光敏傳感器的基礎是光電效應,即利用光子照射在器件上,使電路中產(chǎn)生電流或使電導特性發(fā)生變化的效應。半導體光敏傳感器在數(shù)碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領域得到了廣泛應用,在現(xiàn)代科技發(fā)展中起到了十分重要的作用。

能源——硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設備的電源;也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。

光電檢測器件——用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光增加準直、電影還音等設備的光感受器。

光電控制器件——用作光電開關等光電控制設備的轉換器件。

光伏技術可直接將太陽的光能轉換為電能,用此技術制作的光電池使用方便,特別是近年來微小型半導體逆變器迅速發(fā)展,促使其應用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術發(fā)展計劃,開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩(wěn)定性,降低成本,不斷擴大產(chǎn)業(yè)。已有80多個國家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力,年均增長達16%,市場開拓從空間轉向地面系統(tǒng)應用,甚至用于驅動交通工具。據(jù)報道,全球發(fā)展、建造太陽能住宅(光電池 作屋頂、外墻、窗戶等建材用)投資規(guī)模為600億美元,而到2005年還會再翻一倍達1200億美元,光伏技術制作的光電池有望成為21世紀的新能源。以下按其材料分類,展示光伏技術、產(chǎn)業(yè)及市場發(fā)展動向。

晶體硅

晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類,用P型(或n型)硅襯底,通過磷(或硼)擴散形成Pn結而制作成的,生產(chǎn)技術成熟,是光伏市場上的主導產(chǎn)品。采用埋層電極、表面鈍化、強化陷 光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術,提高材料中的載流子收集效率,優(yōu)化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背電極等方式,光電轉換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限,比較大的為Φ10至20cm的圓片,年產(chǎn)能力46MW/a。主要課題是繼續(xù)擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模,開發(fā)帶狀硅光電池技術,提高材料利用率。國際公認最高效率在AM1.5條件下為24%,空間用高質量的效率在AM0條件約為13.5?18%,地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11?18%之間。以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅,可降低成本,但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網(wǎng)印刷,切磨拋工藝,千方百計進一步降成本,提高效率,大晶粒多晶硅光電池的轉換效率最高達18.6%。

非晶硅

a-Si(非晶硅)光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低,可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜,易于大面積化 (0.5m×1.0m),成本較低,多采用p in結構。為提高效率和改善穩(wěn)定性,有時還制成三層p in 等多層疊層式結構,或是插入一些過渡層。其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長,年產(chǎn)能力45MW/a,10MW生產(chǎn)線已投入生產(chǎn),全球市場用量每月在1千萬片左右,居薄膜電池首位。發(fā)展集成型a-Si光電池組 件,激光切割的使用有效面積達90%以上,小面積轉換效率提高到14.6%,大面積大量生產(chǎn)的為8-10%,疊層結構的最高效率為21%。研發(fā)動向是改善薄膜特性,精確設計光電池結構和控制各層厚度,改善各層之間界面狀態(tài),以求得高效率和高穩(wěn)定性。

多晶硅

p-Si(多晶硅,包括微晶)光電池沒有光致衰退效應,材料質量有所下降時也不會導致光電池受影響,是國際上正掀起的前沿性研究熱點。在單晶硅襯底上用液相外延制備的p-Si光電池轉 換效率為15.3%,經(jīng)減薄襯底,加強陷光等加工,可提高到23.7%,用CVD法制備的轉換效率約為 12.6-17.3%。采用廉價襯底的p-Si薄膜生長方法有PECVD和熱絲法,或對a-Si:H材料膜進行后退火,達到低溫固相晶化,可分別制出效率9.8%和9.2%的無退化電池。微晶硅薄膜生長與a-Si工藝相容,光電性能和穩(wěn)定性很高,研究受到很大重視,但效率僅為7.7%。大面積低溫p-Si膜與-Si組成疊層電池結構,是提高a-S光電池穩(wěn)定性和轉換效率的重要途徑,可更充分利用太陽光譜,理論計算表明其效率可在28%以上,將使硅基薄膜光電池性能產(chǎn)生突破性進展。銅銦硒光電池

CIS(銅銦硒)薄膜光電池已成為國際光伏界研究開發(fā)的熱門課題,它具有轉換效率高(已達到17.7%),性能穩(wěn)定,制造成本低的特點。CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價襯底上分別沉積多層膜而構成的,厚度可做到2?3μm,吸收層CIS膜對電池性能起著決定性作用。現(xiàn)已開發(fā)出反應共蒸法和硒化法(濺射、蒸發(fā)、電沉積等)兩大類多種制備方法,其它外層通常采用真空蒸發(fā)或 濺射成膜。阻礙其發(fā)展的原因是工藝重復性差,高效電池成品率低,材料組分較復雜,缺乏控制薄膜生長的分析儀器。CIS光電池正受到產(chǎn)業(yè)界重視,一些知名公司意識到它在未來能源市場中的前景和所處地位,積極擴大開發(fā)規(guī)模,著手組建中試線及制造廠。

碲化鎘

CdTe(碲化鎘)也很適合制作薄膜光電池,其理論轉換效率達30%,是非常理想的光伏材料。可采用升華法、電沉積、噴涂、絲網(wǎng)印刷等10種較簡便的加工技術,在低襯底溫度下制造出效率12%以上的CdTe光電池,小面積CdTe光電池的國際先進水平光電轉換率為15.8%,一些公司正深入研究與產(chǎn)業(yè)化中試,優(yōu)化薄膜制備工藝,提高組件穩(wěn)定性,防范Cd對環(huán)境污染和操作者的健康危害。

砷化鎵

GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高 達29.5%(一般在19.5%左右),產(chǎn)品耐高溫和輻射,但生產(chǎn)成本高,產(chǎn)量受限,主要作空間電源用。以硅片作襯底,用MOCVD技術異質外延方法制造GaAs電池是降低成本很有希望的方法。

其它材料

InP(磷化銦)光電池的抗輻射性能特別好,效率達17%到19%,多用于空間方面。采用SiGe單晶襯底,研制出在AM0條件下效率大于20%的GaAs/Si異質結外延光電池,最高效率23.3%。Si/ Ge/GaAs結構的異質外延光電池在不斷開發(fā)中,控制各層厚度,適當變化結構,可使太陽光中各 種波長的光子能量都得到有效利用,GaAs基多層結構光電池效率已接近40%。