太阳能电池

背景

光伏太阳能电池是将阳光转化为电能的薄硅盘。这些磁盘可作为多种用途的能源，包括：计算器和其他小型设备；电信;个别房屋的屋顶板；以及为发展中国家的村庄提供照明、抽水和医疗制冷。大型阵列形式的太阳能电池用于为卫星供电，并在极少数情况下为发电厂提供电力。

当对电力的研究开始并制造和研究简单的电池时，对太阳能的研究以惊人的速度进行。早在 1839 年，Antoine-Cesar Becquerel 就曝光了一种化学电池 到太阳看它产生电压。第一次将阳光转化为电能的效率只有 1%。也就是说，百分之一的入射阳光被转化为电能。 Willoughby Smith 在 1873 年发现硒对光敏感； 1877 年，Adams 和 Day 指出，硒在光照下会产生电流。查尔斯·弗里茨 (Charles Fritts) 在 1880 年代也使用镀金硒制造了第一个太阳能电池，但效率也仅为 1%。尽管如此，弗里茨认为他的细胞是革命性的。他设想免费太阳能是一种权力下放的手段，并预测太阳能电池将用单独供电的住宅取代发电厂。

随着阿尔伯特·爱因斯坦在 1905 年对光电效应的解释——金属从光中吸收能量，并将保留这些能量，直到太多的光照射到它——人们重新燃起希望以更高效率的太阳能发电变得可行。然而，直到 1954 年对二极管和晶体管的研究为贝尔科学家 Gordon Pearson、Darryl Chapin 和 Cal Fuller 提供了生产效率为 4% 的硅太阳能电池所需的知识之前，进展甚微。

进一步的工作使电池的效率提高到 15%。太阳能电池首先在佐治亚州偏远的乡村阿默里克斯市用作电话中继系统的电源，并在那里成功使用了多年。

目前尚未开发出完全满足国内能源需求的太阳能电池，但太阳能电池已成功为人造卫星提供能源。在每盎司都很重要的计划中，燃料系统和常规电池太重了。与所有其他传统能源相比，太阳能电池每盎司重量提供的能量更多，并且具有成本效益。

仅有少数大型光伏发电系统建成。大多数努力倾向于向没有其他复杂电力手段的偏远地区提供太阳能电池技术。每年安装约 50 兆瓦，但太阳能电池仅提供约 50 兆瓦。现在生产的电力占总发电量的 1%。太阳能的支持者声称，每年到达地球表面的太阳辐射量可以轻松满足我们数倍的能源需求，但太阳能电池在实现查尔斯弗里茨的免费、完全可用的太阳能发电梦想之前还有很长的路要走.

原材料

太阳能电池的基本成分是纯硅，在自然状态下是不纯的。 为了制造太阳能电池，原材料——石英岩砾石或碎石英的二氧化硅——首先被放入电弧炉，在那里施加碳弧以释放氧气。产物是二氧化碳和熔融硅。此时，硅仍不足以用于太阳能电池，需要进一步纯化。纯硅来源于石英石砾石（最纯的二氧化硅）或碎石英等二氧化硅。然后用磷和硼掺杂（处理）所得的纯硅以分别产生过量电子和缺乏电子，从而使半导体能够导电。硅盘是有光泽的，需要抗反射涂层，通常是二氧化钛。

太阳能模块由金属框架中的保护材料包围的硅半导体组成。保护材料由透明硅橡胶或丁酸塑料（通常用于汽车挡风玻璃）的密封剂组成 结合在细胞周围，然后嵌入乙烯醋酸乙烯酯中。聚酯薄膜（例如聚酯薄膜或 tedlar）构成了背衬。地面阵列上有玻璃盖，卫星阵列上有轻质塑料盖。电子部件是标准的，主要由铜组成。框架是钢或铝。硅被用作水泥将它们组合在一起。

制造
过程

净化硅

• 1 将石英岩砾石或碎石英的二氧化硅放入电弧炉中。然后施加碳弧以释放氧气。产物是二氧化碳和熔融硅。这个简单的过程生产出含有 1% 杂质的硅，可用于许多行业，但不适用于太阳能电池行业。
• 2 99% 的纯硅使用浮区技术进一步提纯。一根不纯的硅棒沿同一方向多次通过加热区。这一过程在每次通过时将杂质“拖”向一端。在特定点，硅被认为是纯的，不纯的一端被去除。

制作单晶硅

• 3 太阳能电池由硅晶锭制成，这种多晶结构具有单晶的原子结构。创建晶锭的最常用过程称为 Czochralski 方法。 在此过程中，将硅晶种浸入熔化的多晶硅中。随着籽晶被取出并旋转，形成圆柱形硅锭或“晶锭”。取出的锭异常纯净，因为杂质往往留在液体中。

制作硅片

• 4 从晶锭上，使用内径切入棒状的圆锯一次一个，或使用多线锯一次切割多个。 （金刚石锯产生的切口与晶片一样宽——5 毫米厚。）只有大约一半的硅从晶锭损失到完成的圆形晶片——如果晶片随后被切割成矩形或六边形。矩形或六边形晶片有时用于太阳能电池，因为它们可以完美地装配在一起，从而利用太阳能电池前表面上的所有可用空间。 初始提纯后，硅在浮区工艺中进一步精制。在此过程中，将硅棒多次通过加热区，将杂质“拖”向棒的一端。然后可以去除不纯的一端。
  接下来，硅晶种是放入直拉生长装置中，将其浸入熔化的多晶硅中。籽晶在取出时旋转，形成非常纯硅的圆柱形硅锭。然后从硅锭上切下晶片。
• 5 然后抛光晶片以去除锯痕。 （最近发现更粗糙的电池更有效地吸收光，因此一些制造商选择不抛光晶片。）

