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太阳能电池材料. 太阳能电池简介 太阳能电池组件材料 太阳能电池材料 新制备技术探索 新技术探索. 1 太阳能电池简介 1.1 太阳能电池 (Solar Cell) 工作原理. 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能电池构形图.
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太阳能电池材料 • 太阳能电池简介 • 太阳能电池组件材料 • 太阳能电池材料 • 新制备技术探索 • 新技术探索
1 太阳能电池简介1.1太阳能电池 (Solar Cell)工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能电池构形图
1.3太阳能的热应用 太阳能的热利用，是将太阳的辐射能转换为热能，实现这个目的的器件叫“集热器”。例如 “太阳灶”； “太阳热水器”； “太阳能干燥器”等等。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万平方米。按照人均使用太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分别为1平方米／人和0.7 平方米/人。日本有20％的家庭使用太阳能热水器，以色列有80％的家庭使用太阳能热水器。
太阳能的热利用主要是以下方面： 1）太阳能空调降温 太阳能制冷及在空调降温研究工作重点是寻找高效吸收和蒸发材料，优化系统热特性，建立数学模型和计算机程序，研究新型制冷循环等。 2）太阳能热发电 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能 转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。
3）太阳房 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方面。通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房可以节约75％～90％的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。被动式太阳房平均每平方米建筑面积每年可节约20～40公斤标准煤，用于蔬菜和花卉种植的太阳能温室在中国北方地区较多采用。全国太阳能温室面积总计约700万亩，发挥着较好的经济效益。我国在相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限制。
4）热利用的其它方面 太阳灶 我国目前大约有15万台太阳灶在使用中。太阳灶表面可以加涂一层光谱选择性材料，如二氧化硅之类的透明涂料，以改变阳光的吸收与发射，最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜，也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。提高太阳灶的效率。每个太阳灶每年可节约300千克标准煤。 太阳能干燥 是热利用的一个方面。目前我国已经安装了有1000多套太阳能干燥系统，总面积约2万平方米。主要用于谷物、木材、蔬菜、中草药于燥等。
1.4 太阳能电池的分类 1、硅系太阳能电池（单晶硅太阳能电池； 多晶硅薄膜太阳能电池；非晶硅薄膜 太阳能电池） 2、多元化合物薄膜太阳能电池（砷化镓 III-V化合物；硫化镉；铜铟硒） 3、聚合物多层修饰电极型电池 4、纳米晶化学太阳能电池
1.6 利用太阳能电池发电的优缺点 优点： • 属于可再生能源，不必担心能源枯竭 • 太阳能本身并不会给地球增加热负荷 • 运行过程中低污染、平稳无噪音 • 发电装置需要极少的维护,寿命可达20年 • 所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网 • 用途广泛
缺点： • 受地域及天气影响较大 • 由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积 • 光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高
1.7太阳能电池的展望 1.III-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。 2.从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。 3.今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。
1.8太阳光-热转换及材料 材料科学与工程是技术创新的基础。太阳光-热转换材料与工程，如用于太阳集热器的选择性吸收涂层（表面），用于建筑幕墙玻璃和交通工具的选择性透、反射薄膜材料和电致变色薄膜材料与器件，用于集热器的具有太阳光谱高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窝结构，以及贮能材料等，推动了太阳光—热转换技术和应用的发展。
1.9 太阳能光电转换 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流输出功率。
90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入了快速发展的阶段。建筑将成为光伏应用的最大市场 ，建筑光伏集成有许多优点：①具有高技术、无污和自供电的特点，能够强化建筑物的美感和建筑质量；②光伏部件是建筑物总构成的一部分，除了发电功能外，还是建筑物耐候的外部蒙皮，具有多功能和可持续发展的特征；③分布型的太阳辐射和分布型的建筑物互相匹配；④建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积；⑤不需要额外的昂贵占地面积，省去了光伏系统的支撑结构，省去了输电费用；⑥在用电地点发电，避免传输和分电损失（5一10％），降低了电力传输和电力分配的投资和维修成本。
