【正文】 是一種近年發(fā)展起來的新型的電池。太陽(yáng)能電池是利用 光電轉(zhuǎn)換原理 使太陽(yáng)的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“ 光生伏特效應(yīng) ”，因此太陽(yáng)能電池又稱為 “光伏電池” ? 用于太陽(yáng)能電池的 半導(dǎo)體 材料是一種介于導(dǎo)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(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。 ? 半導(dǎo)體 硅 原子的外層有 4個(gè)電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)受到外來能量的作用時(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(shù)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(dǎo)體，通常用符號(hào) 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(dǎo)體，以符號(hào) N代表。 ? 若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個(gè) P－ N結(jié)。太陽(yáng)能電池的奧妙就在這個(gè)“結(jié)”上， P－ N結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動(dòng) ? 當(dāng)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(qū)移動(dòng)，使 N型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向 P型區(qū)移動(dòng)，使 P型區(qū)帶正電。這樣，在 P－ N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏特效應(yīng)” ? 如果這時(shí)分別在 P型層和 N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，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，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(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽(yáng)電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，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(guó)貝爾研究所首先應(yīng)用這個(gè)原理試制成功硅太陽(yáng)電池，獲得 6%光電轉(zhuǎn)換效率的成果。 太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，好比一道曙光，尤其是航天領(lǐng)域的科學(xué)家，對(duì)它更是注目。這是由于當(dāng)時(shí)宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，人造地球衛(wèi)星上天，衛(wèi)星和宇宙飛船上的電子儀器和設(shè)備，需要足夠的持續(xù)不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長(zhǎng)，使用方便，能承受各種沖擊、振動(dòng)的影響。 ? 太陽(yáng)能電池 完全滿足這些要求 ? 1958年，美國(guó)的“先鋒一號(hào)”人造衛(wèi)星就是用了太陽(yáng)能電池作為電源，成為世界上第一個(gè)用太陽(yáng)能供電的衛(wèi)星 . ? 空間電源的需求使太陽(yáng)電池作為尖端技術(shù)，身價(jià)百倍。 ? 現(xiàn)在，各式各樣的衛(wèi)星和空間飛行器上都裝上了布滿太陽(yáng)能電池的“翅膀”，使它們能夠在太空中長(zhǎng)久遨游。 ? 我國(guó) 1958年開始進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制工作 ? 1971年將研制的太陽(yáng)能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。 ? 以太陽(yáng)能電池作為電源可以使衛(wèi)星安全工作達(dá) 20年之久，而化學(xué)電池只能連續(xù)工作幾天。 ? 空間應(yīng)用范圍有限，當(dāng)時(shí)太陽(yáng)電池造價(jià)昂貴，發(fā)展受到限制。 ? 70年代初，世界石油危機(jī)促進(jìn)了新能源的開發(fā)，開始將太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用，技術(shù)不斷進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率提高，成本大幅度下降。 ? 時(shí)至今日，光電轉(zhuǎn)換已展示出廣闊的應(yīng)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年世界上第一架太陽(yáng)能電池飛機(jī)在美國(guó)首次試飛成功以來，激起人們對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)研究的熱潮，太陽(yáng)能飛機(jī)從此飛速地發(fā)展起來，只用了六七年時(shí)間太陽(yáng)能飛機(jī)從飛行幾分鐘，航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽。 ? 現(xiàn)在，最先進(jìn)的太陽(yáng)能飛機(jī)，飛行高度可達(dá) 2萬多米，航程超過 4000公里。另外，太陽(yáng)能汽車也發(fā)展很快。 ? 