綠色太陽(yáng)能電池漸成下個(gè)掘金熱點(diǎn)

眾所周知，利用太陽(yáng)能有許多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電將為人類提供主要的能源，但目前來講，要使太陽(yáng)能發(fā)電具有較大的市場(chǎng)，并被廣大的消費(fèi)者接受，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本應(yīng)該是我們追求的最大目標(biāo)，從目前國(guó)際太陽(yáng)能電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢(shì)為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。從工業(yè)化發(fā)展來看，太陽(yáng)能電池重心已由單晶向多晶方向發(fā)展。

1.太陽(yáng)能電池的性能特點(diǎn)及

應(yīng)用領(lǐng)域

太陽(yáng)能電池又稱為“太陽(yáng)能芯片”或光電池，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏（PV），簡(jiǎn)稱光伏。

太陽(yáng)能電池的作用，是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換為有用的直流電能，是太陽(yáng)能光伏應(yīng)用的關(guān)鍵器件。太陽(yáng)能電池具有輸出直流電壓、單個(gè)電壓低、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行無(wú)噪音、安全可靠、無(wú)污染、無(wú)輻射；能量隨處可得，無(wú)需消耗燃料；無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，維護(hù)簡(jiǎn)便，使用壽命長(zhǎng)；建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意；可以無(wú)人值守，也無(wú)需架設(shè)輸電線路，還可方便與建筑物相結(jié)合等優(yōu)勢(shì)。這些都是常規(guī)發(fā)電和其它發(fā)電方式所不及的。

最早問世的太陽(yáng)能電池是單晶硅太陽(yáng)能電池。硅是地球上極豐富的一種元素，幾乎遍地都有硅的存在，可說是取之不盡。用硅來制造太陽(yáng)能電池，原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易，所以人們?cè)谏a(chǎn)單晶硅太陽(yáng)能電池的同時(shí)，又研究了多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池，至今以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池，還沒有跳出硅的系列。其實(shí)可供制造太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料很多，目前已進(jìn)行研究和試制的太陽(yáng)能電池，除硅系列外，還有硫化鎘等許多類型的太陽(yáng)能電池。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。

標(biāo)志太陽(yáng)能電池性能指標(biāo)的參數(shù)較多，但是從實(shí)際使用的角度來說主要有以下基本特征。

硅太陽(yáng)能電池的一般制成P+/N型結(jié)構(gòu)或N+/P型結(jié)構(gòu)，P+和N+，表示太陽(yáng)能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；N和P，表示太陽(yáng)能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。太陽(yáng)能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等組成。這些參數(shù)是衡量太陽(yáng)能電池性能好壞的標(biāo)志。隨著日照強(qiáng)度的加大輸出電壓呈上升狀態(tài)，輸出電流基本不變輸出功率也在快速地上升。當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，曲線呈下降趨勢(shì)，并出現(xiàn)一個(gè)最大的功率點(diǎn)。太陽(yáng)能電池在實(shí)際使用中為了發(fā)揮其最大的發(fā)電效益，通過相應(yīng)的技術(shù)控制手段使得其工作時(shí)的輸出在最大的功率點(diǎn)附近。P-N結(jié)太陽(yáng)能電池包含一個(gè)形成于表面的淺P-N結(jié)、一個(gè)條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個(gè)涵蓋整個(gè)背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當(dāng)電池暴露于太陽(yáng)光譜下時(shí)，能量小于禁帶寬度Eg的光子對(duì)電池輸出并無(wú)貢獻(xiàn)。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會(huì)對(duì)電池輸出貢獻(xiàn)能量Eg，大于Eg的能量則會(huì)以熱的形式消耗掉。因此，在太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造過程中，必須考慮這部分熱量對(duì)電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。這種用光的顏色波長(zhǎng)與所產(chǎn)生電能的關(guān)系就用分光感度來表示，而不同的太陽(yáng)能電池具有不同分光感度的特性曲線。比如在日光下使用時(shí)，選用單晶硅太陽(yáng)能電池可以獲得較好的發(fā)電效果；在室內(nèi)熒光燈下使用時(shí)計(jì)算器、充電器等就要選用非晶硅太陽(yáng)能電池以獲得較好的使用效果。

