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太陽能電池的原理及制作

作者: 時(shí)間:2008-06-30 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當(dāng)中;大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快,最具活力的研究領(lǐng)域,是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。

制作主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ),其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng),根據(jù)所用材料的不同,可分為:1、硅;2、以無機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料制備的大陽能電池;4、納米晶太陽能電池等。

一、硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)

太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng),一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下:

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258666.htm

圖中,正電荷表示硅原子,負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。

當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì),如硼、磷等,當(dāng)摻入硼時(shí),硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴,它的形成可以參照下圖:

圖中,正電荷表示硅原子,負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子,因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子,所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴,這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定,容易吸收電子而中和,形成P(positive)型半導(dǎo)體。

同樣,摻入磷原子以后,因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子,所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍,形成N(negative)型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核,紅色的為多余的電子。如下圖。

N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴,而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子,這樣,當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí),就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差,這就是PN結(jié)。

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí),在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層),界面的P型一側(cè)帶負(fù)電,N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴,N型半導(dǎo)體多自由電子,出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū),P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū),一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”,從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后,就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差,這就是PN結(jié)。

當(dāng)晶片受光后,PN結(jié)中,N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng),而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng),從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差,這就形成了電源。(如下圖所示)

由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體,電子在通過p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng),電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽光就不能通過,電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)(如圖梳狀電極),以增加入射光的面積。

另外硅表面非常光亮,會(huì)反射掉大量的太陽光,不能被電池利用。為此,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜(如圖),將反射損失減小到5%甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池(通常是36個(gè))并聯(lián)或串聯(lián)起來使用,形成太陽能光電板。

二、硅太陽能電池的生產(chǎn)流程

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質(zhì)量硅片上制成的,這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。

上述方法實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料,目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法,包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)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制備多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并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(fā)現(xiàn),在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層,再將這層非晶硅層退火,得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,因此,再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外,另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù),這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。


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