單晶硅太陽電池
單晶硅太陽電池是當前開發(fā)得最快的一種太陽電池,它的構(gòu)成和生產(chǎn)工藝已定型,產(chǎn)品已廣泛用于宇宙空間和地面設施。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料,純度要求99.9999%。為了降低生產(chǎn)成本,現(xiàn)在地面應用的太陽電池等采用太陽能級的單晶硅棒,材料性能指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料,經(jīng)過復拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成片,一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序,制成待加工的原料硅片。
加工太陽電池片,首先要在硅片上摻雜和擴散,一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。這樣就在硅片上形成P/N結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法,將配好的銀漿印在硅片上做成柵線,經(jīng)過燒結(jié),同時制成背電極,并在有柵線的面涂覆減反射源,以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉,至此,單晶硅太陽電池的單體片就制成了。
單體片經(jīng)過抽查檢驗,即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件(太陽電池板),用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流,最后用框架和封裝材料進行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設計,可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣,亦稱太陽電池陣列。目前市場上的單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換平均效率為19%左右,個別公司最近推出的新產(chǎn)品普遍都超出這個值。實驗室成果普遍在20%以上。用于宇宙空間站的還有高達50%以上的太陽能電池板。
多晶硅太陽電池
單晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料,而制造這些材料工藝復雜,電耗很大,在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一,加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀,切片制作太陽電池也是圓片,組成太陽能組件平面利用率低。因此,80年代以來,歐美一些國家投入了多晶硅太陽電池的研制?!∧壳疤栯姵厥褂玫亩嗑Ч璨牧希喟胧呛写罅繂尉ьw粒的集合體,或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100~300歐姆厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料,經(jīng)破碎,用1:5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當?shù)母g,然后用去離子水沖洗呈中性,并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料,加人適量硼硅,放人澆鑄爐,在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應保溫約20分鐘,然后注入石墨鑄模中,待慢慢凝固冷卻后,即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體,以便切片加工成方形太陽電池片,可提高材質(zhì)利用率和方便組裝。
多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多,其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右,稍低于單晶硅太陽電池,但是材料制造簡便,節(jié)約電耗,總的生產(chǎn)成本較低,因此得到大量發(fā)展。隨著技術得提高,目前多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達到18%左右。
非晶硅太陽電池
非晶硅太陽電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池,它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,電耗更低,非常吸引人。制造非晶硅太陽電池的方法有多種,最常見的是輝光放電法,還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空,充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷,用射頻電源加熱,使硅烷電離,形成等離子體。非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼,即可得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。這種制備非晶硅薄膜的工藝,主要取決于嚴格控制氣壓、流速和射頻功率,對襯底的溫度也很重要。
非晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)有各種不同,其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PiN電池,它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅,再沉積一層未摻雜的i層,然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅,最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜,并蒸鍍銀電極。此種制作工藝,可以采用一連串沉積室,在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序,以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時,非晶硅太陽電池很薄,可以制成疊層式,或采用集成電路的方法制造,在一個平面上,用適當?shù)难谀9に?,一次制作多個串聯(lián)電池,以獲得較高的電壓。因為普通晶體硅太陽電池單個只有0.5伏左右的電壓,現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽電池可達2.4伏。