硅太阳能电池分类
一、按硅片厚度分
可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。
二、按材料的结晶形态分
可分为单晶硅(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(c-Si)太阳能电池和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池三种。
1、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,发展了多品硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。
2、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。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。
3、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,南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。但是南于非晶硅缺陷较多,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。
4、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。
5、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。
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硅太阳能电池工作原理
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2.349/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1000A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竞有限,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。
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