2.太陽(yáng)能電池的主要種類

多元化合物太陽(yáng)能電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)能電池。現(xiàn)在各國(guó)研究的品種繁多，大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，目前進(jìn)入商品化的常用太陽(yáng)能電池產(chǎn)品種類按照其所采用的制造材料、技術(shù)原理和使用方式等可以分為幾種不同的類型，其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。

硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力，但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而限制了GaAs電池的普及。

銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱CIC，是一種性能優(yōu)良太陽(yáng)光吸收材料，具有梯度能帶間隙（導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能級(jí)差）多元的半導(dǎo)體材料，可以擴(kuò)大太陽(yáng)能電池吸收光譜范圍，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率。CIS材料的能降為1.leV，適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換。另外，CIS薄膜太陽(yáng)能電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目，以它為基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)出光電轉(zhuǎn)換效率比硅薄膜太陽(yáng)能電池明顯提高的薄膜太陽(yáng)能電池，可以達(dá)到的光電轉(zhuǎn)化率為18%。而且，此類薄膜太陽(yáng)能電池到目前為止，未發(fā)現(xiàn)有光輻射引致性能衰退效應(yīng)（SWE），其光電轉(zhuǎn)化效率比目前商用的薄膜太陽(yáng)能電池板提高約50～75%，在薄膜太陽(yáng)能電池中屬于世界最高水平的光電轉(zhuǎn)化效率。由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到成本上的限制。

有機(jī)太陽(yáng)能電池，顧名思義就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽(yáng)能電池。如今量產(chǎn)的太陽(yáng)能電池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它無(wú)機(jī)材料制成的。有機(jī)太陽(yáng)能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。有機(jī)太陽(yáng)能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。

納米晶體化學(xué)學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的，以染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池（DSSCs）為例，這種電池主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底、染料敏化的半導(dǎo)體材料、對(duì)電極以及電解質(zhì)等幾部分。染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本、簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～1/10。壽命能達(dá)到20年以上。此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。

目前太陽(yáng)能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點(diǎn)決定了它們?cè)诓煌瑧?yīng)用中擁有不可替代的地位。但是，未來10年晶體硅太陽(yáng)能電池所占份額盡管會(huì)因薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導(dǎo)地位仍不會(huì)根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉(zhuǎn)換效率不高、制備薄膜電池所用設(shè)備價(jià)格昂貴等問題，會(huì)有巨大的發(fā)展空間。

3.太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)原理

太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程，后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程。太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽(yáng)能電池組，這是其它電源無(wú)法比擬的。

太陽(yáng)能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形、ⅢV族、ⅡⅥ族和磷化鋅等。太陽(yáng)能電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч瑁嗑Ч?，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差；當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理，主要是通過使用半導(dǎo)體材料將較薄的N型半導(dǎo)體置于較厚的P型半導(dǎo)體上，當(dāng)光子撞擊該裝置的表面時(shí)，P型和N型半導(dǎo)體的接合面有電子擴(kuò)散產(chǎn)生電流，可利用上下兩端的金屬導(dǎo)體將電流引出利用。太陽(yáng)能電池是一種可以將能量轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”，它是不導(dǎo)電的。但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個(gè)電洞，與N型半導(dǎo)體多了一個(gè)自由電子的電位差來產(chǎn)生電流。所以當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生電子和電洞的對(duì)流，這些電子和電洞均會(huì)受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來，便會(huì)形成一個(gè)回路。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。

太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)，結(jié)果使N區(qū)儲(chǔ)存了過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。它們?cè)赑N結(jié)附近形成與勢(shì)壘方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。

