许亮（枣庄学院　光电工程学院，山东　枣庄　277160）

现代太阳能电池材料研究与进展

许亮
（枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160）

摘要：本文基于笔者多年在太阳能技术领域的生产管理、调研及教学的相关经验，在长期调研及进行相关理论研究的基础上，以半导体光伏效应的原理为基础，介绍了当今半导体光伏技术领域的材料的生产、研究及发展状况，对相关半导体材料及光伏技术领域的研究有着重要的参考价值和借鉴意义.

关键词：太阳能；半导体；能带

随着社会发展对于绿色能源的需求，太阳能光伏发电成为近十几年来发展最为迅速的技术.本文以笔者对光伏技术的理论知识为基础，对当前太阳能电池的原材料的开发研究及应用状况进行系统的调研和探讨，对当今光伏业界纷繁复杂的半导体材料进行系统的总结，对相关半导体材料技术的发展方向起到借鉴作用.

1　太阳能电池基本原理及相应性能参数

1.0基本原理

太阳能电池的核心组件为一个P-N结结构，其势垒区的内建电场E由N端指向P端.受光时若入射的光子能量hv大于该PN结半导体的禁带宽度，则半导体价带电子吸收光子能量后，克服禁带的能量势垒跃迁至导带成为自由电子，同时在价带留下空穴，即在半导体内产生光生电子-空穴对，其受到PN结内建电场E的作用分别向N端和P端定向移动，使N极、P极两端分别带负、正电，当在PN结两端接入电路既有光生电流的产生，完成电能的输出，称为“光伏效应”[1].具体原理结构如图1-1所示.

图1-1

1.1性能参数

太阳能电池的性能参数主要包括：短路电流Isc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax、填充因子FF和转换效率η 等[2].

1.1.1短路电流Isc

短路电流Isc为太阳能电池正负电极短接时的电流，由欧姆定律，其由太阳能电池的光生电压和内阻决定.

1.1.2开路电压Voc

开路电压Voc为太阳能电池两端开路时的输出电压，由1.0的内容可知，其取决于PN结内建电场的大小及光生载流子的浓度.通常禁带宽度越大的半导体材料，电子从导带跃迁回价带的能量改变量越大，因此复合作用减小，光生载流子可保持较高浓度；但禁带宽度过大会影响半导体对光子的吸收.

1.1.3最大输出功率Pmax

最大输出功率Pmax为太阳能电池所能输出的最大功率，此时太阳能电池的输出电压和输出电流分别记为Vop 和Iop，则最大输出功率Pmax=Vop×Iop，由欧姆定律，电池的输出电压及输出功率与负载有关.

1.1.4填充因子FF

填充因子FF为最大输出功率Pmax与其短路电流Isc、开路电压Voc的乘积之比：

填充因子FF反映了太阳能电池的输出效率，其值小于1.

1.1.5转换效率η

转换效率η为太阳能电池的最大输出功率与入射到太阳能电池表面的光的能量之比，即：

它反映了太阳能电池将光能装换成电能的能力.

由前述太阳能电池基本原理可知，其性能取决于以下因素：（1）电池板PN结，尤其是PN结势垒区的受光面积. （2）电池板对光子的吸收能力.禁带过宽的半导体光子吸收系数较低，故转换效率不高.（3）载流子迁移率，较高的迁移率使载流子更容易在PN结内建电场的作用下向电池两级定向漂移而形成电压.

因此，当前主要通过利用半导体工艺不断改进太阳能电池的结构和采用不同的半导体材料以增加光电转换效率两个方面来提升太阳能电池的性能.

2　太阳能电池的原材料

2.0前述

太阳辐射光谱的分布范围以0.3μm的紫外线到数μm的红外线为主，对应的光子能量约在0.4eV到4eV之间.因此理想的太阳能电池材料带隙宽度适中，最好在1.leV 到1.7eV之间；同时最好为直接能隙，其较间接能隙而言更易激发出光生载流子.基于上述要求，当前太阳能电池材料主要有单晶硅，多晶硅，化合物半导体等.

2.1硅基太阳能电池

硅作为原料丰富且工艺最成熟的半导体，因较高的转换效率和稳定性好的优点，在短期内将依然是太阳能电池的主流材料.

