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硅太阳能电池 1　引言 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题,据专家估算,以现在的能源消耗速度,可开采的石油资源将在几十年后耗尽,煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源,能很好地同时解决能源和环境两大难题,具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大,大约40ｍｉｎ照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求[1]。因此,制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景,而且也是时代所需。 2　太阳能电池的种类 太阳能电池种类繁多,主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类。 硅太阳能电池 目前,硅太阳能电池占太阳能电池的绝大部分(94%)[2],根据硅片厚度的不同,可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池两大类。 2.1.1　晶体硅太阳能电池 晶体硅太阳能电池有单晶硅(ｃ-Ｓｉ)和多晶硅(ｐ-Ｓｉ)太阳能电池两类,最早出现的是利用切片技术(硅片厚度约0.5ｍｍ)制备的ｃ-Ｓｉ太阳能电池,而后带状硅技术的出现,避免了切片的操作,随着丝网印刷和机械刻槽技术的出现,ｃ-Ｓｉ太阳能电池的性能得到了进一步提高。而后用ｐ-Ｓｉ代替ｃ-Ｓｉ并应用ｃ-Ｓｉ太阳能电池的一些技术,如选择腐蚀发射结、金属吸杂、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极等等,制备了ｐ-Ｓｉ太阳能电池。与ｃ-Ｓｉ太阳能电池相比,ｐ-Ｓｉ太阳能电池成本低,但存在明显的晶粒界面和晶格错位等缺陷而导致光电转化效率相对较低。目前ｃ-Ｓｉ和ｐ-Ｓｉ太阳能电池的应用已经进入大规模发展阶段,然而,ｃ-Ｓｉ和ｐ-Ｓｉ太阳能电池的成本因需高纯Ｓｉ原材料而居高不下,其发展受到了一定的限制。据报道ｃ-Ｓｉ太阳能电池最高光电转化效率已达24.7%(理论最高光电转化效率为25%)[3];Ｇｅｏｇｉａ采用磷吸杂和双层减反射膜技术,制备了光电转化效率为18.6%的ｐ-Ｓｉ太阳能电池[4];新南威尔士大学光伏中心采用类似ＰＥＲＬ电池技术,制备了光电转化效率为19.8%的ｐ-Ｓｉ太阳能电池[5];中国能源网报道,德国弗劳恩霍夫协会科研人员于2004年采用新技术,在世界上率先使ｐ-Ｓｉ太阳能电池的光电转换效率突破20%大关,达到20.3%。 2.1.2　薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μｍ)的出现,相对晶体硅太阳能电池,所用的硅材料大幅度减少,很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(ａ-Ｓｉ)、微晶硅(μｃ-Ｓｉ)和多晶硅(ｐ-Ｓｉ)薄膜太阳能电池,前两者有光致衰退效应,其中μｃ-Ｓｉ薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μｃ-Ｓｉ薄膜沉积速率低(仅1.2ｎｍ/ｓ)[6],光致衰退效应致使其性能不稳定,发展受到一定的限制,而后者则无光致衰退效应问题,因此是硅系太阳能电池的发展方向[7]。日本三菱公司在石英(ＳｉＯ2)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转化效率达到16.5%,德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所在石墨和碳化硅(ＳｉＣ)衬底上制备的ｐ-Ｓｉ薄膜太阳能电池的光电转化效率分别为11%和9.3%,日本ＳＯＮＹ公司用多孔硅分离技术制备的ｐ-Ｓｉ薄膜太阳能电池的光电转换效率达到12.5%[8];ａ-Ｓｉ薄膜太阳能电池的光电转换效率已达14.5%[9];μｃ-Ｓｉ薄膜太阳能电池的光电转换效率已达9.8%[10]。 2.2　聚光太阳能电池 聚光是降低太阳能电池总成本的一种方法,通过聚光器(倍率一般大于几十倍,有反射式和透镜式两种)将较大面积的阳光聚在一个较小的范围内,形成“焦斑”或“焦带”,并将太阳能电池置于“焦斑”或“焦带”上,以增加光强,克服太阳辐射能流密度低的缺陷,从而获得更多的电能输出[11]。与普通太阳能电池相比,聚光太阳能电池因需耐高倍率的太阳辐射,所以要求在较高温度下光电转换性能良好的半导体材料,最理想的半导体材料是单晶硅和砷化镓(ＧａＡｓ)。聚光太阳能电池通常采用垂直结构,以减少串联电阻,同时栅线较密,约占电池面积的10%,以适应大电流密度的需要。Ｓｐｅｅｔｒｏｌａｂ于2003年开发的Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ/ＧａＡｓ/Ｇｅ电池的光电转换效率高达35.2%(66个太阳强度)[12],Ｓｐｅｅｔｒｏｌａｂ又于同年7月25日公布了地面聚光电池的光电转化效率可达36.9%[13]。目前投产的三结Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ/ＧａＡｓ/Ｇｅ聚光太阳能电池光电转化效率为28%(ＡＭ1.5,100～300个太阳强度)。聚光太阳能电池虽然有很高的光电转化效率,但光学聚光系统比较复杂,并且需要跟踪太阳,散热也非常困难。目前所用的聚光太阳能电池较少,聚光倍数均较低,成本相应较高。 2.3　无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有ＣｄＴ