太阳能电池材料

太阳能电池的研究是最近兴起的热点，其关键材料的研究是影响下一步应用的瓶颈。太阳能与风能、生物质能并称世界三大可再生洁净能源。目前多晶硅电池在实验室中转换效率达到了17%，引起了各方面的关注。砷化镓太阳能电池的转换效率已经达到20%～28%，采用多层结构还可以进一步提高转换效率。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能的直接转化和利用技术，通过转换装置太阳辐射能转换成电能利用的属于太用能发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。光生伏特效应简称为光伏效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组成的不同部位直接产生电位差的现象。产生这种电位差的机理很多，主要的一种是由于阻挡层的存在。太阳能电池是利用光电转换原理，使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常称为“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P-N结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P-N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接收光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样在P-N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是所说的“光生伏打效应”。如果这是分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载后外电路便有电流通过，形成一个个电池元件，把他们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟并具有商业价值的太阳电池是硅太阳电池。

太阳能电池以材料区分有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜钢硒（CIS）电池、碲化镉（Cd Te）电池、砷化镓电池等，以晶硅电池为主导由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池、铸造多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但成本较高；非晶硅太阳电池生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池现在还处在研发阶段。从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉（Cd Te）和铜铟硒（CuInSe2）被认为是两种非常有前途的光伏材料，而且已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，还需要做大量的工作。

多晶硅电池材料里比较合适的衬底材料为一些硅或铝的化合物，如SiC、Si3N4、SiO2、Si、Al2O3、SiAlON、Al等，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种：①化学气相乘积法（CVD法）；②等离子体增强化学气相沉积法（PECVD法）；③液相外延法（LPE）；④等离子体溅射沉积法。

太阳能电池在太阳能光电制氢、用户太阳能电源、交通领域、通信领域、海洋与气象领域、家庭灯具电源、光伏电站、太阳能建等都有重要的前景。