太阳能是地球上最主要、最丰富的能源。在过去的几十年中，利用光伏或太阳能电池从这些可用能源中产生的电力总量稳步上升。

硅是地壳中第二容易获得的元素，也是太阳能电池生产的关键成分。人们正在努力研究和开发以提高这些太阳能电池的效率和成本效益。

什么是太阳能电池？

太阳能电池是一种基于半导体的装置，可将阳光或人造光直接转换为电能。光伏效应是此类太阳能电池的主要工作原理。硅是此类太阳能电池中最常用的半导体材料。

为什么太阳能电池更多地使用硅？

如上所述，硅（28%）是继氧（46%）之后第二大可用元素，可用于制造太阳能电池。在太阳能电池中，每个硅原子被四个硅原子包围。

带隙是价带和导带之间的距离，如图 1 所示。当入射光能量超过带隙能量时，电子就可以从价壳层中脱离出来，进入导带。

电子一旦进入导带，便可以自由移动并导电。硅半导体材料的导带隙相对较小。

图 1 带隙较小的半导体示意图。来源：Rakesh Kumar 博士

入射光子从价壳层激发电子所需的能量为1.2 eV，因此硅是太阳能电池中更常用的半导体材料。

太阳能电池要产生电能，入射光子的波长必须约为 1200 nm。低于该波长的所有波长都可用于发电。

PN 结的构造

太阳能电池是 PN 结半导体二极管。硅的原子序数为 14，其价壳层中有四个电子。然而，根据八位字节规则，它需要八个电子才能达到稳定性。

因此，它与相邻原子共价共享一个电子，以实现八位字节规则并变得更加稳定，如图 2 所示。因此，在正常条件下没有自由电子来导电。

图 2 硅原子与相邻原子共价结合的示意图。来源：Rakesh Kumar 博士

因此，在太阳能电池的构造中，采用两种不同类型的硅，通过掺杂工艺提高硅原子的导电性。掺杂是向元素中添加杂质以改变其电气特性。

最上层是一层薄的 n 层，其中掺杂了五价杂质，例如磷，其具有五个电子的价壳层，如图 3 所示。

价电子层中的四个电子与相邻原子形成共价键，而一个多余的电子可以自由移动并导电。因此，n型半导体材料中的自由电子更多。

图 3 通过掺杂工艺构建 pn 结。来源：Rakesh Kumar 博士

相比之下，p 层掺杂了三价杂质，最常见的是硼，其价态中有三个电子。与相邻原子形成共价键的电子少了一个，这导致空穴形成。因此，p 层中空穴数量过多。

p 型和 n 型半导体材料相遇的空间称为 pn 结，如图 4 所示。最初，n 型半导体的电子被吸引到 p 型。因此，n 层结中捐赠电子的原子会变成带正电的离子。

获得电子的p层结原子转变为带负电的离子。电子的运动在此区域产生电场。这一层称为耗尽区，在正常情况下，它会阻止电子进一步移动。

图 4 耗尽区示意图。来源：Rakesh Kumar 博士

硅是如何产生的？

太阳能电池制造仅使用最纯净的二氧化硅，涉及复杂的程序。这些程序如下所述:

冶金硅

硅以二氧化硅的形式广泛存在，即沙子或石英。将沙子与煤和木屑等碳源一起放入加热至 2000 摄氏度的浸没式电弧炉中熔化。

该技术被称为热还原工艺，它可以减少硅中的氧，如图 5 所示。但它仍保留了杂质，从而制造出纯度高达 98% 的冶金级硅。

图 5 生产冶金硅的还原工艺示意图。来源：Rakesh Kumar 博士

多晶硅

硅的生产方法有很多种。将提取出来的硅磨成粉末，在高温的反应器中与氯化氢混合，然后煮沸，产生含有三氯硅烷的气体。

这种气体被冷却、液化，然后蒸馏以去除杂质。净化后的气体随后被引入反应器，反应器在高温下与金属棒发生反应，使硅原子在金属棒表面积聚。

这种工艺称为气相沉积法，可生产纯多晶硅。用这种技术生产的多晶硅纯度约为 99.999%。多晶硅的名称意味着它由许多晶体组成，这些晶体包含许多以各种方向排列的原子。

每个晶体的边界称为缺陷，会降低太阳能电池的效率。它们经常用于太阳能产品和面板。它们价格相当实惠，效率约为 13-17%。

单晶硅

单晶硅更坚硬，颜色呈深蓝色；顾名思义，它由有序排列的原子组成。与其他方法相比，它的效率高 15-19%。提取后，纯多晶硅在惰性气体中以理想温度在坩埚中熔化。

籽晶通过一根精确定向的棒悬浮在熔融的硅中，然后旋转并向上拉动，如图 6 所示。具有明确定义的 100 或 111 晶体取向的单晶称为籽晶。

图 6 切克劳斯基法示意图。来源：Rakesh Kumar 博士

当熔融硅沿与籽晶相同的方向凝固时，就会形成大型圆柱形硅锭。这种硅锭由单晶硅制成，切割成薄片后可用于制造太阳能电池和其他电子零件。

该技术通常称为切克劳斯基法；随着现代技术的进步，该工艺可灵活地生产重达数百公斤的不同长度的锭材。

最高的纯度和均匀的晶体取向，没有缺陷，可提供更高的效率，高达 20%。单晶硅的生产受多个参数的影响，包括温度移动速率等。

这种硅太阳能电池的一个缺点是其成本相对较高，这增加了太阳能发电厂所需的初始投资。

非晶硅

非晶硅太阳能电池是一种薄膜型替代品，其中原子具有随机结构并遵循不规则图案。与其他太阳能电池相比，非晶硅薄膜具有柔韧性、价格合理且厚度相对较薄。

晶体的不均匀取向限制了其效率为 5–7%，并且很容易出现劣化。持续的研究和开发旨在提高使用硅技术的太阳能电池的效率和成本效益。

要点总结

● 硅因其丰富和高效而成为太阳能电池生产的关键成分。

● 了解带隙、晶体取向和纯度对于提高太阳能电池性能至关重要。

● 多晶硅、单晶硅等生产工艺对太阳能电池的效率有显著影响。

● 硅半导体正在推动向可持续和可再生能源解决方案的转变。