【正文】 硅基太陽能電池 錢坤 121120211 一、引言 太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔、不產(chǎn)生任何環(huán)境污染的能源。在太陽能有效利用當(dāng)中，太陽能光電利用是近年來發(fā)展最快，也是最具活力的研究領(lǐng)域 。太陽電池的歷史可以追溯到 19 世紀(jì)。 1839 年 Becqurel 在電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1883 年 ,Frit ts 描述了第一個(gè)用硒制造的光生伏特電池。 1941 年 ,Ohl 提出了硅 p2n 結(jié)光伏器件 , 在此基礎(chǔ)上 , 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于 1954 年制造出 第一個(gè)實(shí)用的硅擴(kuò)散 p2n 結(jié)太陽電池 , 并很快將光電轉(zhuǎn)換效率提高到 10 %。 1958 年 , 太陽電池首先在人造衛(wèi)星上得以應(yīng)用 , 從此開始了研究、利用太陽能發(fā)電的新階段。 20 世紀(jì) 50 年代第一塊實(shí)用的硅太陽電池的問世 , 揭開了光電技術(shù)的序幕 ,也揭開了人類利用太陽能的新篇章。自 20 世紀(jì) 60 年代太陽電池進(jìn)入空間、 20 世紀(jì) 70 年代進(jìn)入地面應(yīng)用以來 , 太陽能光電技術(shù)發(fā)展迅猛。但在 20 世紀(jì) 80 年代以前 , 由于發(fā)電成本過高 , 太陽電池的應(yīng)用并不廣泛。光伏發(fā)電主要在航天、通信、導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域作為補(bǔ)充能源。 1990 年以來，太陽能電池的平均年增長率高達(dá) 16%，目前每年的貿(mào)易額超過 10 億美元。硅材料在光伏領(lǐng)域的增長率已高于它在集成電路領(lǐng)域的增長率。 制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能量后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為： 以非晶硅、多晶硅和單晶硅為材料的硅太陽能電池 以 Ⅲ Ⅴ 族化合物半導(dǎo)體多元化合物為材料的太陽能電池 以銅銦硒為材料生產(chǎn)的太陽能電池 以其它材料（ 如 Ⅱ Ⅵ 族半導(dǎo)體，塑料 ， 有機(jī)材料）生產(chǎn)的太陽能電池；另外，鍺單晶也是重要的太陽能電池材料。 無 論采用何種材料生產(chǎn)太陽能電池，它們對(duì)材料的一般要求是： 半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，而且材料的性能要穩(wěn)定 綜合以上幾方面因素考慮，硅材料是最理想的太陽能電池材料。 按照電池的生產(chǎn)量來說，硅材料太陽能電池?zé)o疑是市場(chǎng)的主體，硅基（多晶硅、單晶硅）太陽能電池占 80%以上 二、背景 硅 基 太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個(gè)階段（如圖 1所示），每一階段效率的提升都是因?yàn)樾录夹g(shù)的引入。 圖 1電池效率發(fā)展路程圖 1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室 Chapin等人開發(fā)出效率為 6%的單晶硅太陽能電池到 1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在 15%。 1972年到 1985年是第二個(gè)發(fā)展階段，背電場(chǎng)電池（ BSF）技術(shù)、 “淺結(jié) ”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效 率提高到 17%，電池成本大幅度下降。 1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面與體鈍化技術(shù)、 Al/P 吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達(dá) %鈍化發(fā)射極和背面點(diǎn)接觸（ PERL）電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實(shí)驗(yàn)室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來。目前已經(jīng)有多家國內(nèi)外公司對(duì)外宣稱到 2021年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達(dá)到 18%，多晶將超過 17%。 三、原理 太陽能是一種輻射能 ,要將這種輻射能 (或其它光能 )轉(zhuǎn)換為電能 ,必須借助“能量轉(zhuǎn)換器”一一太陽能電池 ,也稱為光電池。因?yàn)槌Ｒ姷奶柲茈姵囟际怯砂雽?dǎo)體材料制造 ,所以有時(shí)也稱為半導(dǎo)體光電池。太陽能電池工作原理是基于半導(dǎo)體 p 一 n 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。即太陽光或其它光照射半導(dǎo)體 p 一 n 結(jié)時(shí) ,就會(huì)在 p 一 n 結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓 ,叫做光生電壓。下面以單晶硅太陽能電池為例作一下介紹。 原子由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成 ,原子核外的電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn) ,其運(yùn)動(dòng)軌跡遵循一定的軌道。單晶硅原子共有三個(gè)電子層 ,最外電子 層中有 4 個(gè)電子 ,這 4 個(gè)電子都有著固定的位置且受原子核的約束。當(dāng)有外來能量激發(fā) (如受到太陽能輻射 )時(shí) ,最外層的電子即可擺脫原子核的束縛而變成自由電子 ,與此同時(shí) ,此電子原來所在地方形成一個(gè)“空位” ,此“空位”可看成一個(gè)正電荷 ,被稱之為“空穴”。在單晶硅中 ,帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴都是可以運(yùn)動(dòng)的電荷。 在本征半導(dǎo)體晶體硅中 ,自由電子的數(shù)目等于空穴的數(shù)目。但如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的雜質(zhì) ,如硼、鋁、嫁或錮等 ,就變成了空穴型半導(dǎo)體 ,簡稱 p 型半導(dǎo)體 。而如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的雜質(zhì) ,如磷、砷或銻等 ,則變成 了電子型半導(dǎo)體 ,簡稱 n型半導(dǎo)體。若將這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起 ,在 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體交界處就會(huì)形成載流子濃度差 ,在界面層附近會(huì)發(fā)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ,空穴從 p 區(qū)向 n 區(qū)擴(kuò)散 ,電子從 n 區(qū)向 p 區(qū)擴(kuò)散。對(duì)于 p區(qū) ,空穴離開后 ,留下不可移動(dòng)的帶負(fù)電荷的受主離子 。對(duì)于 n 區(qū) ,電子離開后 ,留下不可移動(dòng)的帶正電荷的施主離子。這樣 ,在 p 一 n 結(jié)交界面附近就出現(xiàn)一個(gè) p 區(qū)一側(cè)為負(fù) ,n 區(qū)一側(cè)為正的空間電荷區(qū) ,電荷區(qū)的正負(fù)電荷形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng) ,其方向由 n 區(qū)指向 p 區(qū) I39。7]。當(dāng)光線照射在 p 一 n 結(jié)上并且光在界面層被吸收時(shí) ,具有足夠能量的光子