1.硅太阳能电池的分类

硅太阳能电池是以硅为基体材料的太阳能电池。按硅片厚度的不同，可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。按材料的结晶形态，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；薄膜硅太阳能电池分为非晶硅（a-Si）薄膜太阳能电池、微晶硅（μc-Si）太阳能电池和多晶硅（p-Si）薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7％（理论最高光电转化效率为25％），规模生产时的效率为18％（截至2011年）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出太阳能电池市场，但是近年来随着太阳能电池朝超薄化发展，工业上已经生产出厚度小于200μm的电池片，实验室已制备出40μm厚的电池片，使得单个太阳能电池片对原材料的需求大大降低。

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。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要产品之一。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％的多晶硅太阳能电池；澳大利亚新南威尔士大学光伏中心的Martin Green采用类似PERL（钝化发射极、背面点扩散）电池技术，制备了光电转化效率为19.8％的多晶硅太阳能电池；多晶硅太阳能电池与单晶硅比较，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。德国弗劳恩霍夫协会科研人员于2004年采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电转换效率突破20％大关，达到20.3％。协会科研人员成功地开发出一种新技术，可使多晶硅电池的晶格错位等缺陷得到部分解决，其技术关键是在太阳能电池生产过程中选择适当温度，使多晶硅的性能得到提高，并同时形成高效率的太阳能电池结构。另外一项重要改进是开发出名为LFC的太阳能电池背面接触新技术。该技术生产成本低，效率高，可以取代昂贵的传统技术。多晶硅太阳能电池硅片制造成本低，组件效率高，规模生产时的效率已达18％左右。多晶硅太阳能电池占据主流，除取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80％的阳光。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，由于硅原料不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足。但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，且受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

微晶硅（μc-Si）薄膜太阳能电池同样由于光电效率衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制。

多晶硅薄膜太阳能电池是近年来太阳能电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接带隙材料，不是理想的薄膜太阳能电池材料，但是随着陷光技术、钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展，人们完全有可能制备出高效、廉价的多晶硅薄膜太阳能电池。薄膜电池被认为是未来大幅度降低成本的根本出路，因此成为太阳能电池研发的重点方向和主流，在技术上得到快速发展，并逐步向商业化生产过渡。多晶硅薄膜太阳能电池无光电效率衰退效应，目前多晶硅薄膜电池的最高转换效率达21.4％，工业规模生产的转换效率为17％（截至2011年）。多晶硅薄膜电池既有高效、稳定、资源丰富、无毒的优势，又具有薄膜电池低成本的优点，成本远低于单晶硅电池，成为国际上研究开发的热点，国外发展比较迅速，不久将有可能在太阳能电池市场上占据主导地位，具有广阔的发展前景。多晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶粒形态、晶粒晶界、膜厚以及基体中有害杂质的含量及分布方式严重地影响着太阳光的吸收率和载流子的复合率，从而影响着光电转化效率，这也是多晶硅薄膜太阳能电池的性能仍落后于单晶硅太阳电池的主要原因。近年来，由于晶硅电池原材料多晶硅价格的暴跌，晶硅电池的价格也不断下降，薄膜电池的成本优势已经不再显著。预计未来较长的时间内，晶硅电池仍将是太阳能发电的主要形式。(www.daowen.com)

2.硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点为2 300℃，沸点为3 658℃，密度为2.34g/cm3，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质）、磷等，当掺入硼时，硼元素能够俘获电子，硅晶体中就会存在一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，它就成为空穴型半导体，称为P型半导体（在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N型半导体）。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成电子型半导体，称为N型半导体。P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（减反射膜），实际工业生产基本都是用化学气相沉积一层氮化硅膜，厚度在1 000左右。将反射损失减小到5％甚至更小。或者采用制备绒面的方法，即用碱溶液（一般为NaOH溶液）对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。入射光在这种表面经过多次反射和折射，降低了光的反射，增加了光的吸收，提高了太阳电池的短路电流和转换效率。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

目前市场占有率最大的太阳能电池板组件均是三层封装结构，这种太阳能电池封装工艺成熟，为多数太阳能电池生产厂家所采用。表面用TPT（PET）来封装，如图6-14所示。表面为超白钢化玻璃来加强其牢度。中间为硅晶板，上下两层之间用EVA胶膜进行热密封。这种封装减轻了太阳能电池组件的重量，有效降低了成本。

图6-14 硅晶电池组件结构示意图