建筑光伏集成系统既适用于居民住宅，也适用商业、工业和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋顶，也可集成到外墙上；既可集成到新设计的建筑上，也可集成到现有的建筑上。光伏建筑集成近年来发展很炔，许多国家相继制定了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总能耗的1／3，是未来太阳能光伏发电的最大市场。光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电在世界能源中的从属地位，前景光明。建筑光伏集成系统既适用于居民住宅，也适用商业、工业和公共建筑，高速公路音障等，既可集成到屋顶，也可集成到外墙上；既可集成到新设计的建筑上，也可集成到现有的建筑上。光伏建筑集成近年来发展很炔，许多国家相继制定了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总能耗的1／3，是未来太阳能光伏发电的最大市场。光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电在世界能源中的从属地位，前景光明。
以材料区分，太阳电池有晶硅电池，非晶硅 薄膜电池，铜铟硒（CIS）电池，碲化镉（CdTe）电池，砷化稼电池等，而以晶硅电池为主导。由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。人们首先使用高纯硅制造太阳电池（即单晶硅太阳电池）。由于材料昂贵，这种太阳电池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊电源，供人造卫星使用。七十年代开始，把硅太阳电池转向地面应用。近年来，非晶硅太阳电池的研制迅速发展。
1.10 太阳能电池对材料的要求 • 半导体材料的禁带不能太宽 • 要有较高的光电转换效率 • 材料本身对环境不造成污染 • 材料便于工业化生产且材料性能稳定
2.1太阳光谱选择性吸收涂层（表面） 具有高的太阳吸收比和低的发射比的涂层（表面），称为太阳（光谱）选择性吸收涂层。应用最广泛的选择性吸收涂层为三层结构，即由底层、中层和表层组成。贴近衬底的底层为红外高反射即低发射比的金属层，如金、银、铜、铝、镍等；中层为吸收层，是由若干金属一介质复合薄膜的次层组成，金属粒子的尺寸、形状及其占该次层的体积比决定了该次层的光学常数，靠近金属底层的吸收次层具有强的吸收，表层为减反层，该层具有低的折射率n（n＜1.9）及低的消光系数（k＜0.25），或是增加对太阳光的捕获的微不平表面层。这样的光谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性，即高的太阳吸收比，低的发射。
太阳选择性吸收涂层的制备技术可以分为三大类：喷涂与溶胶，化学与电化学方法和真空蒸发与磁控溅射方法。太阳选择性吸收涂层的制备技术可以分为三大类：喷涂与溶胶，化学与电化学方法和真空蒸发与磁控溅射方法。 对于产生生活热水的平板太阳集热器，采用喷涂太阳吸收比高、发射比略高的涂层便能满足使用要求；铝吸热板上可采用阳极氧化与交流电解着色涂层，铜吸热板以采用电镀黑铬涂层为宜。
2.2 选择性透、反射薄膜材料 选择性透、反射薄膜可以分为三种基本类型，主要应用于建筑幕墙镀膜玻璃、汽车等交通工具。 （1）阳光控制膜 阳光控制膜通过增加吸收与反射可显著降低太阳辐射通过玻璃窗，同时能保持室内的充足光线。这类膜系具有良好的耐磨性与化学稳定性，可用于单层玻璃窗，适合在气温较高的地区使用。氧化物薄膜的不同厚度可以获得蓝色、银色、古铜色和金色等绚丽色彩。不同厚度的金属膜可以获得不同的透射比与反射比。
（2）低发射膜 （3）电致变色薄膜与器件 由于太阳辐射、温度或电场的作用使薄膜的光 学性能发生变热致变色或电致变色在电场作用下， 薄膜颜色发生改变称为电致变色。 双层玻璃窗的热量损失由玻璃的高发射比（0.84）引起，具有发射比0.04一0.10的低发射膜的双层玻璃窗。
这种变化是可逆与持久的，当开路时薄膜具有 记忆性，需要改变光学性能时只要施加一次直流低 电压，因而能量消耗很低。从过渡金属氧化物中可 能找到最有希望的电致变色材料。变色机理是在电 变色薄膜材料中进入与退出小直径离子的可逆过程。 电致变色膜主要集中在WO3与NiO。用于窗户，起 到节能与获得舒适的生活环境。
2.3 透明隔热材料（TIM） 采用厚5cm的聚碳酸酯透明隔热材料（TIM）建 成一幢太阳房和一幢对照房。夏季，百叶帘反射了 约80%太阳短波能量，室内低于对照房内气温约3℃。 冬季，比同样条件对照房的温度约高5℃。 我国在太阳光、热转换材料的研究、开发和生产上有较大进展，特别是用于真空太阳集热管的单靶磁控溅射太阳选择性吸收涂层已大批量生产，在国际上也享有盛誉。
3.1硅系列太阳电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。
3.1.1 硅片加工技术 常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3-0.35mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小。 我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。目前有4个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。但在总体水平由于生产规模、技术水平较低、太阳电池的效率低，专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化，成本高。
通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。
3.1.2 单晶硅太阳电池材料 单晶硅太阳能电池是当前开发 得最快的一种太阳能电池，产品已 广泛用于空间和地面。以高纯的单 晶硅棒为原料，纯度要求99.999% 以上，其结构和生产工艺已经定型， 单晶硅太阳能电池转换效率最高， 但对硅的纯度要求高，而且复杂工 单晶硅太阳能电池板 艺和材料价格等因素致使成本较高。单晶硅材料 制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯 和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。
3.1.2.1.单晶硅太阳电池制作工艺 将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、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PN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，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。
