4.3.1 单晶硅太阳电池
单晶硅太阳能电池是最早发展起来的。1954年， 恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用 的单晶太阳电池，效率为6%，这也是世界上第一 个实用的太阳能电池。目前，单晶硅电池是除了 GaAs以外效率最高的太阳能电池，稳定性好，并且 实现了规模化生产。
单结晶硅太阳电池 SINGLE CRYSTAL
太阳电池种类和制造方法
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。
太阳电池种类和制造方法
单晶硅太阳电池的特点
单晶硅太阳电池其特征如下： (1) 原料硅的藏量丰富。由于太阳光的密度极低，故实用上需要大面积
太阳能电池对材料的要求
➢ 半导体材料的禁带不能太宽 ➢ 要有较高的光电转换效率 ➢ 材料本身对环境不造成污染 ➢ 材料便于工业化生产且材料性能稳定
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太阳电池种类和制造方法Fra bibliotek太阳电池的分类
种类
第一代太阳 单晶硅 电池 Mono-crystalline
多晶硅 Poly-crystalline
第二代太阳 非晶硅
3~5%
主要制备 方法
优点
MOVPE和 LPE技术
效率较高 成本较单 晶硅低 易于规模
生产
真空蒸镀 法和硒化
法 溶胶凝胶
法 水热反应 溅射法
处于研发 当中
价格低廉 性能良好 工艺简单
成本低廉 工艺简单 性能稳定
易制作 材料广泛 成本低
缺点
原材料镉 有剧毒
原材料来 源比较有
限
寿命短
太阳电池种类和制造方法
太阳能 单电池 效率 15~24%
10~17%
8~13%
太阳能 电池模 块效率 13~20%
10~15%
5~10%
主要制备方 法
表面结构化 发射区钝化
分区掺杂
化学气相沉 积法
液相外延法 溅射沉积法
反应溅射法 PECVD法 LPCVD法
优点
效率最高 技术成熟
无效率衰退 问题
成本远低于 单晶硅
成本较低 转换效率较
太阳电池种类和制造方法
3. 必须有一个静电场，在静电场的作用下，电子-空穴 对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。绝大部分 单晶硅太阳电池利用PN结势垒区的静电场实现分离电子一空 穴对的目的，PN结是单晶硅太阳电池的“心脏”部分；
4. 被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外， 形成电流。
太阳电池种类和制造方法
单晶硅太阳电池的基本结构
单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，多以p型 单晶硅片为基片，其电阻率范围为1-3Ω·cm， 厚度一般为200-300um。
由于单晶硅材料大都来自半导体工业退下的废 次品，因而一些厂家利用的硅片厚度达到0.50.7mm，由于这些硅片的质量完全满足太阳 电池的要求，用来做太阳能电池可得到很好的 效果，一般很容易达到15%以上。
数只有103cm-1 程度，相当小。故为吸收太阳光谱，需要100μm 厚的硅。
太阳电池种类和制造方法
单晶硅光电池制备工艺流程
高效单晶硅太阳电池工艺流程如下： 1)去除损伤层 2)表面绒面化 3)发射区扩散 4)边缘结刻蚀 5)PECDV沉积SiN 6)丝网印刷正背面电极浆料 7)共烧形成金属接触 8)电池片测试。
电池
Amorphous silicon
（薄膜太阳
电池）
染料敏化 DSSC
铜铟硒 CIS
有机 Organic
砷化镓 GaAs
效率 24.7%（UNSW） 16%--17% 12%-17%
13% 5%-8% 12% 8%-12% 6.5% 超过30%
特点 商业化，效率高，成本高
商业化，产品多样
价格低但有衰退
4.3 太阳电池的种类和制造方法
目前商用的太阳电池主要有以下几 种类型：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳 电池、非晶硅太阳电池、碲化镉电池以 及铜铟硒电池等。目前在研究的还有燃 料敏化钠太阳电池、多晶硅薄膜以及有 机太阳电池等。但是实际上应用的主要 还是硅系材料的电池，特别是晶体硅太 阳电池。
太阳电池种类和制造方法
太阳电池种类和制造方法
单晶硅太阳电池的工作原理
单晶硅太阳电池是以光生伏特效应为原理而制成的把 光能直接转换成电能的一种器件，它是用单晶硅材料制成 的。单晶硅太阳电池的工作原理可以概括成下面几个主要 过程：
1. 必须有光的照射，可以是单色光、太阳光或模拟太阳 光源等；
2. 光子注入到单晶硅半导体后，激发出电子-空穴对。 这些电子-空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复 合消失；
价格很低但不稳定 铟是稀有金属 柔性，但不稳定 效率很高，价格贵
第三代太阳 量子点太阳电池
电池
Quantum Dots 热载流子太阳能电池
Hot-carrier
概念 概念
理论极限效率高达68%
太阳电池种类和制造方法
各类太阳能电池的制造方法及研究状况
种类
硅系 太阳 能电 池
材料
单晶 硅
多晶 硅
非晶 硅
高
缺点
工艺繁 琐
成本高 效率低 于单晶
硅
稳定性 不高
太阳电池种类和制造方法
种类
材料
多元化合 物薄膜太 阳能电池
砷化镓 碲化镉 铜铟硒
纳米晶化学太阳能电池
聚合物多层修饰电极型 太阳能电池
单电 池效 率
19~ 32%
10~ 15%
10~ 12%
模块效率 23~30% 7~10% 8~10%
8~11%
~8%
的太阳电池，因此在原材料的供给上相当重要，再加上Si材料本身对环 境影响极低。 (2) 由单晶硅制造技术或p-n接合制作技术，为电子学上Si集成电路的基 础技术，随着技术成熟度增加而进步神速。 (3) Si 的密度低，材料轻。特别是应力相当强，即使厚度在50μm 以下 的薄板，强度也够。 (4) 与多晶硅及非晶硅太阳电池比较，其转换效率较高。 (5) 发电特性极稳定。在灯塔与人造卫星实用上，约有20年耐久性。 (6) 由于能阶构造属于间接迁移型，在太阳光谱的主区域上，光吸收系
太阳电池种类和制造方法
最新动态是单晶硅向超薄、高效发展。不久将 来，可有100um左右甚至更薄的单晶硅电池问 世。德国的研究已经证40um的单晶硅电池的 效率可达20%，有可能借助改进的生产工艺实 现超薄单晶硅电池的工业化生产，并可能达到 已在实验室获得的效率值。
单晶硅电池在实验室实现的转换效率可达 24.7%，为澳大利亚南威尔士大学创造并保持。