型區移動(dòng)，使P型區帶正電。這樣，在P－N結兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢，也就是通常所說(shuō)的電壓。這種現象就是上面所說(shuō)的“光生伏打效應”。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導線(xiàn)，接通負載，則外電路便有電流通過(guò)，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。制造太陽(yáng)電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽(yáng)電池的種類(lèi)也很多。目前，技術(shù)zui成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)電池要算硅太陽(yáng)電池。
1953年美國貝爾研究所首先應用這個(gè)原理試制成功硅太陽(yáng)電池，獲得6%光電轉換效率的成果。太陽(yáng)能電池的出現，好比一道曙光，尤其是航天領(lǐng)域的科學(xué)家，對它更是注目。這是由于當時(shí)宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，人造地球衛星上天，衛星和宇宙飛船上的電子儀器和設備，需要足夠的持續不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長(cháng)，使用方便，能承受各種沖擊、振動(dòng)的影響。太陽(yáng)能電池*這些要求，1958年，美國的“先鋒一號”人造衛星就是用了太陽(yáng)能電池作為電源，成為世界上*個(gè)用太陽(yáng)能供電的衛星，空間電源的需求使太陽(yáng)電池作為技術(shù)，身價(jià)百倍?，F在，各式各樣的衛星和空間飛行器上都裝上了布滿(mǎn)太陽(yáng)能電池的“翅膀”，使它們能夠在太空中長(cháng)久遨游。我國1958年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽(yáng)能電池用在了發(fā)射的第二顆衛星上。以太陽(yáng)能電池作為電源可以使衛星安全工作達20年之久，而化學(xué)電池只能連續工作幾天。
空間應用范圍有限，當時(shí)太陽(yáng)電池造價(jià)昂貴，發(fā)展受到限。70年代初，世界石油危機促進(jìn)了新能源的開(kāi)發(fā)，開(kāi)始將太陽(yáng)電池轉向地面應用，技術(shù)不斷進(jìn)步，光電轉換效率提高，成本大幅度下降。時(shí)至今日，光電轉換已展示出廣闊的應用前景。
    太陽(yáng)能電池近年也被人們用于生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域。從1974年世界上*架太陽(yáng)能電池飛機在美國試飛成功以來(lái)，激起人們對太陽(yáng)能飛機研究的熱潮，太陽(yáng)能飛機從此飛速地發(fā)展起來(lái)，只用了六七年時(shí)間太陽(yáng)能飛機從飛行幾分鐘，航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽?，F在，的太陽(yáng)能飛機，飛行高度可達2萬(wàn)多米，航程超過(guò)4000公里。另外，太陽(yáng)能汽車(chē)也發(fā)展很快。
    在建造太陽(yáng)能電池發(fā)電站上，許多國家也取得了較大進(jìn)展。1985年，美國阿爾康公司研制的太陽(yáng)能電池發(fā)電站，用108個(gè)太陽(yáng)板，256個(gè)光電池模塊，年發(fā)電能力300萬(wàn)度。德國1990年建造的小型太陽(yáng)能電站，光電轉換率可達30％多，適于為家庭和團體供電。1992年美國加州公用局又開(kāi)始研制一種“革命性的太陽(yáng)能發(fā)電裝置”，預計可供加州1／3的用電量。用太陽(yáng)能電池發(fā)電確實(shí)是一種誘人的方式，據專(zhuān)家測算，如果能把撒哈拉沙漠太陽(yáng)輻射能的1％收集起來(lái)，足夠*的所有能源消耗。
在生產(chǎn)和生活中，太陽(yáng)能電池已在一些國家得到了廣泛應用，在遠離輸電線(xiàn)路的地方，使用太陽(yáng)能電池給電器供電是節約能源降低成本的好辦法。芬蘭制成了一種用太陽(yáng)能電池供電的彩色電視機，太陽(yáng)能電池板就裝在住家的房頂上，還配有蓄電池，保證電視機的連續供電，既節省了電能又安全可靠。日本則側重把太陽(yáng)能電池應用于汽車(chē)的自動(dòng)換氣裝置、空調設備等民用工業(yè)。我國的一些電視差轉臺也已用太陽(yáng)能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎。
    當前，太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)應用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化；小功率小面積的太陽(yáng)能電池在一些國家已大批量生產(chǎn)，并得到廣泛應用；同時(shí)人們正在開(kāi)發(fā)光電轉換率高、成本低的太陽(yáng)能電池；可以預見(jiàn)，太陽(yáng)能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一，在人們的生產(chǎn)、生活中占有越來(lái)越重要的位置。                                          返回11

