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          單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽能電池的區別

          太陽電池最早問世的是單晶硅太陽電池。硅是地球上極豐富的一種元素,幾乎遍地都有硅的存在,可說是取之不盡,用硅來制造太陽電池,原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易,所以人們在生產單晶硅太陽電池的同時,又研究了多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池,至今商業規模生產的太陽電池,還沒有跳出硅的系列。其實可供制造太陽電池的半導體材料很多,隨著材料工業的發展、太陽電池的品種將越來越多。目前已進行研究和試制的太陽電池,除硅系列外,還有硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等許多類型的太陽電池,舉不勝舉,以下介紹幾種較常見的硅基太陽電池。
          單晶硅太陽電池
          單晶硅太陽電池是當前開發得最快的一種太陽電池,它的構成和生產工藝已定型,產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%。為了降低生產成本,現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。然后采用絲網印刷法,將配好的銀漿印在硅片上做成柵線,經過燒結,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。
          單體片經過抽查檢驗,即可按所需要的規格組裝成太陽電池組件(太陽電池板),用串聯和并聯的方法構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。用戶根據系統設計,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換平均效率為19%左右,個別公司最近推出的新產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。目前太陽電池使用的多晶硅材料,多半是含有大量單晶顆粒的集合體,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,經破碎,用1:5的氫氟酸和硝酸混合液進行適當的腐蝕,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,節約電耗,總的生產成本較低,因此得到大量發展。隨著技術得提高,目前多晶硅的轉換效率也可以達到18%左右。非晶硅太陽電池是1976年有出現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構有各種不同,其中有一種較好的結構叫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,在生產中構成連續程序,以實現大批量生產。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,用適當的掩模工藝,一次制作多個串聯電池,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,現在日本生產的非晶硅串聯太陽電池可達2.4伏。目前非晶硅太陽電池存在的問題是光電轉換效率偏低,國際先進水平為10%左右,且不夠穩定,常有轉換效率衰降的現象,所以尚未大量用于作大型太陽能電源,而多半用于弱光電源,如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。估計效率衰降問題克服后,非晶硅太陽電池將促進太陽能利用的大發展,因為它成本低,重量輕,應用更為方便,它可以與房屋的屋面結合構成住戶的獨立電源。在猛烈陽光下,單晶體式太陽能電池板較非晶體式能夠轉化多一倍以上的太陽能為電能,但可惜單晶體式的價格比非晶體式的昂貴兩三倍以上,而且在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽能。

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