摘要：随着人类社会的发展，能源问题已经引起了人们的广泛关注，能否获取无污染的能源成为当前各个国家研究的重点，尤其是在石油能源面临枯竭的形势下，要加强对太阳能电池材料的开发，将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为可以直接利用的能源，这是最为直接、有效的能源利用方法，同时产生的能源具有产量高、无污染的优点。本文分析了硅太阳电池的应用原理，并对硅太阳电池的技术发展进程进行了回顾。
关键词：硅太阳能；电池材料；应用研究
光伏发电是电能开发的重要形式，也是当前国家能源战略的重要组成部分，其电能的传输方便，具有很强的通用性，实现了电能的大规模存储，硅是重要的太阳能电池材料，在太阳能电池中广泛应用，其太阳能电池转化率较高，同时硅材料的地球储量丰富，能够支撑人类开展大规模的应用，可以预见在未来的太阳能电池发展中，硅作为一种重要的原料将会发挥更强大的作用。
1.硅太阳能电池的应用原理
当前普遍研究应用的太阳能电池分为三种，即硅太阳能电池、化合物太阳能电池、纳米晶太阳能电池，在太阳能电池研究中发现，作为电池半导体材料应当具备以下优良的条件，材料禁带不能太宽、转换效率高、成本较低、应用寿命较长等，同时其在地球上的分布必须较为广泛，因此硅材料逐渐成为行业内认可的具有发展潜力的电池材料。太阳能电池的应用原理是将太阳能转换为可以存储的电能，这个过程也就是学术上常说的“光伏效应”，硅物质半导体材料是一种半导体材料，其导电性能在导体和绝缘材料之间，硅原子的外层分布有4个电子，每个电子都在固定的轨道原子核转动，当外来能量作用于原子上，这些电子就会形成激发态，从而脱离了原有的运行轨道形成自由电子，其原来的位置上就会形成一个正的空穴。由于自由电子和空穴的数量和电荷是对等的，而在硅材料中添加硼、镓等元素可以直接把自由电子俘获，从而产生了空穴型的半导体材料。
2.第一代硅太阳能电池的应用研究
最早研究太阳能电池的国家是美国，在1954年美国的贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，从而揭开了太阳能电池材料研究的热潮，其研制的太阳能电池开始应用于军工产品中。第一代太阳能电池包含了单晶硅和多晶硅电池，其中单晶硅电池材料采用了半导体硅碎片，硅薄膜电池的最高转化率也达到了24.7%，但是其在应用推广中存在着硅材料的价格过高，被人们认为没有可以实现产业化的潜质，但是随着加工工艺的提升，工业上开始生产处超薄化的硅材料，从而降低了对硅材料的需求量。从太阳能转化的效率计算来看，单晶硅电池的转化效率最高，其大规模应用工业生产中，但是其材料价格较高，同时生产电池工艺较为繁琐，因此在以后的太阳能电池材料研究中，人们开始寻找单晶硅材料的代替产品。
与此同时，多晶硅太阳能材料开始被研发，采用低等级的半导体多晶硅作为光伏反应材料，与单晶硅相比，多晶硅电池的成本较低，由于在整个光伏组件的成本中，硅原料的成本占了50%左右，因此研究人员开始在采用薄膜太阳能电池材料的同时，也薄膜上沉积活性层来提高其转化率。40μm厚度的多晶硅薄膜和200μm厚度的单晶硅薄膜具有相同太阳能吸收率，这就大大降低了多晶硅材料的使用量，在保持使用功能的基础上降低了硅原料的使用量，因此当前光伏市场中多晶硅太阳能材料占据了大部分的份额。
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3.第二代硅太阳能电池的技术研究
3.1非晶硅电池材料的应用
随着太阳能电池应用研究的进行，研究人员也开发了原子结构排列没有晶体硅整齐的材料，这是一种不定形的晶体结构半导体，其阳光吸收系数较高，完成80%太阳光的吸收仅仅需要1μm厚度的薄膜。非硅晶材料从1976年诞生之后，其便开始投入到市场生产中，由于非硅晶体薄膜的生产成本较低，在一定程度上也弥补了硅晶体材料在转换率上的不足，从而在光伏电池中发挥着重要作用。但是我们也应当看到，非硅晶材料中存在着一定的结构缺陷，其太阳能转化效率会呈现一个逐渐衰变的过程，从而影响了太阳能电池的使用寿命。当前非晶硅材料电池研究主要集中在非晶材料和微晶材料结合，制备非晶硅和微晶硅的异构太阳能材料，其最高的转化效率达到了17.4%。