4．多晶硅及其他光電轉換材料

光伏效應

現代工業(yè)的發(fā)展，一方面加大對能源的需求，引發(fā)能源危機；另一方面在常規能源的使用中釋放出大量的二氧化碳氣體，導致性的“溫室效應”。為此各國力圖擺脫對常規能源的依賴(lài)，加速發(fā)展可再生能源。作為的可再生能源，太陽(yáng)能具有“取之不盡，用之不竭”的特點(diǎn)，而利用太陽(yáng)能發(fā)電具有環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而且不必考慮其安全性問(wèn)題。所以在發(fā)達國家得到了高度重視，歐洲聯(lián)盟國家計劃在２０１０年太陽(yáng)能光電轉換的電力占所有總電力的1.5％，美國啟動(dòng)了“百萬(wàn)屋頂”計劃。在能源短缺，環(huán)境保護問(wèn)題日益嚴重的我國，低成本率地利用太陽(yáng)能尤為重要。
    太陽(yáng)能電池就是利用光伏效應將太陽(yáng)能直接轉換為電能的一種裝置。常規太陽(yáng)電池簡(jiǎn)單裝置如圖1所示。當N型和P型兩種不同型號的半導體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內建電場(chǎng)。當光照在太陽(yáng)電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對，這些非平衡的少數載流子在內電場(chǎng)的作用下分離開(kāi)，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負載提供電流。

從本世紀70年代中期開(kāi)始了地面用太陽(yáng)電池商品化以來(lái)，晶體硅就作為基本的電池材料占據著(zhù)統治地位，而且可以確信這種狀況在今后20年中不會(huì )發(fā)生根本的轉變。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池，鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩定性好，但是成本較高；非晶硅太陽(yáng)電池則具有生產(chǎn)效率高，成本低廉，但是轉換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池則具有穩定得轉換的效率，而且性能價(jià)格比zui高；薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池則現在還只能處在研發(fā)階段。目前，鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為zui主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池的轉換效率略低于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池，材料中的各種缺陷，如晶界、位錯、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過(guò)程中玷污的過(guò)渡族金屬被認為是電池轉換效率較低的關(guān)鍵原因，因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規律的研究，以及工藝中采用合適的吸雜，鈍化工藝是進(jìn)一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。另外，尋找適合鑄造多晶硅表面織構化的濕化學(xué)腐蝕方法也是目前低成本制備率電池的重要工藝。
    從固體物理學(xué)上講，硅材料并不是的光伏材料，這主要是因為硅是間接能帶半導體材料，其光吸收系數較低，所以研究其他光伏材料成為一種趨勢。其中，碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認識是兩種非常有前途的光伏材料，而且目前已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但是距離大規模生產(chǎn)，并與晶體硅太陽(yáng)電池抗衡需要大量的工作去做。             返回11

5．晶體硅太陽(yáng)電池及材料

引言

    1839年，法國B(niǎo)ecqueral*次在化學(xué)電池中觀(guān)察到光伏效應。1876年，在固態(tài)硒（Se）的系統中也觀(guān)察到了光伏效應，隨后開(kāi)發(fā)出Se／CuO光電池。有關(guān)硅光電他的報道出現于1941年。貝爾實(shí)驗室Chapin等人

1954年開(kāi)發(fā)出效率為6％的單晶硅光電池，現代硅太陽(yáng)電池時(shí)代從此開(kāi)始。硅太陽(yáng)電他于1958年首先在航天器上得到應用。在隨后10多年里，硅太陽(yáng)電池在空間應用不斷擴大，工藝不斷改進(jìn)，電他設計逐步定型。這是硅太陽(yáng)電池發(fā)展的*個(gè)時(shí)期。第二個(gè)時(shí)期開(kāi)始于70年代初，在這個(gè)時(shí)期背表面場(chǎng)、細柵金屬化、淺結表面擴散和表面織構化開(kāi)始引人到電池的制造工藝中，太陽(yáng)電池轉換效率有了較大提高。與此同時(shí)，硅太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面應用，而且不斷擴大，到70年代未地面用太陽(yáng)電池產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)空間電池產(chǎn)量，并促使成本不斷降低。 80年代初，硅太陽(yáng)電他進(jìn)入快速發(fā)展的第三個(gè)時(shí)期。這個(gè)時(shí)期的主要特征是把表面鈍化技術(shù)、降低接觸復合效應、后處理提高載流子壽命、改進(jìn)陷光效應引入到電他的制造工藝中。以各種電池為代表，電池效率大幅度提高，商業(yè)化生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，應用不斷擴大。

    在太陽(yáng)電他的整個(gè)發(fā)展歷程中，先后出現過(guò)各種不同結構的電池，如肖特基（Ms）電池，M1S電池，MINP電他；異質(zhì)結電池（如ITO（n）／Si（p），a-Si／c-Si，Ge／Si）等，其中同質(zhì)p-n結電池結構自始至終占主導

地位，其它結構對太陽(yáng)電他的發(fā)展也有重要影響。

    以材料區分，有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅鋼硒（CIS）電池，磅化鎬（CdTe）電池，砷化稼電他等，而以晶硅電池為主導，由于硅是地球上儲量第二大元素，作為半導體材料，人們對它研究得zui多、技術(shù)zui成熟，而

且晶硅性能穩定、無(wú)毒，因此成為太陽(yáng)電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應用中的主體材料。