2.3 太阳电池的特点和分类
2.3.1 太阳电池的特点
太阳能光伏发电具有以下许多优点是未来能源非常需要的：①它不受地域限制，有阳光就可发电；②发电过程是简单的物理过程，无任何废气废物排出，对环境基本上没有影响；③太阳电池静态运行，无运转部件，无磨损，可靠性高，没有任何噪声；④发电功率由太阳电池决定，可按所需功率装配成任意大小；⑤既便于作为独立能源，也可与别的电源联网使用；⑥寿命长（可达20年以上）；⑦太阳电池重量轻、性能稳定、灵敏度高；⑧太阳寿命长，因而太阳能发电相对来说是无限能源。它是一种通用的电力技术，可以用在许多或大或小的领域，可用于任何有阳光的地方，可以安装到任何物体表面，也可以集成到建筑结构中，容易实现无人化和全自动化。由于这些特点，太阳电池在各国空间技术当中有着广泛使用。
2.3.2 太阳电池的分类
在太阳电池的整个发展历程中，人们先后开发出各种不同结构和不同材料的电池。从结构方面分，主要有同质P-N结电池、肖特基（MS）电池、MIS电池、MINP电池、异质结电池等，其中同质P-N结电池自始至终占着主导地位；从材料方面分，主要有硅系太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、有机半导体薄膜太阳电池、纳米晶化学太阳电池等；从材料外形特点方面分，分为体材料和薄膜材料。
2.3.2.1 晶硅太阳电池
晶硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。
（1）单晶硅太阳电池
这是太阳电池中转换效率最高、技术最为成熟的太阳电池。这是因为单晶硅材料及其相关的加工工艺成熟稳定，单晶硅结构均匀，杂质和缺陷含量少，电池的转化效率高。为了产生低的接触电阻，电池的表层区域要求重掺杂，而高杂质浓度会增强这一区域少数载流子的复合速率，使该层的少子寿命极低，所以称其为“死层”。而这一区域恰又是最强的光吸收区，紫光和蓝光主要在这里吸收，通常采用减薄太阳电池N+层的厚度为0.1～0.2μm，即采用“浅结”技术，并将表面磷浓度控制在固溶度极限值以下，这样制成的太阳电池可以克服“死层”的影响，提高电池的蓝-紫光响应和转换效率，这种电池被称为“紫电池”。另外， 在电池基体和底电极间建立一个同种杂质的浓度梯度，制备一个P-P+或N-N+高低结，形成背电场，可以提高载流子的有效收集，改善太阳电池的长波响应，提高短路电流和开路电压，这种电池被称为“背场电池”。20世纪80年代Green小组集以上技术于一身开发了“刻槽电池”。该电池用激光刻槽技术，进行二次重掺杂，与印刷法相比，此法将电池效率提高了10%～15%。后来又发展了表面钝化技术，从PESC电池的薄氧化层（<10nm）到PERC、PERL电池的厚氧化层（约110nm），热氧化表面钝化技术可以把表面态密度降到1010/cm2以下，表面复合速度降到低于100cm/s。各种技术的使用促使单晶硅电池的转换效率提高到了24.7%，根据专家预测单晶硅电池的极限效率为29%。为了降低电池的成本，在提高转换效率的同时，目前人们正在探索减薄电池厚度的方法，即实现薄片化。
（2）多晶硅太阳电池
一般采用专门为太阳电池使用而生产的多晶硅材料。目前应用最广的多晶硅制造方法是浇铸法，也称为铸造法。多晶硅太阳电池一般采用低等级的半导体多晶硅，采用的多晶硅片大部分是从控制或者铸造的晶硅锭切割而成的。多晶硅锭是以半导体工业的次品硅、废次单晶及冶金级硅粉等为原材料熔融浇铸而成的。目前，随着太阳电池产量的爆炸式发展，上述原料已经不能满足太阳电池产业的需要，现在正在形成专门以多晶硅太阳电池作为目标的生产产业。
为了减少硅片切割时的损失，采用直接由熔融的硅制备太阳电池所需多晶硅片，用此法制备的电池一般被称为带硅电池。制备带硅的两种方法：一种被称为EFG“定边喂膜法”，工业应用中先生长八面多晶硅管，再把每面切成硅片；另一种被称为“蹼状结晶法”，Evergreen Solar 公司采用此法，方法是用细炭棒把熔融的硅限制并从熔池拉出，限在两细棒中的硅液冷却凝固生成带硅。与单晶硅太阳电池相比，多晶硅太阳电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳电池比较接近，因此，近年来多晶硅高效电池的发展很快，其中比较有代表性的电池是Geogia Tech电池、UNSW电池、Kyocera电池等。在近年来生产的太阳电池中多晶硅太阳电池超过单晶硅太阳电池占52%，是太阳电池的主要产品之一。但是，与现有能源价格相比，由于发电成本仍然过高，晶硅太阳电池不能广泛地进行商业推广。