2.1.1单晶硅

单晶硅是研究应用最早的太阳能材料.纯净单晶硅的禁带宽度适中约为1.12eV，故光吸收能力较好；单晶硅非平衡载流子寿命较长，在几十微秒至1毫秒之间，在能够提供稳定转换效率的传统材料中，单晶硅的转换效率最高，目前已有转换效率25%的报道[3]，规模化生产的单晶硅电池效率可达16%-18%左右.

但单晶硅生产成本高，而单晶硅太阳能电池单纯从电池结构上改进以进一步提高转换效率的空间不大，虽然早在2002年曾有在将单晶硅制作成球状以增大受光面积提高转换效率的报道[4]，但直到目前仍未有突破性进展.

2.1.2多晶硅

多晶硅的原子基本排列形式与单晶硅相同但排列晶面不同，因此多晶硅各向异性不明显，电阻率较大，晶体缺陷相对较多，转换效率比单晶硅略低，目前规模化生产的多晶硅电池的转换效率在15%-17%左右.

多晶硅可采用热分解硅烷、改良西门子法和区域熔炼法等方法实现[5]，生产成本较低；同时由于制作方法的不同，多晶硅材料的基片为方形，而单晶硅基片的四角为圆弧形，因此多晶硅电池板具有更好的面积利用率，如图2-1所示.上述优点使多晶硅成为当前市场产量和占有率最高的太阳能电池.

2.1.3非晶硅

非晶硅的禁带宽度随制备条件的不同约在1.5-2.0eV之间，在0.35-0.75um的可见光波段的吸收系数比单晶硅高40倍，因此开路电压高于晶体硅且只需很薄的非晶硅即可对太阳能进行有效吸收，用料省，且非晶硅较晶体硅的制备工艺简单，成本低.

非晶硅材料由于原子排列的非周期性使其在制作电池组件时不必考虑其与衬底材料的晶格不匹配问题，因此制作大面积非晶硅电池板时，选择衬底材料较容易.

但非晶硅的材料的转换效率较低且易老化失效，故难以满足长期的稳定使用，因此当前非晶硅太阳能电池的发展使用仍很有限.

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体

Ⅲ-Ⅴ族化合物通常为直接带隙的材料，光吸收系数好且材料特性随温度的变化不明显，因此在目前的光伏业界得到广泛的开发应用，同时，Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池的结构也由基本的单个PN结的结构普遍过渡为多个PN结叠加的结构，以提高开路电压.

Ⅲ-Ⅴ族化合物种类较多，其中最具代表性的为GaAs，而三元甚至四元的Ⅲ-Ⅴ族材料如InGaAs、GaInP、InGaP、AlGaInP等也被广泛研究应用.

2.2.1 GaAs

GaAs为直接带隙材料且禁带宽度为1.42eV，较好的处于太阳能光谱的光子能量值之间；电子迁移率高；抗辐射性好，因此GaAs的研究起步虽然稍晚，但研究进展很快.GaAs稳定的转换效率接近26%，为Ⅲ-Ⅴ族材料最高的.为进一步提高转换效率，当前普遍将GaAs结合多种Ⅲ-Ⅴ族材料混合使用，采用聚光技术的GaInP/GaAs/Ge的太阳能电池转换效率已达40.7%.同时，良好的光吸收系数使GaAs基太阳能电池只需3-5μm即可对太阳光充分吸收，而传统的硅材料需要几十甚至上百μm[6].

另一方面，GaAs材料生产成本高且较硅材料易碎，密度大，重量重，上述缺点成为制约GaAs广泛应用的重要因素.

2.2.2　 InP

InP材料同样为直接带隙材料但转换效率略低，但室温下其电子迁移率很高，约为4500cm2/v•s，同时具有比GaAs更好的抗辐射性能.InP单晶体的硬度比GaAs更小，更易碎；生长工艺困难，成本极高，难以普及应用.因此，现阶段单纯使用InP材料的太阳能电池较少应用，大多将其制作成GaInP三元化合物与GaAs结合，作为叠层电池使用.

2.3其它化合物半导体太阳能电池

除Ⅲ-Ⅴ族材料之外，当前研究应用相对较多的包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化镉CdTe及Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ族化合物如：铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）等.这些化合物也为直接带隙且禁带宽度适中，均在1eV-1.6eV之间，同样是光伏技术的热点材料.

