太阳能电池研究进展

随着化石能源的逐渐枯竭及其利用过程中所产生的环境恶化，人类迫切需要寻求对环境友好的可再生能源。太阳能是目前最具前景的新型能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能的使用不会对生态环境造成破坏，是一种安全无污染的可再生能源。太阳能的利用成本也很低，并且太阳能的使用不受地里条件的限制。太阳能的利用形式多种多样，比较典型的有光热转换和光电转换。而在太阳能的有效利用中太阳能的光电利用可将太阳能直接转换为电能，被认为是最有效的利用太阳能的方式，也是今年来发展最快，最具活跃的领域[1,2,3]。因此太阳能电池的开发和研制也就日益得到科学家们的重视。

制造太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应，根据制造太阳能电池所用的材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的无机盐太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。本文主要介绍了硅太阳能电池的种类，研究现状及其应用前景，并探讨了硅太阳能电池的发展趋势。

第一代硅太阳能电池

1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元[15]，不久后应用于人造卫星，宇宙飞船等航空航天领域。而现在硅太阳能电池占到了整个太阳能电池产量的90%以上，硅太阳能电池是最重要也是技术最成熟的太阳能电池。近年来随着新技术的不断应用，硅太阳能电池的转换效率提高较快。 单晶硅太阳能电池

在硅太阳能电池的发展初期，由于单晶硅的价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出地面应用太阳能电池市场。但是随着太阳能电池的薄

片化发展，工业上已经可以生产出厚度小于200μm的电池片，实验室甚至可以制备出40μm厚的电池片[16]，使得单个太阳能电池片对原材料的需求大大降低。再加上Sanyo公司研发的异质结（HIT）单晶硅太阳能电池[17]和Sunpower公司研发的A300单晶硅太阳能电池[18]等一系列具有新颖结构的高效太阳能电池的大规模生产，单晶硅太阳能电池的市场份额反而较以往有所增加[19]。

典型的高效单晶硅太阳能电池是新南威尔士大学研制的钝化发射区背面局部扩散（PERL）单晶硅太阳能电池[20],如图3所示。这种电池具有倒金字塔织构、双层减反射膜以及背反射结构，使电池拥有优异的陷光性能，利用氧化层钝化电池的正，背两面，增加了电池少子的寿命。另一方面采用点接触代替原来的全覆盖式的背面铝合金接触，使PERL电池的转换效率高达24.7%，接近理论值。PERL单晶硅太阳能电池是迄今为止转换效率最高的晶体硅太阳能电池。

图3 PERL单晶硅太阳能电池

由Sanyo公司开发的HIT太阳能电池，如图4所示，它是近年来太阳能电池开发过程的一个创新，这种太阳能电池利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在已经织构化的n型单晶硅两侧分别沉积i+p层和i+n层非晶硅，然后利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电膜，制作Ag电极。由于非晶硅具有优异的钝化能力，能很好地钝化电池前后两个异质界面，使整个HIT电池制备过程都在低温下（＜200℃）进行，避免了高温（＞1000℃）对电池少子寿命的影响，因此这种电池的最高效率可达21.3%。作为一种高效率的太阳电池，HIT电池在光伏建筑一体化方面具有很大的优势，而且由于其对称结构，这

种电池还能作为双面电池使用[21]。

图4 HIT单晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料[22]。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，它是太阳能电池的主流产品类型[23]。随着长晶技术和太阳能电池技术的不断改进，近年来多晶硅太阳能电池的转换效率得到了大幅度的提高[22]。多晶硅太阳能电池的最高转换效率约21.4%[24]，商业化多晶硅太阳能电池的效率约13%-15%[25]，多晶硅太阳能电池占据了市场的大部分份额。德国Fraunhofer太阳能研究所制备的多晶硅太阳电池( 如图5所示 ) 的光电转换效率已经达到20.3 %[26]，刷新了多晶硅太阳电池转换效率的记录。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的表面织构,光学和电学性能良好,而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的热氧化钝化电池后表面,在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡点,既保证了钝化效果,又减少了温度对少子寿命的影响,使电池的性能得到最优化。