2.3.2.2 薄膜太阳电池
根据制备太阳能电池的材料，薄膜太阳电池可以分为如下几类。
（1）多元化合物薄膜太阳电池
铜铟硒（CIS）薄膜太阳电池 ：CuInSe2的带隙为1.53eV，被看作理想的光伏材料，它只靠引入自身缺陷便可形成电导很高的P型和N型，这就降低了电池对晶粒大小、杂质含量、缺陷的要求，电池效率已达到15.4%。掺入适量的Ga、Al或S可以增大它的带隙，用于制作高效单结或叠层电池。CuInSe2 是一种三元Ⅰ-Ⅲ- Ⅵ2 族化合物半导体，CuInSe2 是一种直接带隙半导体材料，吸收率高达105/cm。CuInSe2 的电子亲和势为4.58eV，与CdS的电子亲和势（4.50eV）相差很小（0.08eV），这使得它们形成的异质结没有导带尖峰，降低了光生载流子的势垒。CuInS
薄膜生长工艺如下：一般采用真空蒸发法、Cu-In 合金膜的硒化处理法（包括电沉积法和化学热还原法）、封闭空间的气相输运法（CsCVT）、喷涂热解法、射频溅射法等。CIS 太阳电池是在玻璃或其他廉价衬底上分别沉积多层薄膜而构成的光伏器件，其结构为：光→金属栅状电极/减反射膜/窗口层（ZnO）/过渡层（CdS）/光吸收层（CIS）/金属背电极（Mo）/衬底。
碲化镉薄膜太阳电池：CdTe有1.5eV的直接带隙，它的光谱响应与太阳光谱十分吻合，在可见光段有很高的吸收系数，1μm厚就能吸收90%。CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物，由于CdTe 膜具有直接带隙结构，其光吸收系数极大，因此降低了对材料扩散长度的要求。以CdTe作为吸收体的薄膜半导体材料与窗口层CdS形成异质结太阳电池，其结构为：光→减反射膜（MgF2）/玻璃衬底/透明电极（SnO2：F）/窗口层（CdS）/吸收层（CdTe）/欧姆接触过渡层/金属背电极。制备方法有升华、MOCVD、CVD、电沉积、丝网印刷、真空蒸发以及原子层外延等多种方法，采用各种方法都曾做过转换效率10%以上的CdTe薄膜太阳电池。其中，以CdS/CdTe结所沉积的电池效率达到了16.5%。
砷化镓薄膜太阳能电池：该电池材料禁带宽度适中，耐辐射和高温性能比硅强，太阳电池可以得到较高的效率，实验室最高效率已达到24%以上，一般航天用的太阳电池效率也在18%～19.5%之间。在单晶衬底上生长的单结电池效率为GaInP2/GaAs级联电池的理论效率的36%，实验室中已制出了面积4m2、转换效率30.28%的叠层太阳电池。砷化镓太阳电池目前大多用液相外延方法或金属有机化学气相沉积技术制备，因此成本高，产量受到限制，降低成本和提高生产效率已成为研究重点。砷化镓太阳电池目前主要用在航天器上。
（2）有机半导体薄膜太阳电池
有机半导体有许多特殊的性质，可用来制造许多薄膜半导体器件，如：场效应晶体管、场效应电光调制器、光发射二极管、光伏器件等。有机半导体吸收光子产生“电子-空穴对”，结合能大约为0.2～1.0eV，P型半导体材料和N型半导体材料的界面“电子-空穴对”的解离，导致高效的电荷分离，形成通常所说的异质结型太阳能电池。用于光伏器件的有机半导体粗略地分为分子型有机半导体和聚合物型有机半导体两类，后来又出现了双层有机半导体异质结太阳电池。有机半导体根据其化学性能可归为可溶、不可溶和液晶三类；有时也按单体分为染料、色素和聚合体三类。对有机半导体的掺杂采用引入其他分子和原子，也可采用电化学的方法对其进行氧化处理。能使它成P型的杂质有Cl2、Br2、I2、NO2、 TCNQ、CN-PPV等。掺杂碱金属可以使其成N型。
（3）染料敏化纳米薄膜太阳电池
