太陽能電池板原理和製作

太陽能是人類的最好能源，它取之不盡用之不竭並且可以再生的特性決定了它必將成為人類最廉價和實用的能源。太陽能電池板是清潔能源，沒有任何環境汙染。大陽能光電近些年發展很快，是最具活力的研究領域，也是最受矚目的專案之一。

製作太陽能電池板的方法主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能後發生光電於轉換反應，根據所用材料的不同，可分為：矽基太陽能電池和薄膜太陽能電池，今天主要給大家講矽基太陽能電池板。

一、矽太陽能電池板

1．矽太陽能電池工作原理與結構圖太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。當矽晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，矽晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導體。同樣，摻入磷原子以後，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多餘的電子。如下圖。

P型半導體中含有較多的空穴，而N型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN接面。

當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交介面區域裡會形成一個特殊的薄層)，介面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由於P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡後，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN接面。

當晶片受光後，PN接面中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流。然後在PN接面中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示）

由於半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結後如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部塗上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。 另外矽表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它塗上了一層反射係數非常小的保護膜（如圖），實際工業生產基本都是用化學氣相沉積沉積一層氮化矽膜，厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，於是人們又將很多電池（通常是36個）並聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。 2．矽太陽能電池的生產流程通常的晶體矽太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量矽片上製成的，這種矽片從提拉或澆鑄的矽錠上鋸割而成。

上述方法實際消耗的矽材料更多。為了節省材料，目前製備多晶矽薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來製備多晶矽薄膜電池。

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; 化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成矽原子並沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非矽襯底上很難形成較大的晶粒，並且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在 襯底上沉積一層較薄的非晶矽層，再將這層非晶矽層退火，得到較大的晶粒，然後再在這層籽晶上沉積厚的多晶矽薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環 節，目前採用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶矽薄膜電池除採用了再結晶工藝外，另外採用了幾乎所有制備單晶矽太陽能電池的技術，這樣製得的 太陽能電池轉換效率明顯提高。

現階段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溼式太陽能電池則還處於萌芽階段。

全球太陽能電池產業現狀

據Dataquest的統計資料顯示,目前全世界共有136 個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中,其中有95 個國家正在大規模地進行太陽能電池的研製開發,積極生產各種相關的節能新產品。1998年,全世界生產的太陽能電池,其總的發電量達1000兆瓦,1999年達 2850兆瓦。2000年,全球有將近4600 家廠商向市場提供光電池和以光電池為電源的產品。

目前,許多國家正在制訂中長期太陽能開發計劃,準備在21世紀大規模開發太陽能，美國能源部推出的是國家光伏計劃, 日本推出的是陽光計劃。NREL光伏計劃是美國國家光伏計劃的一項重要的內容，該計劃在單晶矽和高階器件、薄膜光伏技術、PVMaT、光伏元件以及系統性能和工程、 光伏應用和市場開發等5個領域開展研究工作。

美國還推出了"太陽能路燈計劃",旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據計劃,每盞路燈每年可節電 800 度。日本也正在實施太陽能"7萬套工程計劃"， 日本準備普及的太陽能住宅發電系統,主要是裝設在住宅屋頂上的太陽能電池發電裝置,家庭用剩餘的電量還可以賣給電力公司。一個標準家庭可安裝一部發電3000瓦的系統。歐洲則將研究開發太陽能電池列入著名的"尤里卡"高科技計劃，推出了"10萬套工程計劃"。 這些以普及應用光電池為主要內容的"太陽能工程"計劃是目前推動太陽能光電池產業大發展的重要動力之一。

日本、韓國以及歐洲地區總共8個國家最近決定攜手合作,在亞洲內陸及非洲沙漠地區建設世界上規模最大的太陽能發電站,他們的目標是將佔全球陸地面積約1/4的沙漠地區的長時間日照資源有效地利用起來,為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計劃將從2001年開始，花4年時間完成。

目前,美國和日本在世界光伏市場上佔有最大的市場份額。 美國擁有世界上最大的光伏發電廠,其功率為7MW,日本也建成了發電功率達1MW的光伏發電廠。全世界總共有23萬座光伏發電裝置,以色列、澳大利亞、紐西蘭居於領先地位。

20世紀90年代以來,全球太陽能電池行業以每年15%的增幅持續不斷地發展。據Dataquest釋出的最新統計和預測報告顯示,美國、日本和西歐工業發達國家在研究開發太陽能方面的總投資, 1998年達570億美元;1999年646億美元;2000年700億美元;2001年將達820億美元;2002年有望突破1000億美元。

我國太陽能電池產業現狀

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,非晶矽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&qu

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ot;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。這一專案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條單晶矽太陽能電池生產線,2條非晶矽太陽能電池生產線。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。

目前國內太陽能矽生產企業主要有洛陽單晶矽廠、河北寧晉單晶矽基地和四川峨眉半導體材料廠等廠商，其中河北寧晉單晶矽基地是世界最大的太陽能單晶矽生產基地，佔世界太陽能單晶矽市場份額的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無錫尚德、南京中電、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、蘇州阿特斯、常州天合、雲南天達光伏科技、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等公司，總計年產能在800MW以上。

2009年，國務院根據工信提供的報告指出多晶矽產能過剩，實際業界人並不認可，科技部已經表態，多晶矽產能並不過剩[1]。

太陽能電池及太陽能發電前景簡析目前,太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、 通訊、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kW電需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。

但是，從長遠來看，隨著太陽能電池製造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明，各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規模地利用太陽能開闢廣闊的前景。