兴奋剂

• 6 用硼和磷掺杂（添加杂质）硅晶片的传统方法是在上述第 3 步的直拉过程中引入少量硼。然后将晶片背对背密封并放入熔炉中，在含磷气体的情况下加热至略低于硅的熔点（2,570 华氏度或 1,410 摄氏度）。磷原子“钻入”硅中，因为它接近于变成液体，所以它的孔隙更多。该过程的温度和时间受到仔细控制，以确保适当深度的均匀结。

  最近一种用磷掺杂硅的方法是使用小粒子加速器将磷离子射入锭中。通过控制离子的速度，可以控制它们的穿透深度。然而，这种新工艺通常不被商业制造商所接受。

放置电触点

• 7 个电触点将每个太阳能电池连接到另一个和产生电流的接收器。触点必须非常薄（至少在前面），以免阻挡阳光照射到电池上。真空蒸发钯/银、镍或铜等金属 此图显示了典型太阳能电池的构成。电池封装在乙烯醋酸乙烯酯中，并放置在具有聚酯薄膜背板和玻璃盖的金属框架中。通过光刻胶、丝网印刷或仅沉积在部分被蜡覆盖的细胞的暴露部分上。所有这三种方法都涉及一个系统，其中不需要接触的电池部分受到保护，而电池的其余部分则暴露在金属中。
• 8 触点就位后，将细条（“手指”）放置在电池之间。最常用的带材是镀锡铜。

抗反射涂层

• 9 因为纯硅有光泽，所以它可以反射高达 35% 的阳光。为了减少损失的阳光量，在硅片上涂上了一层抗反射涂层。最常用的涂层是二氧化钛和氧化硅，但也使用其他涂层。用于涂层的材料要么被加热，直到其分子沸腾并移动到硅并凝结，要么材料经历溅射。在这个过程中，高压将分子从材料上击落，并将它们沉积在相对电极的硅上。还有一种方法是让硅本身与含氧气或氮气的气体反应形成二氧化硅或氮化硅。商业太阳能电池制造商使用氮化硅。

封装单元格

• 10 然后封装完成的太阳能电池；即密封在硅橡胶或乙烯醋酸乙烯酯中。然后将封装的太阳能电池放入铝框架中，该框架具有聚酯薄膜或泰拉背板以及玻璃或塑料盖。

质量控制

质量控制在太阳能电池制造中很重要，因为许多工艺和因素的差异会对电池的整体效率产生不利影响。主要研究目标是找到在更长的使用寿命内提高每个太阳能电池效率的方法。低成本太阳能电池阵列项目（由美国能源部于 1970 年代后期发起）赞助旨在降低太阳能电池成本的私人研究。测试硅本身的纯度、晶体取向和电阻率。制造商还测试氧（影响其强度和抗翘曲性）和碳（导致缺陷）的存在。检查成品硅盘是否有在锯切、抛光和蚀刻过程中可能发生的任何损坏、剥落或弯曲。

在整个硅盘制造过程中，温度、压力、速度和掺杂剂的数量都受到持续监控。还采取措施确保空气中和工作表面上的杂质保持在最低限度。

然后，完成的半导体必须经过电气测试，以查看每个半导体的电流、电压和电阻是否符合适当的标准。太阳能电池早期的一个问题是当部分遮蔽时倾向于停止工作。通过提供可降低电池危险高压的并联二极管，该问题已得到缓解。然后必须使用部分阴影结点测试分流电阻。

太阳能模块的一项重要测试包括为测试电池提供在正常条件下会遇到的条件和光强度，然后检查它们是否表现良好。电池还暴露在冷热环境中，并进行了振动、扭曲和冰雹测试。

太阳能组件的最终测试是现场测试，将成品组件放置在实际使用的地方。这为研究人员提供了最佳数据，用于确定太阳能电池在环境条件下的效率和太阳能电池的有效寿命，这是所有因素中最重要的因素。

未来

考虑到太阳能电池相对昂贵、效率低下的现状，未来只能改进。一些专家预测到 2000 年这将是一个十亿美元的产业。这一预测得到了日本、德国和意大利等国家正在开发更多屋顶光伏系统的证据的支持。墨西哥和中国已经制定了开始制造太阳能电池的计划。同样，埃及、博茨瓦纳和菲律宾（这三个国家都由美国公司协助）正在建设生产太阳能电池的工厂。

当前的大多数研究旨在降低太阳能电池成本或提高效率。太阳能电池技术的创新包括开发和制造昂贵的晶体硅电池的更便宜的替代品。这些替代品包括模拟光合作用的太阳能窗户，以及由微小的非晶硅球制成的更小的电池。非晶硅和多晶硅已经以牺牲单晶硅为代价而越来越受欢迎。其他创新包括通过棱镜透镜最大限度地减少阴影和聚焦阳光。这涉及吸收不同频率光的不同材料层（特别是砷化镓和硅），从而增加有效用于发电的阳光量。

一些专家预见到混合房屋的适应性；也就是说，利用太阳能热水器、被动太阳能加热和太阳能电池来减少能源需求的房屋。另一种观点涉及航天飞机将越来越多的太阳能电池阵列放入轨道，太阳能卫星向地球太阳能电池阵列农场发射电力，甚至是一个将制造用于地球的太阳能电池阵列的太空殖民地。