染料敏化纳米薄膜电池是瑞士的Michel Graetzel博士发明的电池。纳米晶化学太阳电池（简称NPC电池）是由一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化-还原电解质。纳米晶TiO2的工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光生电流。它是纳米的二氧化钛多孔薄膜经过光敏染料敏化，使光电化学电池的效率得到极大提高的一种新型电池。这种电池在室外具有稳定的效率，1998年瑞士的小面积电池的效率为12%。一些国家进行了中试，具体电池效率是：德国INAP的30cm×30cm为6%；澳大利亚STI的 10cm×20cm为5%。我国以中科院等离子体物理研究所为主要承担单位的大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池研究项目建成了500W阵列规模的小型示范电站，使我国在该研究领域的某些方面进入了世界领先行列。
（4）非晶硅薄膜太阳电池
非晶硅是最早商业化的薄膜电池。典型的非晶硅（α-Si）太阳电池是在玻璃衬底上沉积透明导电膜（TCO），利用等离子反应沉积P型、I型、N型三层α-Si，接着在上面蒸镀金属电极Al/Ti。光从玻璃层入射，电池电流经透明导电膜和金属电极Al/Ti引出，其结构为玻璃/TCO/P-I-N/Al/Ti，衬底也可采用塑料膜、不锈钢片等。非晶硅引入大量的氢（10%）后，禁带宽度从1.1eV升高到1.7eV，有很强的光吸收性。另外，在较薄的P层和N层间加入一层厚的“本征层”，形成P-I-N结构。以杂质缺陷较少的I层作为主要吸收层，在光生载流子的产生区形成电场，增强了载流子的收集效果。为了降低顶部薄掺杂层的大横向电阻带来的损失，电池的上电极采用透明导电膜，并且在透明导电薄膜上制备织构增强透光。目前，使用最多的透明导电材料是SnO2和ITO（In2O3和SnO2的混合物），ZAO（掺铝氧化锌）被认为是新型的优良透明导电材料。由于太阳光的能量分布较宽，半导体材料只能吸收能量比其能隙值高的光子，其余的光子就会转化成热能，而不能通过光生载流子传给负载转化成有效电能，因此，对于单结太阳能电池，就算是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限也只有29%左右。以前，非晶硅电池多为单结电池形式，后来发展起双结叠层电池，可以更有效地收集光生载流子。BP Solar采用Si-Ge合金作为底电池材料，因Si-Ge合金的禁带较窄，作为底层电池材料增强了电池的光谱响应。Beckaert 采用不同Ge含量的非晶硅制作两个底层电池的三结串接电池创造了非晶硅电池组件的最高稳定效率6.3%。在薄膜太阳电池中，非晶硅电池首先实现了商品化，1980年日本三洋电气公司利用α-Si太阳电池制成袖珍计算器，1981年便实现了工业化生产，α-Si电池的年销售量曾占到世界光伏销量的40%。随着非晶硅电池性能的不断提高，成本不断下降，其应用领域也在不断扩大。由计算器扩展到各种消费产品及其他领域，如太阳能收音机、路灯、微波中继站、交通道口信号灯、气象监测以及光伏水泵、户用独立电源、与电网并网发电等。
（5）多晶硅薄膜太阳电池
多晶硅薄膜电池的研究工作开始于20世纪70年代，比非晶硅薄膜电池还要早，但是当时人们的注意力主要集中在非晶硅薄膜电池上，在非晶硅薄膜电池的研究工作遭遇难于解决的问题后，人们很自然地更多关注多晶硅薄膜电池。由于多晶硅薄膜电池使用的硅材料远比单晶硅电池少，不存在非晶硅薄膜电池的光致衰减问题，并且有可能在廉价衬底上制备，预期成本远低于单晶硅电池，人们有希望使太阳能电池组件的成本降至1美元/W左右。多晶硅薄膜电池还可以作为非晶硅串结电池的底电池，可以提高电池的光谱响应和寿命，因此1987年以来发展比较迅速。现在多晶硅薄膜电池光电性能稳定，Astropower公司最高实验室效率达到了16%。目前制备的多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。LPE法生长技术已经广泛用于高质量和化合物半导体异质结构，如GaAs、AlGaAs、Si、Ge及SiGe等。其原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率可达12.2%。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳电池，称为“硅粒”太阳电池。
目前由马丁·格林教授领导的新南威尔士大学第三代太阳能电池研究中心，正积极开展超高效（>50%）太阳能电池的理论研究工作和科学实验工作。研究的重点是如何充分收集由价带跃迁到高层导带的载流子。目前研究实验的电池主要有超晶格电池、“热载流子”电池、量子点电池、新型“叠层”电池和“热光伏”电池等。