在建造太陽(yáng)能電池發(fā)電站上，許多國(guó)家也取得了較大進(jìn)展。 1985年，美國(guó)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 300萬度。 ? 用太陽(yáng)能電池發(fā)電確實(shí)是一種誘人的方式，據(jù)專家測(cè)算，如果能把撒哈拉沙漠太陽(yáng)輻射能的 1％收集起來，足夠全世界的所有能源消耗 。 ?德國(guó) 1990年建造的小型太陽(yáng)能電站，光電轉(zhuǎn)換率可達(dá) 30％多，適于為家庭和團(tuán)體供電。 ? 1992年美國(guó)加州公用局又開始研制一種“革命性的太陽(yáng)能發(fā)電裝置”，預(yù)計(jì)可供加州 1／ 3的用電量。 ? 在生產(chǎn)和生活中，太陽(yáng)能電池已在一些國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，在遠(yuǎn)離輸電線路的地方，使用太陽(yáng)能電池給電器供電是節(jié)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(jī)，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(jī)的連續(xù)供電，既節(jié)省了電能又安全可靠。 ? 日本則側(cè)重把太陽(yáng)能電池應(yīng)用于汽車的自動(dòng)換氣裝置、空調(diào)設(shè)備等民用工業(yè)。 ? 我國(guó)的一些電視臺(tái)也已用太陽(yáng)能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎 。 ? 當(dāng)前，太陽(yáng)能電池的開發(fā)應(yīng)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(guó)家已大批量生產(chǎn)，并得到廣泛應(yīng)用； ? 同時(shí)人們正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽(yáng)能電池； ? 可以預(yù)見，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)、生活中占有越來越重要的位置。 4．多晶硅及其他光電轉(zhuǎn)換材料 光伏效應(yīng) ? 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面加大對(duì)能源的需求，引發(fā) 能源危機(jī) ；另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致全球性的“ 溫室效應(yīng)” 。 ? 為此各國(guó)力圖擺脫對(duì)常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源。作為最理想的可再生能源，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題。 ? 所以在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了高度重視，歐洲聯(lián)盟國(guó)家計(jì)劃在2022年太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的電力占所有總電力的 ％，美國(guó)啟動(dòng)了“百萬屋頂”計(jì)劃。在能源短缺，環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)重的我國(guó)，低成本高效率地利用太陽(yáng)能尤為重要。 太陽(yáng)能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽(yáng)電池簡(jiǎn)單裝置如圖 1所示。當(dāng) N型和 P型兩種不同型號(hào)的半導(dǎo)體材料接觸后，由于擴(kuò)散和漂移作用，在界面處形成由 P型指向 N型的內(nèi)建電場(chǎng)。 當(dāng)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(duì)，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下分離開，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負(fù)載提供電流。 ? 從本世紀(jì) 70年代中期開始了地面用太陽(yáng)電池商品化以來， 晶體硅 就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)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(zhuǎn)變。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括： 單晶硅 太陽(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(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)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(zhuǎn)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(wěn)定 的轉(zhuǎn)換效率，而且性能價(jià)格比最高； ? 薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池則現(xiàn)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最主要的光伏材料。 ? 鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)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(cuò)、微缺陷，和材料中的雜質(zhì)碳和氧，以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)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(guī)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(gòu)化的濕化學(xué)腐蝕方法也是目前低成本制備高效率電池的重要工藝。 ? 從固體物理學(xué)上講，硅材料并不是最理想的光伏材料，這主要是因?yàn)楣枋情g接能帶半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)較低，所以研究其他光伏材料成為一種趨勢(shì)。 ? 其中，碲化鎘 (CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認(rèn)識(shí)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(guī)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。 5．晶體硅太陽(yáng)電池及材料 ? 1839年，法國(guó) Becqueral第一次在化學(xué)電池中觀察到光伏效應(yīng)。 1876年，在固態(tài)硒（ Se） 的系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應(yīng)，隨后開發(fā)出 Se／ CuO光電池。有關(guān)硅光電池的報(bào)道出現(xiàn)于 1941年。 ? 貝爾實(shí)驗(yàn)室 Chapin等人 1954年開發(fā)出效率為 6％的單晶硅光電池，現(xiàn)代硅太陽(yáng)電池時(shí)代從此開始。 ? 硅太陽(yáng)電池于 1958年首先在航天器上得到應(yīng)用。在隨后 10多年里，硅太陽(yáng)電池在空間應(yīng)用不斷擴(kuò)大，工藝不斷改進(jìn)，電池設(shè)計(jì)逐步定型。這是硅太陽(yáng)電池發(fā)展的第一個(gè)時(shí)期。 ? 第二個(gè)時(shí)期開始于 70年代初，在這個(gè)時(shí)期背表面場(chǎng)、細(xì)柵金屬化、淺結(jié)表面擴(kuò)散和表面織構(gòu)化開始引人到電池的制造工藝中，太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。 ? 與此同時(shí)，硅太陽(yáng)電池開始在地面應(yīng)用，而且不斷擴(kuò)大，到 70年代未地面用太陽(yáng)電池產(chǎn)量已經(jīng)超過空間電池產(chǎn)量，并促使成本不斷降低。 ? 80年代初，硅太陽(yáng)電池進(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(fù)合效應(yīng)、后處理提高載流子壽命、改進(jìn)陷光效應(yīng)引入到電池的制造工藝中。以各種高效電池為代表，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(yīng)用不斷擴(kuò)大。 ? 在太陽(yáng)電池的整個(gè)發(fā)展歷程中，先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構(gòu)的電池，如肖特基（ Ms）電池， MINP電池；異質(zhì)結(jié)電池（如 ITO（ n）／ Si（ p）， aSi／ cSi， Ge／ Si） 等，其中 同質(zhì) pn結(jié)電池 結(jié)構(gòu)自始至終占主導(dǎo)地位，其它結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)電池的發(fā)展也有重要影響。 ? 以材料區(qū)分，有晶硅電池，非晶硅薄膜電池，銅銦硒（ CIS） 電池，碲化鎘（ CdTe） 電池，砷化稼電池等，而以晶硅電池為主導(dǎo)，由于硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素(%)，作為半導(dǎo)體材料，人們對(duì)它研究得最多、技術(shù)最成熟，而且晶硅性能穩(wěn)定、無毒，因此成為太陽(yáng)電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。 1 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展 ? 1． 1地面應(yīng)用推動(dòng)各種新型電池的出現(xiàn)和發(fā)展 ? 晶硅電池在 70年代初引入地面應(yīng)用。在石油危機(jī)和降低成本的推動(dòng)下，太陽(yáng)電池開始了一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期，這個(gè)時(shí)期不但出現(xiàn)了許多新型電池，而且引入許多新技術(shù)。 ? 例如： ? （ 1） 背表面電場(chǎng)（ BSF） 電池 —— 在電池的背面接觸區(qū)引入同型重?fù)诫s區(qū)，由于改進(jìn)了接觸區(qū)附近的收集性能而增加電池的短路電流；背場(chǎng)的作用可以降低飽和電流，從而改善開路電壓，提高電池效率。 ? （ 2） 紫光電池 一一這種電池最早（ 1972）是為通信衛(wèi)星開發(fā)的。因其淺結(jié)（ 0． 1一0． 2181。m） 密柵（ 30／ cm）、 減 反射（ Ta2O5— 短波透過好）而獲得高效率。在一段時(shí)間里，淺結(jié)被認(rèn)為是高效的關(guān)鍵技術(shù)之一而被采用。 ? （ 3） 表面織構(gòu)化電池 —— 也稱絨面電池，最早（ 1974）也是為通訊衛(wèi)星開發(fā)的。這種技術(shù)后來被高效電池和工業(yè)化電池普遍采用。 ? （ 4） 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池 —— 即不同半導(dǎo)體材料在一起形成的太陽(yáng)電池如 SnO／ Si，In20／ Si，（ 1n203十 SnO2／ Si電池等。由于 SnO In2O（ In2O3＋ SnO2） 等帶隙寬，透光性好，制作電池工藝簡(jiǎn)單，曾引起許多研究者的興趣。目前因效率不高等問題研究者已不多，但 SnO In2O（ 1n2O3＋ S