3.1.2.2 单晶硅的制备 生长单晶硅的两种最常用的方法为丘克拉斯法以及区熔法。 1） 丘克拉斯法 丘克拉斯法又称为 直拉法。是将硅料在 石英坩埚中加热熔 化，籽晶与硅液面进 行接触然后开始向上 提升以长出状的晶棒。 提拉法示意图
直拉法的研究发展方向是设法增大硅棒的直径。目前直拉法的直径达到100nm-500nm。坩埚的加料量一般已经达到60公斤。研究改进方向主要是控制晶体中的杂质含量、碳含量、减少晶体硅的缺陷，同时也要考虑其生长速度。直拉法的研究发展方向是设法增大硅棒的直径。目前直拉法的直径达到100nm-500nm。坩埚的加料量一般已经达到60公斤。研究改进方向主要是控制晶体中的杂质含量、碳含量、减少晶体硅的缺陷，同时也要考虑其生长速度。
2） 区熔法 区熔法主要用于材料提纯，也用于生长单晶。区熔法生长硅单晶的成本较高，但得到硅单晶的质量却最佳。右图为区熔法示意图。
3.2 多晶硅 随着电池制备和封装工艺的不断改进，在硅太阳电池总成本中，硅材料所占比重已由原先的1/3上升到1/2。因此，生产厂家迫切希望在不降低光电转换效率的前提下，找到替代单晶硅的材料。目前，比较适用的材料就是多晶硅。因为熔铸多晶硅锭比提拉单晶硅锭的工艺简单，设备易做，操作方便，耗能较少，辅助材料消耗也不多，尤其是可以制备任意形状的多晶硅锭，便于大量生产大面积的硅片。同时，多晶硅太阳电池的生产成本却低于单晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。
3.2.1 多晶硅锭生长方法 根据生长方法的不同，多晶硅可分为等轴晶、柱状晶。通常在热过冷及自由凝固的情况下会形成等轴晶，其特点是晶粒细，机械物理性能各向同性。如果在凝固过程中控制液固界面的温度梯度，形成单方向热流，实行可控的定向凝固，则可形成物理机械性能各向异性的多晶柱状晶，太阳电池多晶硅锭就是采用这种定向凝固的方法生产的。在实际生产中，太阳电池多晶硅锭的定向凝固生长方法主要有浇铸法、热交换法(HEM )、布里曼(B ridgeman)法、电磁铸锭法，其中热交换法与布里曼法通常结合在一起。
1）浇铸法 浇铸法将熔炼及凝固 开，熔炼在一个石英分砂 炉衬的感应炉中进行，熔 融的硅液浇入一个石墨模 型中，石墨模型置于一模 模升降台上，周围用电阻 加热，然后以1 mm／min 的速度下降(见图)。
浇铸法的特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，从图中可以看出，这种生产方法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以有率，降低能源消耗。缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚， 会导致二次污染，此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构，使得其结构相对较复杂。
2）热交换法和布里曼法 热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中(避免了二次污染)，其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后，在坩埚底部通冷却水或冷气体，在底部进行热量交换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。下图为热交换法结晶炉炉内结构示意图。
该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关绝热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走，从而形成温度梯度。该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关绝热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走，从而形成温度梯度。 热交换法结晶炉炉内结构示意图
布里曼法则是在硅料熔化后，将坩埚或加热元件移动使结晶好的晶体离开加热区，而液硅仍然处于加热区，这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度dT／dX接近常数，生长速度受工作台下移速度及冷却水流量控制趋近于常数，生长速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都是采用热交换与布里曼相结合的技术。布里曼法则是在硅料熔化后，将坩埚或加热元件移动使结晶好的晶体离开加热区，而液硅仍然处于加热区，这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度dT／dX接近常数，生长速度受工作台下移速度及冷却水流量控制趋近于常数，生长速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都是采用热交换与布里曼相结合的技术。
下图为热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开关，坩埚则位于热开关上。硅料熔融时，热开关关闭，结晶时打开，将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走，形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好的硅锭离开加热区，维持固液界面有一个比较稳定的温度梯度。下图为热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开关，坩埚则位于热开关上。硅料熔融时，热开关关闭，结晶时打开，将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走，形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好的硅锭离开加热区，维持固液界面有一个比较稳定的温度梯度。 热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图
3.3 多晶硅薄膜电池 各种CVD（PECVD，RTCVD，CVD等）技术被用来生 长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要的结 果。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，用快速热化学气相沉积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到9.3％和11％。下图是硅基衬底的多晶硅薄膜太阳电池的效率。