2.3.1 CdTe

CdTe材料最大的优点为光吸收系数极高，厚度为1μm 的CdTe即可将大于其带隙能量的99%的辐射能量吸收掉；其禁带宽度约为1.46eV，理论转换效率高达30%[7]，目前有实验室阶段转换效率17.3%的报道[8]，商业化的CdTe电池转换效率在8%-10%[9]，当前单纯使用CdTe的情况较少，典型的应用为将CdTe与另一种Ⅱ-Ⅵ族化合物CdS叠加使用.

虽然目前采用在高温下真空升华沉积的方法制备出了高效的CdTe太阳能电池[10]；但Cd元素为有毒物质，容易产生环境污染，故CdTe的生产成本很高，导致一直未形成大规模的批量化生产；同时CdTe材料容易受潮老化，对封装技术要求较高，这些成为当前制约CdTe应用的主要因素.

2.3.2 CIS及CIGS

CIS为多晶CuInSe2，禁带宽度约为1.05eV，因此光谱响应特性好.CIS同样有极佳的光吸收系数，吸收率可达105/cm[11]，成为制作薄膜太阳能电池的优选材料.随着半导体材料工艺的发展，将CIS中的部分In元素用Ga代替，得到Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物晶体材料CuIn1-xGaxSe2，简称CIGS. CIGS为直接带隙且禁带宽度可随着In元素的含量而在禁带宽度在1.05-1.69ev之间变化，因此禁带宽度可调为其特性优势.CIGS具有与CIS同等数量级的光吸收系数且稳定性好，转换效率在12%-18%之间的CIGS太阳能材料在各国均有报道，美国可再生能源实验室曾有19.9%的报道.

CIS、CIGS材料中In、Se元素来源相对较少且Se元素有毒，因此制造工艺复杂，当前大面积的制作应用较少，产业化生产仍处在开发阶段，具中投顾问产业研究中心2010年的数据，09年全球CIGS的光伏产能约为660MW.另外，在当前CuIn1-xGaxSe2领域，开始用Al元素部分的代替In、Ga元素或用S元素部分代替Se元素的研究，但远未取得实质性进展.

2.4异质结材料

图2-2

异质PN结的两端为不同能带结构的半导体，如图2-2所示，PN结A侧材料的禁带宽度明显较B侧宽.将A侧材料作为迎光面，由于A测材料禁带宽，光子吸收系数小，光线可以较好的到达PN结部位，当光线进入PN结时，由于禁带宽度迅速变小，光子吸收系数大大提高，大量光子集中在PN结附近区域被吸收而产生开路电压.因此，异质结太阳能电池的转换效率较高.

目前异质结太阳能电池的材料主要为CIGS或CIS材料-CdS/ZnO双层材料异质结，或非晶硅-晶体硅异质结，非晶SiC-晶体硅异质结等.

异质结由于两端材料不同，通常在两种材料之间加入缓变层以缓解两端不同材料的晶格不匹配率.例如CIGS或CIS材料-CdS/ZnO双层材料异质结中，通常采用OVC高分子半导体材料，其成分为Cu（In1-xGax)3Se5或Cu（In1-xGax) 2Se3.5，通过逐渐调整X的值至CIGS或CIS材料中Ga的含量，有效的缓解了异质结两端材料晶格不匹配的现象，改善了异质结的特性.

除采用不同材料制作异质结外，也可以采用调整工艺参数的办法使同一种材料具有渐变的禁带宽度制备异质结.采用渐变带隙材料制作异质结，避免了采用由于两侧材料不一致造成的晶格失配问题，因此无需引入缓变层.目前工艺技术较为成熟的渐变带隙材料主要为多晶硅.

3　结语

随着光伏技术的不断进步，太阳能电池的材料研究方向始终沿着高吸收系数、高稳定性和低成本的路线不断发展，从单一的半导体材料的到多种半导体材料的混合，从带隙突变的异质半导体PN结到带隙渐变的异质PN结.随着半导体材料加工技术的日益先进，未来必将会有更高性能、更低成本的半导体材料的太阳能电池的出现，为人类社会做出更大的贡献.

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中图分类号：TM914

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2015）07-0060-03