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环保光伏小常识

光伏电池基本知识

       最早问世的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。硅是地球上极丰富的一种元素,几乎遍地都有硅的存在,可说是取之不尽。用硅来制造太阳能电池,原料可谓不缺。但是提炼它却不容易,所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时,又研究了多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳电池,至今商业规模生产的太阳电池,还没有跳出硅的系列。其实可供制造太阳电池的半导体材料很多,随着材料工业的发展、太阳电池的品种将越来越多。目前已进行研究和试制的太阳电池,除硅系列外,还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳电池,举不胜举,以下介绍几种较常见的太阳电池。


       单晶硅太阳能电池
       单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳电池,它的构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求99.999%。为了降低生产成本,现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。


       将单晶硅棒切成片,一般片厚约0.3毫米。硅片经过形、抛磨、清洗等工序,制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片,首先要在硅片上掺杂和扩散,一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P?/FONT>N结。然后采用丝网印刷法,精配好的银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂覆减反射源,以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此,单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验,即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件(太阳电池板),用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计,可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵,亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15%左右,实验室成果也有20%以上的。


       多晶硅太阳能电池
       晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料,而制造这些材料工艺复杂,电耗很大,在太阳电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状,切片制作太阳电池也是圆片,组成太阳能组件平面利用率低。因此,80年代以来,欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。
       目前太阳电池使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100~300欧姆?厘米的多晶块料或单晶硅头尾料,经破碎,用1:5的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀,然后用去离子水冲洗呈中性,并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料,加人适量硼硅,放人浇铸炉,在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟,然后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体,以便切片加工成方形太阳电池片,可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,其光电转换效率约12%左右,稍低于单晶硅太阳电池,但是材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。


       非晶硅太阳电池
       非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,电耗更低,非常吸引人。
       制造非晶硅太阳电池的方法有多种,最常见的是辉光放电法,还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空,充入氢气或氩气稀释的硅烷,用射频电源加热,使硅烷电离,形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼,即可得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺,主要取决于严格控制气压、流速和射频功率,对衬底的温度也很重要。
       非晶硅太阳电池的结构有各种不同,其中有一种较好的结构叫PiN电池,它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅,再沉积一层未掺杂的i层,然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅,最后用电子束蒸发一层减反射膜,并蒸镀银电极。此种制作工艺,可以采用一连串沉积室,在生产中构成连续程序,以实现大批量生产。同时,非晶硅太阳电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法制造,在一个平面上,用适当的掩模工艺,一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压,现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象,所以尚未大量用于作大型太阳能电源,而多半用于弱光电源,如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后,非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展,因为它成本低,重量轻,应用更为方便,它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。


       多元化合物太阳电池
       多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多,虽然大多数尚未工业化生产,但预示着光电转换的满园春色。现在简要介绍几种:
       (1)硫化镉太阳电池--早在1954年雷诺兹就发现了硫化镉具有光生伏打效应。1960年采用真空蒸镀法制得硫化镉太阳电池,光电转换效率为3.5%。到1964年美国制成的硫化镉太阳电池,光电转换效率提高到4%~6%。后来欧洲掀起了硫化镉太阳电池的研制高潮,把光电效率提高到9%,但是仍无法与多晶硅太阳电池竞争。不过人们始终没有放弃它,除了研究烧结型的块状硫化镉太阳电池外,更着重研究簿膜型硫化镉太阳电池。它是用硫化亚铜为阻挡层,构成异质结,按硫化镉材料的理论计算,其光电转换效率可达16.4%。中国科学院长春应用化学研究所于80年代初曾把薄膜硫化镉太阳电池的光电转换效率做到7.6%。尽管非晶硅薄膜电池在国际上有较大影响,但是至今有些国家仍指望发展硫化镉太阳电池,因为它在制造工艺上比较简单,设备问题容易解决。


       (2)砷化镓太阳电池--砷化镓是一种很理想的太阳电池材料,它与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、镓铝砷--砷化镓异质结、金属--半导体砷化镓、金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法、直接拉制法、气相生长法、液相外延法等。由于镓比较稀缺,砷有毒,制造成本高,此种太阳电池的发展受到影响。


       (3)铜铟硒太阳电池--以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳电池。它是一种多晶薄膜结构,一般采用真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺来制备,材料消耗少,成本低,性能稳定,光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳电池相竞争的新型太阳电池。近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅薄膜之上,组成叠层太阳电池的可能,借此提高太阳电池的效率,并克服非晶硅光电效率的衰降。

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