根據(jù)硅片厚度的不同，可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池兩大類。本文主要論述以下幾種硅基太陽能電池的基本原理：單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池，多晶硅薄膜太陽能電池，非晶硅薄膜太陽能電池，微晶硅薄膜太陽能電池。

晶體硅的發(fā)電過程大致如下：p型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成p-N結，當光線照射到硅晶體的表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷，成為自由電子，在p-N結兩側聚集，產(chǎn)生電位差。當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。

1、單晶硅太陽能電池

硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領先水平。

該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合．通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉化效率超過23%，是大值可達23．3％。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為19．44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cmX2cm）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cmX5cm）轉換效率達8.6%。

單晶硅的優(yōu)點和不足

單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，雖然其轉換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用率低，致使單晶硅成本價格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。

2、多晶硅太陽能電池

目前，太陽能使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶硅顆粒的集合體，或用廢棄單晶硅材料和冶金基硅材料熔化澆筑而成，其工藝過程是選擇電阻率為100-300?cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1:5的氫氟酸液混合進行適當?shù)母g，然后用離子水沖洗呈中性，并烘干，用石英坩堝裝好許多硅料，加入適當硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)下加以熔化，熔化后保持約20min，然后注入石墨鑄模中，慢慢冷卻后即基硅錠，然后切片加工成太陽能電池片，即多晶硅太陽能電池。

多晶硅太陽能電池的優(yōu)點和不足

它的成本和單晶硅差不多，其轉換約為12%左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到了大量發(fā)展。

3、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350－450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅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制備多晶硅薄膜電池。

多晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)缺點

多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。

4、非晶硅薄膜太陽能電池

非晶態(tài)硅，其原子結構不像晶體硅那樣排列得有規(guī)則，而是一種不定形晶體結構的半導體。非晶硅屬于直接帶系材料，對陽光吸收系數(shù)高，只需要1ùm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。非晶硅薄膜太陽能電池于1976年問世，非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。由于硅原料不足和價格上漲，促進了高效使用硅的技術和非晶硅薄膜系太陽能電池的開發(fā)。非晶硅薄膜電池低廉的成本彌補了其在光電轉換效率上的不足，未來將在光伏發(fā)電上占據(jù)越來越重要的位置。但是由于非晶硅缺陷較多，制備的太陽能電池效率偏低，且其效率還會隨著光照衰減，導致非晶硅薄膜太陽能電池的應用受到限制。目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向是與微晶硅結合，生成非晶硅/晶硅異質(zhì)結太陽能電池，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度，目前單結非晶硅薄膜電池的最高轉換效率為17.4%。

非晶硅薄膜太陽能電池優(yōu)點與缺陷

非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比，具有重量輕、工藝簡單、成本低、耗能少和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，因此受到人們重視，并得到迅速的發(fā)展。非晶硅薄膜太陽能電池首先實現(xiàn)商品化，也是目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的薄膜電池。雖然非晶硅薄膜太陽能電池得到了廣泛的研究和應用。但是，依然存在著很多問題需要去解決：

（1）y光學禁帶寬度為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域吸收不敏感，限制了其光電轉換效率;

（2）光電轉換效率隨著光照時間的增長而衰弱，即所謂的光致衰退（SW）效應，使得電池性能不穩(wěn)定;

（3）制備過程中，非晶硅的沉積速率較低，影響了非晶硅薄膜太陽能電池的商業(yè)化生產(chǎn);

（4）電池組件的后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問題;

（5）在薄膜沉積過程中存在大量的負面雜質(zhì)，如Oz，Nz和C等，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。

5、微晶硅薄膜太陽能電池

微晶硅薄膜可采用與非晶硅兼容的技術制備，鑒于非晶硅良好的短波響應特性和微晶硅良好的長波響應特性，常用微晶硅作底電池，形成非晶硅/微晶硅疊層結構，可大幅度提高轉換效率。通過諸多實驗室的努力，微晶硅電池自1994年被報道以來，轉換效率得到明顯的提高。目前，單結微晶硅電池的效率已超過10%，微晶硅薄膜的制備方法有：基于高氫氣稀釋比，高功率密度的pECVI〕技術;用氫等離子體退火處理a-Si:H薄膜;電子回旋共振擔CR）等離子體淀積技術;用熱絲法（VV1J或Cat）技術。

微晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)勢與不足

微晶硅薄膜太陽能電池具有過渡層結構，幾乎沒有s-w效應，穩(wěn)定性好，可拓展太陽光譜范圍，使其轉換效率高，具有與非晶硅材料相同的低溫工藝、工藝簡單、便于大面積生產(chǎn)的優(yōu)點，主要存在的問題就是其生長速率較低的問題，不利于降低制造成本。這將成為今后重點的研究方向。

6、主流太陽能電池材料的比較

單晶硅太陽能電池是開發(fā)得最早、使用最廣泛的一種太陽能電池，其結構和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛應用于空間技術和其它方面單晶硅太陽能電池是由高質(zhì)量的單晶硅材料制成的。目前，商用晶體硅光伏產(chǎn)品的光轉化率約為20%左右。由于單品硅材料的制作成木昂貴，而半導體薄膜太陽能電池材料只需幾微米厚就能實現(xiàn)光電轉換。是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料，非晶硅薄膜太陽能電池是用非晶硅半導體材料制備的一種薄膜電池。非晶硅薄膜太陽能電池可以用玻璃、特種塑料、陶瓷、不銹鋼等為襯底。多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上作為太陽電池的激活層。

納米TI0：半導體的化學性質(zhì)穩(wěn)定。納米TI0：半導體用做太陽能電池材料的原理與硅半導體相同。但TIO：是寬禁帶（3.2eV）半導體化合物，應用于太陽能電池只有波長較短的太陽光（λ≥387nm）才能被吸收。而這部分紫外線（（300--400nm）只占到達地面上的太陽光能的4%-6%，太陽能利用率很低。提高太陽能吸收效率的途徑是縮短TIn：半導體的禁帶寬度使其吸收光譜向可見光擴展，可以通過金屬離子摻雜、非金屬離子注人、半導體復合以及染料敏化等幾個方法來縮短Ti0：的禁帶寬度。

從20世紀70年代起開始探索一些具有大共扼結構的有機化合物或金屬配合物用做太陽能電池材料與無機半導體太陽能電池相比，有機材料制備太陽能電池具有制造面積大、制作簡單、廉價、并且可以在可卷曲折疊的襯底上制備具有柔性的太陽能電池等優(yōu)點。有機太陽能電池材料主要是一些具有大共扼結構的有機小分子花類化合物、有機染料分子、富勒烯及其衍生物等。有機小分子化合物的主要優(yōu)勢是制備和表征比較簡單，化學結構很容易修飾，可以根據(jù)需要進行設計和改變官能團。

過渡金屬配合物是一類新型的光電材料化合物，它可以兼有過渡金屬離子的變價特性和有機分子結構的多樣性，這類化合物的特點是過渡金屬離子被有機配體所環(huán)繞，有機配體易于進行分子設計和分子裁剪，而過渡金屬離子的d軌道或漱道上具有未成對電子，能形成特有的光電性質(zhì)。目前用做太陽電池材料的金屬配合物主要有菁類化合物和具有共扼結構的聯(lián)毗啶過渡金屬配合物。

染料敏化太陽能電池（Dye-sensitizedSoarCells，DSSCs）。以半導體Ti02薄膜為光陽極，并引入了染料敏化劑，使電池效率達到7.1%，這種電池的出現(xiàn)為太陽能電池的發(fā)展帶來了新方法，它將帶有發(fā)色團的染料分子引人到半導體中，大大增強了半導體TiO，捕獲太陽光的能力。由于現(xiàn)在對界面電荷的分離機理還不是很明確，當電荷分離形成之后就會發(fā)生電荷的遷移電子移向正極而空穴移向負極，從而在兩極間形成一定的電勢，但在電荷的遷移過程中，也伴隨著電荷的重新結合（重合）。電荷重合浪費了界面電荷分離所儲存的電勢能，極大地降低光電轉化的效率。目前染料敏化太陽能電池材料還存在光電轉換率低，或是電池材料的壽命短。因此尋找光轉換效率高壽命長的光敏染料是染料敏化太陽能電池材料研究的重要方向。