太陽能電池基本結構及發電原理

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產生任何的環境汙染。在太陽能的有效利用當中，太陽能光電利用是近些年來發展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。製作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能後發生光電於轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、矽太陽能電池;2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料製備的太陽能電池;4、納米晶太陽能電池等，本文主要講述矽太陽能電基本結構、發電原理及生產流程。

1.矽太陽能電池工作原理與結構

太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：

 

 

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。

當矽晶體中摻入其他的雜質(如硼、磷等)，摻入硼時，矽晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：

 

 

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生如圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成P(positive)型半導體。

同樣，摻入磷原子以後，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N(negative)型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多餘的電子。如下圖：

 

 

N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。

 

 

當P型和N型半導體結合在一起時,在兩種半導體的交界面區域裡會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由於P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的「內電場」，從而阻止擴散進行。達到平衡後，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。

當晶片受光後，PN結中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流，然後在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示)

 

 

由於半導體不是電的良導體，電子在通過p-n結後如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部塗上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p-n結 (如圖：梳狀電極)，以增加入射光的面積。

 

 

另外矽表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它塗上了一層反射係數非常小的保護膜(如上圖)，將反射損失減小到5%甚至更小。 一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，於是人們又將很多電池(通常是36個)並聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。

2.矽太陽能電池的生產流程

通常的晶體矽太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量矽片上製成的， 這種矽片從提拉或澆鑄的矽錠上鋸割而成。

 

 

上述方法實際消耗的矽材料更多，為了節省材料，目前製備多晶矽薄膜電池多採用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。 此外，液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來製備多晶矽薄膜電池。

化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4 為反應氣體，在一定的保護氣氛下反應生成矽原子並沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非矽襯底上很難形成較大的晶粒，並且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶矽層，再將這層非晶矽層退火，得到較大的晶粒，然後再在這層籽晶上沉積厚的多晶矽薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環節，目前採用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶矽薄膜電池除採用了再結晶工藝外，另外採用了幾乎所有製備單晶矽太陽能電池的技術，這樣製得的太陽能電池轉換效率明顯提高。

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