3.2多晶硅薄膜太阳能电池
这个方面的研究是行业内研究的特点，多晶硅材料具有间接带隙的特点，并不是传统意义上最理想的电池材料，但是针对这一结构缺陷，人们开始开发出陷光技术、钝化技术和载流子束缚技术来优化材料的缺陷，从而使得多晶硅材料也具备了较强的应用潜能。当前关于这一方面的研究主要集中在两个方面，首先是采用非硅衬底来减少硅的用量，再者是采用低品质的硅衬底，从而有效降低了多晶硅材料用量，多晶硅薄膜材料的最高转化率也达到了19.2%，并且保持了高效能、稳定性强、硅原料来源丰富的应用特点，从而在未来的市场中占据了主导地位。
第二代硅太阳能电池是基于薄膜技术而出现的电池，器技术核心部位在于薄膜技术的应用，降低了光感材料的使用量，把较薄的光点材料徒步在衬底上，形成厚度为1μm的薄膜，大大降低了太阳能电池的成本。多晶硅薄膜电池应用技术开发较为成熟，但是在光电转化率只有8%-10%左右，因此下一步的开发工作就是侧重于其光点转化率的提升，研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，从而通过优化技术来弥补硅材料存在的不足，并引导第三代太阳能电池材料的开发。
4.第三代硅太阳能电池应用进展
针对薄膜太阳能电池研究的工作一直不断进展，在薄膜太阳能电池研究的基础上，科学家开始主要第三代硅太阳能材料革命的到来，其电池应当兼具薄膜化、转化效率高、原料来源广泛的特点，并能够逐步应用于工业化生产。当前在行业内开始出现第三代太阳能电池的雏形，即叠层太阳能、多带隙太阳能和热载流子太阳能电池，其太阳能转化为电能的卡诺循环效率达到95%，而当前广泛应用的标准太阳能电池的理论转化率仅为33%，因此在太阳能电池效率提升方面还有很大的空间。
太阳能电池材料研究已经进入了第三代中，但是相应的电池材料的工业生产并没有跟上技术研究的脚步，不能实现成熟化和稳定化的生产，和常规硅太阳能电池材料的制备工艺还存在着一定的差距。在太阳能电池材料制备成本上来看，硅材料电池的加工成本大大降低，但是追求开发成本更低、效率更高的电池材料依然是行业内生产的主流。硅材料依然是太阳能电池材料开发的主要材料，在太阳能电池产量中占据了90%的比例。
硅太阳能电池依然是最具市场化的发展趋势，其来源丰富，制造成熟度较高，当前大规模生产中，应当重点解决两个产业问题，即提高光点转化效率的同时降低生产成本，对硅原料进行性能改革，提升硅材料的固态工艺和材料本身的效率，与单晶硅材料相比，多晶硅薄膜材料体现了更强的技术优势，在转化效率和制造成本上具备明显的优势，也是未来硅太阳能电池市场的主要产品。
5.结语
综上所述，随着人类科学技术水平的提升，针对硅太阳能电池的开发研究会持续开展，硅元素在太阳能电池应用中具有很强的应用优势，是当前行业内重点开发的材料。硅晶体材料经历了单晶硅电池到多晶硅电池的转变，在整个转变过程中，要注重硅太阳能电池的光电转化效率和材料成本的技术研究，通过技术优化来提升硅太阳能电池的应用性能，推动行业产业化的进行。
参考文献：
[1] 王小平.硅半导体太阳能电池进展[J].材料导报，2011（09）
[2] 黄庆举.硅太阳能电池的应用研究与进展[J].材料开发与应用，2009（06）
[3] 李艳红.太阳能电池研究进展[J].中国材料进展，2014（07）
论文作者:祁嘉铭
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/19
标签：太阳能电池论文; 材料论文; 薄膜论文; 电池论文; 单晶硅论文; 太阳能论文; 多晶硅论文; 《基层建设》2016年13期论文;