太阳电池的基本结构与种类

yqltsm

2017/11/20

私聊

物理知识

目前，单晶硅太阳电池的输出电压约为0.6V左右，其最大输出的功率和太阳电池本身的效率与表面积有关。譬如说一个效率16%、6时的太阳电池，最大输出功率约为2.5W。一个太阳电池输出电压和输出功率对大部分的电器产品相对偏低，要和一般用电兼容或配合应用，就将多个太阳电池并联和串联起来形成模块(module),其中串联的功用，是为了提高输出电压，而并联的功用，是为了增加输出功率。同样的道理，若需要再提高模块的输出电压或输出功率，多个模块并联或串联起来就形成数组（array)系统。而一般太阳能应用系统（system),不仅只有电池、模块、或数组，还可能包括储电装置(storage devices)、功率调器（power conditioner)、和安装固定结构（mounting structures),这些接口设备，统称为平衡系统（balance of systems)。下面，我们就简单地介绍太阳电池的基本结构，了解太阳电池工作原理、制造程序，包括半导体材料。
在不同的材料和制造工艺程序下，会产生不同结构的太阳电池。但归纳而言，太阳电池最基本的结构可分为基板、p-n二极管、抗反射层、和金属电极四个主要部分。基板（substrate)是太阳电池的主体，p-n二极管是光生伏特效应的来源，抗反射层乃在减少入射光的反射来增强光电流，金属电极则是连接器件和外部负载。
所谓ingot-based的太阳电池是使用芯片（wafer) 当基板，芯片本身就是光生伏特的作用区。因为是用芯片作基板，一般就使用扩散（diffusion)工艺技术，在p-型芯片上进行n-型扩散，或在n-型芯片上进行p-型扩散，形成p-n二极管。单晶娃和多晶硅太阳电池都是ingot-based，其芯片是由硅ingot切割而得。工业界使用的太阳电池硅芯片，大都是p型。当然硅芯片的制造，不一定非由ingot切割不可，也有其它特殊的方式，如ribbon或sheet制造方式。
薄膜太阳电池则可以使用玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板，非晶或多晶薄膜光生伏特器件则沉积在基板上，基板本身并不参与光生伏特作用。在薄膜太阳电池制造上，可使用各式各样的沉积技术，一层又一层地把P-型或n-型材料沉积上去。常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CUInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe薄膜。随着薄膜技术的发展， microcrystalline，甚至nanocrytalline硅薄膜也被研究开发。薄膜太阳电池大优点就是生产成本较低，但其效率和稳定性较差。
III-V族（如GaAs、InP、GaN)太阳电池，则是使用不同的外延（epitaxy) 技术，如 metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD)，或 molecular beam epitaxy (MBE)方法，将p-型和n-型晶体直接长在芯片基板上，而基板本身通常也不参与光生伏特作用。这样的epitaxy方式生长晶体的优点，使得电池结构多样化，例如：异质结、多结、量子井、量子点、和超晶格等结构。正因如此，III-V族太阳电池通常具有较高的效率，但其生产成本也相对的偏高。
太阳电池的光照面一般都会有抗反射层或texture结构，来减少入射阳光的反射。如果没有的话，入射阳光会有约30%的反射损失，这对太阳电池而言足是相当严重的。晶硅太阳电池一般是使用氮化硅（SiN)来形成抗反射层，它不仅能有效地减少入射光的反射，而且还有钝化（passivation)的作用，甚至能保护太阳电池，有防刮伤、防湿气等功能。除了使用抗反射层外，一般单晶硅太阳能电池，期光照的表面都会先经过texture处理，来更进一步地减少入射阳光的反射。这个texture处理，会在表面形成大小不等的金字塔（pyramid)结构，让入射光至少要经过芯片表面的二次反射，因此就大大地降低了入射光经过第一次反射就折冋的几率。需要注意的是，因texture金字塔的大小约儿个um, 而一般n-型扩散的深度只有0.5um作用，所以二极管实际上是形成于textur金字塔的表面。手持万用表 http://www.hyxyyq.com
太阳电池需要金属电极一层来连接外部的电路。通常，光入射的表面有二条平行条状金属电极来提供外界连接的焊接处。背表面通常会全部涂上一层所谓的back surface field (BSF)金属层，在光入射的表面，会从条状金属电极，伸展出一列很细的金属手指（finger)。BSF金属层可以增加载流子的收集，还可回收没有被吸收的光子。金属finger的设计，除了要能有效地收集载流子，而且要尽量减少金属线遮蔽入射光的比例，因光照面的金属线通常会遮蔽3〜5%的入射光。太阳电池金属电极用的材料通常是铝和其它金属的合金，但在薄膜太阳电池中，为了实现一体成型（monolithically)的要求，上层金属电极则会使用透明导电的氧化物 transparent conducting oxide (TCO)。
必须注意的是，有别于一般平板（flat plate)模块的结构，太阳电池还可以使用额外的聚光器（concentrator)来增加入射光的强度。聚光器可以是一般透镜，或是特殊结构的Fresne透镜，或者甚至是Fresnel zone plate。聚光器的使用，可以大幅度地提高系统光照的有效面积。但是，聚光器要求太阳电池的正射，因此应用上必须配合tracking系统。

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