多晶硅太陽能電池

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處於萌芽階段。太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。

太陽能光伏電池通常用晶體硅或薄膜材料製造，前者由切割、鑄錠或者鍛造的方法獲得，後者是一層薄膜附著在低價的襯背上。目前市場生產和使用的太陽能光伏電池大多數是用晶體硅材料製作的，2006年佔93％左右；未來發展的重點可能是薄膜太陽電池，它因用材少、重量小、外表光滑、安裝方便而更具發展潛力。

太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類。

1.硅太陽能電池

硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

（1）單晶硅太陽能電池

目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高的達到24％，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，，技術也最為成熟但製作成本很大，以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由於單晶硅一般採用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。

單晶硅太陽能電池是當前開發得最快的一種太陽能電池，它的構造和生產工藝已定型，產品已廣泛用於空間和地面。這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。為了降低生產成本，現在地面應用的太陽能電池等採用太陽能級的單晶硅棒，材料性能指標有所放寬。

（2）多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽電池的製作工藝與單晶硅太陽電池差不多，但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少，其光電轉換效率約12％左右(2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽能電池)。從製作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些，材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。

多晶硅太陽能電池的生產需要消耗大量的高純硅材料，而製造這些材料工藝複雜，電耗很大，在太陽能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，切片製作太陽能電池也是圓片，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能電池的研製。

（3）非晶體薄膜太陽能電池

非晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅和多晶硅太陽電池的製作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗更低，成本低重量輕，轉換效率較高，便於大規模生產，它的主要優點是在弱光條件也能發電，有極大的潛力。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，目前國際先進水平為10％左右，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那麼，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

2．多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。

硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，並且也易於大規模生產，但由於鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，並不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。

砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合於製造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點，將成為今後發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由於銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。

3．聚合物多層修飾電極型太陽能電池

在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導電材料（電極）表面進行多層複合，製成類似無機P－N結的單嚮導電裝置。其中一個電極的內層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉移方向只能由內層向外層轉移；另一個電極的修飾正好相反，並且第一個電極上兩種聚合物的還原電位均高於後者的兩種聚合物的還原電位。當兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時．光敏化劑吸光后產生的電子轉移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉移，只能通過外電路通過還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產生。

由於有機材料柔性好，製作容易，材料來源廣泛，成本底等優勢，從而對大規模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料製備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待於進一步研究探索。

4.納米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發展最成熟的，但由於成本居高不下，遠不能滿足大規模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。自瑞士Gratzel教授研製成功納米TiO2化學大陽能電池以來，國內一些單位也正在進行這方面的研究。納米晶化學太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料採用過渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2並製成電極，此外NPC電池還選用適當的氧化一還原電解質。納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態，激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶，染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償，進入TiO2導帶中的電於最終進入導電膜，然後通過外迴路產生光電流。

納米晶TiO2太陽能電池的優點在於它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10％以上，製作成本僅為硅太陽電池的1/5－1/10．壽命能達到2O年以上。但由於此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

我國對太陽能電池的研究開發工作高度重視，早在七五期間，非晶硅半導體的研究工作已經列入國家重大課題；八五和九五期間，我國把研究開發的重點放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月，國家發改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發計劃，發改委"光明工程"將籌資100億元用於推進太陽能發電技術的應用，計劃到2005年全國太陽能發電系統總裝機容量達到300兆瓦。

2002年，國家有關部委啟動了"西部省區無電鄉通電計劃"，通過太陽能和小型風力發電解決西部七省區無電鄉的用電問題。這一項目的啟動大大刺激了太陽能發電產業，國內建起了幾條太陽能電池的封裝線，使太陽能電池的年生產量迅速增加。我國目前已有10條太陽能電池生產線，年生產能力約為4.5MW,其中8條生產線是從國外引進的，在這8條生產線當中，有6條單晶硅太陽能電池生產線,2條非晶硅太陽能電池生產線。據專家預測，目前我國光伏市場需求量為每年5MW,2001～2010年，年需求量將達10MW,從2011年開始，我國光伏市場年需求量將大於20MW。

目前國內太陽能硅生產企業主要有洛陽單晶硅廠、河北寧晉單晶硅基地和四川峨眉半導體材料廠等廠商，其中河北寧晉單晶硅基地是世界最大的太陽能單晶硅生產基地，佔世界太陽能單晶硅市場份額的25％左右。

在太陽能電池材料下游市場，目前國內生產太陽能電池的企業主要有保定英利新能源、無錫尚德、開封太陽能電池廠、雲南半導體器件廠、秦皇島華美光伏電子、浙江中意太陽能、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等公司，總計年產能在120MW以上。