Si硅,原子序數14,原子量28.0855, 硅有晶態和無定形兩種形式。 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,不產生任何的環境污染。

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。

制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后發生光電于轉換反應,根據所用材料的不同,太陽能電池可分為:

1、硅太陽能電池;
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、功能高分子材料制備的太陽能電池;
4、納米晶太陽能電池等。

一、硅太陽能電池

1、硅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:

硅材料是一種半導體材料,太陽能電池發電的原理主要就是利用這種半導體的光電效應。一般半導體的分子結構是這樣的:

上圖中,正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。

當硅晶體中摻入其他的雜質,如硼(黑色或銀灰色固體,熔點2300℃,沸點3658℃,密度2.34克/厘米,硬度僅次于金剛石,在室溫下較穩定,可與氮、碳、硅作用,高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應,形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高導電率和化學惰性的物質。)、磷等,當摻入硼時,硅晶體中就會存在一個空穴,它的形成可以參照下圖說明:

圖中,正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅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。

(附,什么是P型半導體呢?在半導體材料硅或鍺晶體中摻入三價元素雜質可構成缺殼粒的P型半導體,摻入五價元素雜質可構成多余殼粒的N型半導體。)

同樣,摻入磷原子以后,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,紅色的為多余的電子,如下圖所示:

P型半導體中含有較多的空穴,而N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里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。這是由于P型半導體多空穴,N型半導體多自由電子,出現了濃度差。P區的空穴會自發擴散到N區,N區的電子會自發擴散到P區,由于電子和空穴的相向,原來呈現電中性的P型半導體在界面附近就富集負電荷(由于一部分空穴擴散到N區去了),類似的,原來呈現電中性的N型半導體在界面附近就富集正電荷(由于一部分電子擴散到P區去了),這樣就形成了一個有N指向P的"內電場",從而阻止電子和空穴擴散的進行。達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差,從而形成PN結。當晶片受光后,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。然后在PN結中形成電勢差,這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。

由于半導體不是電的良導體,電子在通過p-n結后如果在半導體中流動,電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,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。

另外硅表面非常光亮,會反射掉大量的太陽光,不能被電池利用。為此,科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜(如圖),實際工業生產基本都是用化學氣相沉積沉積一層氮化硅膜,厚度在1000埃左右。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,于是人們又將很多電池(通常是36個)并聯或串聯起來使用,形成太陽能光電板。

2、硅太陽能電池的生產流程

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質量硅片上制成的,這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。

上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節省材料,制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法,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制備多晶硅薄膜電池。

二、納米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發展最成熟的,但由于成本居高不下,遠不能滿足大規模推廣應用的要求。為此,人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索,而這當中新近發展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。

以染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSCs)為例,這種電池主要包括鍍有透明導電膜的玻璃基底,染料敏化的半導體材料、對電極以及電解質等幾部分。

陽極:染料敏化半導體薄膜(TiO2膜)

陰極:鍍鉑的導電玻璃

電解質:I3/I

如圖所示,白色小球表示TiO2,紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態,激發態不穩定,電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶,染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償,進入TiO2導帶中的電于最終進入導電膜,然后通過外回路產生光電流。

納米晶TiO2太陽能電池的優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上,制作成本僅為硅太陽電池的1/5~1/10.壽命能達到20年以上。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步,估計不久的將來會逐步走上市場。

三、染料敏化TiO2太陽能電池的手工制作

1、制作二氧化鈦膜

(1)先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進行研磨

(2)接著用玻璃棒緩慢地在導電玻璃上進行涂膜

(3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結10~15分鐘,然后冷卻

2、利用天然染料為二氧化鈦著色

如圖所示,把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶,加一湯匙的水并進行擠壓,然后把二氧化鈦膜放進去進行著色,大約需要5分鐘,直到膜層變成深紫色,如果膜層兩面著色的不均勻,可以再放進去浸泡5分鐘,然后用乙醇沖洗,并用柔軟的紙輕輕地擦干。

3、制作正電極

由染料著色的TiO2為電子流出的一極(即負極)。正電極可由導電玻璃的導電面(涂有導電的SnO2膜層)構成,利用一個簡單的萬用表就可以判斷玻璃的那一面是可以導電的,利用手指也可以做出判斷,導電面較為粗糙。如圖所示,把非導電面標上'+',然后用鉛筆在導電面上均勻地涂上一層石墨。

4、加入電解質

利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質,它主要用于還原和再生染料。如圖所示,在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質即可。

5、組裝電池

把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上,在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質,然后把正電極的導電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開,用兩個夾子把電池夾住,兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導線。這樣,你的太陽能電池就做成了。

6、電池的測試

在室外太陽光下,檢測你的太陽能電池是否可以產生電流。

正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。

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

正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅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,所以就會產生藍色的空穴。

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里會形成一個特殊的薄層)。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。直到達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差,這就是PN結。

由于半導體不是電的良導體,電子在通過p-n結后如果在半導體中流動,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。

另外硅表面非常光亮,會反射掉大量的太陽光,不能被電池利用,科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜。

太陽電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種,如:單晶硅,多晶硅, 非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。它們的發電原理基本相同,現以晶體硅為例描述光發電過程。 P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結。

當光線照射太陽電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發生了越遷,成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是:光子能量轉換成電能的過程。

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硅原子并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,在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并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硅層,再將這層非晶硅層退火,得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,因此,再結晶技術無疑是很重要的一個環節,采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外,另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術,這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高化。

晶體硅太陽能電池應用中,發射極的特性可以極大地影響電池性能,通過提高發射極的摻雜濃度可以降低電池的接觸電阻,但是過高的摻雜濃度又將增加發射極中光生載流子的復合速率。選擇性發射極電池結構有效地解決了這一矛盾,在這種電池結構中,金屬柵線下方采用較高濃度的摻雜,與此同時,柵線間的發射極保持較低的摻雜濃度,從而在保證較好的藍光響應的條件下,實現電池串聯電阻的減小。然而,該電池結構需要嚴格的對準工藝實現金屬柵線與選擇性發射極的電接觸。

中科院寧波材料技術與工程研究所萬青研究組提出了一種交叉自對準工藝,采用普通絲網印刷設備研制了高效率的晶體硅太陽能電池。常規晶硅電池工藝在經過高溫磷擴散后,在電池表面存在一層高濃度磷元素的磷硅玻璃層,通過波長為532nm的激光圖形化退火處理,將磷硅玻璃中的磷元素進一步擴散進入硅,從而在電池片表面形成選擇性重摻雜區域。絲網印刷銀漿時,使得細柵線90度交叉激光重摻雜線條,巧妙地實現自對準制備工藝。

電池性能測試表明,發射極方塊電阻為75歐姆/方塊的標準單晶硅電池(125mm×125mm),最佳填充因子由激光摻雜前的~65%提高到激光摻雜后的~79%;最佳電池光電轉化效率由激光摻雜前的~14.4%提高到激光摻雜后的~17.7%。電池性能的提高主要由于電池接觸性能的改善引起。