晶体硅、薄膜和纳米结构太阳电池研究

　　摘

要：晶体硅电池和薄膜电池是以太阳能作为蓄能手段的电池，在生产生活中被广泛

应用。本文对晶体硅电池与薄膜电池存在的问题与特性做了详细的说明，并简要介绍了处于
研发阶段的纳米结构太阳电池。

　　关键词：晶体硅；薄膜；纳米结构

　　太阳能是有巨大开发潜能的清洁能源。随着现代科技成果的普及，太阳能被广泛利用。
晶体硅电池和薄膜电池被广泛应用。新一代纳米结构电池也在研发中。本文将介绍晶体硅、薄
膜、纳米结构三种太阳电池的存在问题及技术特性。

1 晶体硅电池

　　晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池，成本较高，但工艺和材料
技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶
硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的

80%以上。

1.1 单晶硅电池

　　单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。单晶硅太阳电池使用的
硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专
门为生产太阳电池制备的单晶硅。单晶硅电池工艺技术成熟，转化效率高，商品单晶硅电池
和组件的转化效率为

14%-17%，加入新技术之后可超过 20%。改进单晶硅电池的课题主要

集中于如何提高转化效率；提高晶体质量。单晶硅太阳电池转化效率高，但是单晶硅材料价
格较高，工艺较为繁琐，因此单晶硅太阳电池的主要问题是成本较高。

1.2 多晶硅电池

　　多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多
晶硅等材料。与单晶硅相比，多晶硅太阳电池存在的问题是晶粒间界和晶粒的不同取向，晶
粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态势光生载流子的复合中心，影响多晶硅太
阳能电池的特性和效率。一种解决办法是，控制晶体凝固过程的晶粒形状和尺寸，从而降低
界面态密度、提高多晶硅太阳电池性能。工艺过程中的温度分布、凝固速度、固液界面形状会
影响晶锭的晶粒形状和尺寸，这些工艺参数取决于冷源散热情况、坩埚厚度和加热器的热量
分布，因此铸锭的设备对生产出的多晶硅电池有重要的影响。根据研究结果显示，为了生产
出高质量的多晶硅电池，需要满足如下生产设备条件：第一，石墨托侧壁的厚度在满足支
撑作用的前提下要尽可能薄；第二石墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭；第三，
石英坩埚的厚度和冷源半径最佳值需要结合实际参数来确定；第四，铸锭过程的首位阶段
加热器降温速率需要足够小使得结晶应力不至过于集中而导致晶锭开裂。

1.3 带状硅电池

　　带状硅制备不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，从而降低电池材料成本。带状
硅生长的主要方法有条带法、蹼状法、定边喂膜生长法等。带状硅太阳电池转化效率约为
15%，略低于单晶硅电池。
　　

2 薄膜电池

　　晶体硅太阳电池通常制造在厚度

350-450 微米的高质量硅片上，硅片从拉制或铸造的

晶锭上切割而成，消耗较多硅材料，因此从

1970 年代开始，在廉价衬底上沉积薄膜制造成

太阳电池成为新的研究热点。薄膜电池相较晶体硅电池成本更低，

具有更高的竞争力和开

发潜力。

　　碲化镉具有闪锌矿结构，是

II-VI 族化合物半导体材料，光吸收系数高，1 微米的碲化

镉能吸