近年來超級(jí)電容發(fā)展快速，容量超大，面積反縮小，加上產(chǎn)品價(jià)格低廉，因此有部分太陽(yáng)能產(chǎn)品開始應(yīng)用超級(jí)電容來充電，因而改善了太陽(yáng)能充電的許多問題。例如充電較快速，壽命長(zhǎng)5倍以上，充電溫度范圍較廣，減少太陽(yáng)能電池用量（可低壓充電）。目前太陽(yáng)能電池的成本還較高，要達(dá)到足夠的功率，需要相當(dāng)大的面積放置電池。光熱轉(zhuǎn)換即靠各種集熱器把太陽(yáng)能收集起來，用收集到的熱能為人類服務(wù)。

4.硅太陽(yáng)能電池的功用特點(diǎn)

硅半導(dǎo)體類太陽(yáng)能電池是使用的最早、最為廣泛的一類太陽(yáng)能電池?？煞譃橄铝兄饕念愋汀?/p>

單晶硅太陽(yáng)能電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池，它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。大部分單晶硅的4個(gè)角落都會(huì)有空隙，從外觀上很容易分辨。單晶硅太陽(yáng)能電池以高純度的單晶硅棒為原料，純度要求達(dá)到99.999%，制作時(shí)將單晶硅棒切成片，一般每片厚度約為0.3mm。硅片經(jīng)過拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太陽(yáng)能電池片，首先要在硅片上摻雜和擴(kuò)散，一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn)行，這樣就在硅片上形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂敷減少光反射材料，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。制成單晶硅太陽(yáng)能電池的單體片經(jīng)過抽查檢驗(yàn)，即可按所需要的規(guī)格采用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成有一定輸出電壓和電流能力的太陽(yáng)能電池組件，最后用框架和密封材料進(jìn)行封裝。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽(yáng)能電池組件分成各種大小不同的太陽(yáng)能電池方陣，亦稱太陽(yáng)能電池陣列。單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為17%左右，最高的達(dá)到24%，這是目前所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，因此其堅(jiān)固耐用，目前廠商一般都提供25年的質(zhì)量保證。

單晶硅太陽(yáng)能電池組件是當(dāng)前發(fā)展最快的一種太陽(yáng)能電池，它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽(yáng)能電池以高純度的單晶硅棒為原料，單晶硅太陽(yáng)能電池由圓柱形的晶錠切割而成，并非是完整的正方形，造成了一些精煉硅料的浪費(fèi)，所以制程較貴。單晶硅太陽(yáng)能電池的特征如下：硅原料的儲(chǔ)藏豐富、密度低、材料輕其本身對(duì)環(huán)境的影響低；光電轉(zhuǎn)換效率最高，使用壽命長(zhǎng)；發(fā)電特性穩(wěn)定，約有20年的耐久性。由于在太陽(yáng)光譜主區(qū)域內(nèi)光吸收系數(shù)相當(dāng)小，為了吸收太陽(yáng)光譜電池需要100μm2厚度的硅，因此使用的硅材料多、價(jià)格高。在太陽(yáng)能光譜的主區(qū)域上，光吸收系數(shù)只有10000cm，相當(dāng)小。為了增強(qiáng)太陽(yáng)能光譜吸收性能，需要100um厚的硅片。目前單晶硅太陽(yáng)能電池的研發(fā)課題是降低成本和提升效率。單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為15%～17%，而太陽(yáng)能電池組件的轉(zhuǎn)換效率為12%～15%。太陽(yáng)能電池組件的轉(zhuǎn)換效率是以該組件中轉(zhuǎn)換效率最低的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為基準(zhǔn)，而不是取太陽(yáng)能電池的平均轉(zhuǎn)換效率。

多晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總成本中已超二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽(yáng)能電池也是圓片，組成太陽(yáng)能組件平面利用率低。目前太陽(yáng)能電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100～300歐姆·厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料經(jīng)破碎，用1：5的氫氟酸和硝酸混臺(tái)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料，加入適量硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應(yīng)保溫約20min，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽(yáng)能電池片，可提高材制利用率和方便組裝。多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)能電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12％左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)能電池。但是材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大規(guī)模生產(chǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)能電池差不多，但是多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約15%左右。從制作成本上來講，比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些，材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大力發(fā)展。此外，多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。從性能價(jià)格比來講，單晶硅太陽(yáng)能電池還略好。多晶硅太陽(yáng)能電池的原材料豐富制造較為容易，成本低，使用量已經(jīng)超過了單晶硅太陽(yáng)能電池；光電轉(zhuǎn)換效率較高，使用壽命長(zhǎng)；存在著電池結(jié)晶結(jié)構(gòu)較差的問題，應(yīng)當(dāng)在提高其性能的穩(wěn)定性上作進(jìn)一步的研究。單晶硅太陽(yáng)能電池雖有其優(yōu)點(diǎn)，但因價(jià)格高，在低價(jià)市場(chǎng)上的發(fā)展受到阻礙。而多晶硅太陽(yáng)能電池則首先是降低成本，其次才是提高效率。多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅電池雖然結(jié)晶構(gòu)造不一樣，但光伏原理一樣。

非晶硅太陽(yáng)能電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)能電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低，非常吸引人。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電。非晶硅太陽(yáng)能電池的原子排列呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的狀態(tài)，并且存在著早期的劣化特性，制造工藝簡(jiǎn)單、易于大批量的生產(chǎn)；使用壽命長(zhǎng)，使用的硅量較小，一般厚度為數(shù)微米，可以制成薄形的結(jié)構(gòu)便于在特殊的場(chǎng)合使用。但非晶硅太陽(yáng)能電池存在的主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率會(huì)衰減。這就需要進(jìn)一步提高光電的轉(zhuǎn)換效率解決電池存在的早期劣化等問題。

非晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)有很多不同方式，其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PiN電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅，再沉積一層未摻雜的i層，然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。此種制作工藝，可以采用一連串沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，在一個(gè)平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に?，一次制作多個(gè)串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。普通晶體硅太陽(yáng)能電池單個(gè)只有0.5V左右的電壓，現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池可達(dá)2.4V。目前非晶硅太陽(yáng)能電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平為10％左右，且不夠穩(wěn)定，常有轉(zhuǎn)換效率下降的現(xiàn)象，所以尚未大量用于大型太陽(yáng)能電源，而多半用于弱光電源，如袖珍式電子計(jì)算器、電子鐘表及復(fù)印機(jī)等方面。估計(jì)效率衰降問題克服后，非晶硅太陽(yáng)能電池將促進(jìn)太陽(yáng)能利用的大發(fā)展，因?yàn)樗杀镜?，重量輕，應(yīng)用更為方便，它可以與房屋的屋面結(jié)合構(gòu)成住戶的獨(dú)立電源。

5.多元化合物太陽(yáng)能電池的

功用特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

除了常用的單晶、多晶、非晶硅電池之外，多元化合物太陽(yáng)能電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)能電池?，F(xiàn)在各國(guó)研究的品種繁多，大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，主要有以下幾種：

硫化鎘太陽(yáng)能電池是以硫化鎘為基體材料的太陽(yáng)能電池，早在1954年雷諾茲就發(fā)現(xiàn)了硫化鎘具有光生伏打效應(yīng)。1960年采用真空蒸鍍法制得硫化鎘太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率為3.5%。到1964年美國(guó)制成的硫化鎘太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率提高到4％～6％。后來歐洲掀起了硫化鎘太陽(yáng)能電池的研制高潮，把光電效率提高到9％，但是仍無(wú)法與多晶硅太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)。不過人們始終沒有放棄它，除了研究燒結(jié)型的塊狀硫化鎘太陽(yáng)能電池外，更著重研究薄膜型硫化鎘太陽(yáng)能電池。

砷化鎵太陽(yáng)能電池中砷化鎵的禁帶較硅寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽(yáng)光譜匹配能力較硅好。砷化鎵是一種很理想的太陽(yáng)能電池材料，它與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30％，特別適合做高溫聚光太陽(yáng)能電池。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽(yáng)能電池的發(fā)展受到影響。常規(guī)上，砷化鎵電池的耐溫性要好于硅光電池。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，砷化鎵電池在250℃的條件下仍可以正常工作，但是硅光電池在200℃就已經(jīng)無(wú)法正常運(yùn)行。砷化鎵較硅質(zhì)在物理性質(zhì)上要更脆，這一點(diǎn)使得其加工時(shí)比硅容易碎裂，目前常把其制成薄膜并使用襯底，來對(duì)抗其在這一方面的不利，但是也增加了技術(shù)的復(fù)雜度。砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽(yáng)光的值，與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫，特別適合做高溫聚光太陽(yáng)能電池。

常用薄膜電池轉(zhuǎn)化率較低，因此新型的高倍聚光電池系統(tǒng)受到研究者的重視。聚光太陽(yáng)能電池是用凸透鏡或拋物面鏡把太陽(yáng)光聚焦到幾倍、幾十倍，或幾百倍甚至上千倍，然后投射到太陽(yáng)能電池上。這時(shí)太陽(yáng)能電池可能產(chǎn)生出相應(yīng)倍數(shù)的電功率。它們具有轉(zhuǎn)化率高，電池占地面積小和耗材少的優(yōu)點(diǎn)。高倍聚光電池具有代表性的是砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)能電池。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫。與硅太陽(yáng)能電池相比，GaAs太陽(yáng)能電池具有較好的性能。

銅銦硒太陽(yáng)能電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽(yáng)能電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu)，一般采用真空鍍膜、電沉積、電泳法或化學(xué)氣相沉積法等工藝來制備，材料消耗少，成本低，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率在10％以上。因此這是一種可與非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池相競(jìng)爭(zhēng)的新型太陽(yáng)能電池。銅銦硒CIC材料適于太陽(yáng)光的光電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽(yáng)能電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的關(guān)注。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3％。1995年美國(guó)可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17.l％的CIS太陽(yáng)能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。近來還發(fā)展用銅銦硒薄膜加在非晶硅薄膜之上，組成疊層太陽(yáng)能電池，借此提高太陽(yáng)能電池的效率，并克服非晶硅光電效率的衰降。

目前市場(chǎng)上量產(chǎn)的單晶與多晶硅的太陽(yáng)能電池平均效率約在15%上下，為了提煉晶硅原料，需要花費(fèi)極高的能源，所以嚴(yán)格地說，現(xiàn)今的晶硅太陽(yáng)能電池，也是某種形式的浪費(fèi)能源。而砷化鎵太陽(yáng)能電池，由于原料取得不需使用太多能源，而且光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)38%以上，比傳統(tǒng)晶硅原料高出許多，符合修改后的京都議定書規(guī)范，估計(jì)未來將成市場(chǎng)主流。

采用砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)即所謂HCPV系統(tǒng)，卻能實(shí)現(xiàn)光熱與光伏的綜合利用，并充分降低生產(chǎn)成本、提高轉(zhuǎn)換效率，為光伏產(chǎn)業(yè)更大發(fā)展開辟新的市場(chǎng)空間。此外，還可以通過疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基電池，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于砷化鎵基材料價(jià)格昂貴，砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運(yùn)行還有很大距離。為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出功率情況下，可以大大減少所需的砷化鎵薄膜電池面積。這種途徑相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產(chǎn)量的94%以上。由于近年太陽(yáng)能級(jí)硅材料供不應(yīng)求，且持續(xù)大幅度漲價(jià)，在一定程度上制約了硅基光伏電池的發(fā)展。因此，如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光伏電池的生產(chǎn)成本，成為目前光伏產(chǎn)業(yè)必須研究和解決的核心問題。

6.結(jié)束語(yǔ)

自上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已將太陽(yáng)能電池應(yīng)用于空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域。如：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國(guó)家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)發(fā)展方向，太陽(yáng)能電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。太陽(yáng)能電池是當(dāng)今人類利用太陽(yáng)能的一種直接手段，也是發(fā)展最快的一種能源利用產(chǎn)業(yè)。隨著太陽(yáng)能的利用越來越普遍，太陽(yáng)能電池的研究越來越被人們重視，隨著研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，以及大量使用所帶來的成本急劇下降等有利因素，太陽(yáng)能光伏應(yīng)用的前景廣闊、潛力巨大。