硅太阳能电池是以硅为 基体 材料的太阳能电池。
依据原材料物相结构不同，硅太阳能电池分为 单晶硅太阳能电池 、 多晶硅太阳能电池 和 非晶硅薄膜太阳能电池 三种。 其中技术发展最为成熟的是单晶硅太阳能电池，目前最高的PCE为24.7%，规模生产时PCE为16%～20%。为了 降低成本 ，减少硅的应用， 多晶硅 和非晶硅被引入硅太阳能电池。
简介
最早的硅太阳能电池是由于人们对将硅用于点接触 整流器 产生兴趣而出现的。锋利的金属接触对各种 晶体 的整流特性早在1874年就被发现。在 无线电 技术的早期，这种晶体整流器在无线电接收设备中被广泛地用作 检波器 。但是随着热 离子管 的发展，这种晶体整流器除在 超高频 领域仍被使用外，已经被热离子管所代替。这种整流器最典型的例子是钨在硅表面的点接触。这项技术促进了对硅纯度的改良，并且使得人们希望更进一步了解硅的性质。
虽然硅太阳能电池的历史能够追溯到50多年前硅双极性器件出现的时期，但是实验室电池的性能和电池理论在最近十年才取得巨大进步。在过去几年中， 太阳能电池 的性能已经达到一度认为不可能再提高的水平。
硅太阳能电池和其他大多数硅 电子器件 相比，有其特殊的设计和材料要求。为了获得高能量转换效率，硅太阳能电池不仅需要几乎理想的硅表面 钝化 ，而且体材料特性也必须具有均匀的高品质。这是因为一些波长的光必须在硅中传播几百微米才能被吸收，其产生的 载流子 还必须仍然能够被电池收集。
分类
制作太阳能电池主要是以 半导体材料 为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以 无机盐 如 砷化镓 III-V化合物、 硫化镉 、铜 等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的 太阳能电池 ；4、纳米晶太阳能电池等。
一、硅太阳能电池
1．硅太阳能电池工作原理与结构
太阳能电池发电的原理主要是半导体的 光电效应 ，一般的半导体主要结构如下：
硅材料是一种 半导体材料 ，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的 分子结构 是这样的：
上图中，正电荷表示硅 原子 ，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个 电子 。
当硅 晶体 中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体， 熔点 2300℃， 沸点 3658℃，密度2.34克/厘米，硬度仅次于 金刚石 ，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属 氧化物 反应，形成 金属硼化物 。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高 电导率 和 化学 惰性的物质。）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个 空穴 ，它的形成可以参照下图说明：
图中，正电荷表示硅 原子 ，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个 电子 ，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。
（附，什么是P型半导体呢？在 半导体材料 硅或锗 晶体 中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N型半导体。）
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷 原子核 ，红色的为多余的 电子 ，如下图所示：
P型半导体中含有较多的 空穴 ，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成 电压 ，这就是PN结。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内 电场 ”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当 晶片 受光后，PN结中，N型半导体的 空穴 往P型区移动，而P型区中的 电子 往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成 电压 ，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动， 电阻 非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格复盖p-n结（如图 梳状 电极 ），以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层 反射系数 非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用 化学气相沉积 沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成 太阳能 光电板。
2．硅太阳能电池的生产流程
通常的晶体硅 太阳能电池 是在厚度350～450μm的高质量 硅片 上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅 锭 上锯割而成。
上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，制备 多晶硅 薄膜电池 多采用 化学气相沉积 法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相 外延 法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。
二
在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米 TiO2 晶体 化学能 太阳能电池 受到国内外科学家的重视。
以 染料 敏化 纳米晶体 太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的 半导体材料 、对 电极 以及 电解质 等几部分。
阳极 ： 染料 敏化半导体薄膜（TiO2膜）
阴极 ：镀铂的导电 玻璃
电解质：I3/I
如图所示，白色小球表示TiO2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到 激发态 ，激发态不稳定， 电子 快速注入到紧邻的TiO2 导带 ，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。
纳米晶TiO2 太阳能电池 的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅 太阳 电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
三、 染料 敏化 TiO2 太阳能电池 的手工制作
1.制作 二氧化钛 膜
（1）先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
（2）接着用 玻璃棒 缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
（3）把二氧化钛膜放入酒精灯下 烧结 10～15分钟，然后冷却
2.利用天然染料为二氧化钛着色
如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或 红茶 ，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到 膜层 变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用 乙醇 冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。
3.制作正 电极
由 染料 着色的 TiO2 为 电子 流出的一极（即 负极 ）。正电极可由导电 玻璃 的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的 万用表 就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。
4.加入 电解质
利用含 碘化物 的溶液作为 太阳能电池 的 电解质 ，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在 二氧化钛 膜表面上滴加一到两滴电解质即可。
5.组装电池
把着色后的 二氧化钛 膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正 电极 的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片 玻璃 稍微错开，用两个 夹子 把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接 导线 。这样，你的太阳能电池就做成了。
6.电池的测试
在室外太阳光下，检测你的 太阳能电池 是否可以产生电流。
生产流程
通常的晶体硅 太阳能电池 是在厚度350～450μm的高质量 硅片 上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。
化学气相沉积 主要是以SiH2 Cl2 、 SiHCl3 、SiCl4或 SiH4 ，为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅 原子 并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的 晶粒 ，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层 退火 ，得到较大的晶粒，然后再在这层 籽晶 上沉积厚的 多晶硅 薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅 薄膜电池 除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备 单晶硅太阳能电池 的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。
最新进展
晶体硅太阳能电池应用中，发射极的特性可以极大地影响电池性能，通过提高发射极的掺杂浓度可以降低电池的接触 电阻 ，但是过高的掺杂浓度又将增加发射极中光生 载流子 的复合 速率 。选择性发射极电池结构有效地解决了这一矛盾，在这种电池结构中，金属栅线下方采用较高浓度的掺杂，与此同时，栅线间的发射极保持较低的掺杂浓度，从而在保证较好的 蓝光 响应的条件下，实现电池串联电阻的减小。然而，该电池结构需要严格的对准工艺实现金属栅线与选择性发射极的电接触。
中科院宁波材料技术与工程研究所万青研究组提出了一种交叉自对准工艺，采用普通 丝网印刷 设备研制了高效率的晶体硅太阳能电池。常规晶硅电池工艺在经过高温磷扩散后，在电池表面存在一层高浓度 磷 的磷硅玻璃层，通过波长为532nm的 激光 图形化 退火 处理，将磷硅玻璃中的磷元素进一步扩散进入硅，从而在 电池片 表面形成选择性重掺杂区域。丝网印刷 银浆 时，使得细栅线90度交叉激光重掺杂线条，巧妙地实现自对准制备工艺。
电池性能测试表明，发射极方块 电阻 为75欧姆/方块的标准单晶硅电池（125mm×125mm），最佳填充因子由激光掺杂前的~65%提高到激光掺杂后的~79%;最佳电池光电转化效率由激光掺杂前的~14.4%提高到激光掺杂后的~17.7%。电池性能的提高主要由于电池接触性能的改善引起。
制造
常规 太阳能电池 制作包括 晶体生长 、切片、抛光等工序，需要大量的人力、物力，特别是在切片工序更是浪费了大量昂贵的硅 晶体材料 。采用硅悬浮带 提纯 可以较好地提高功效，减少材料浪费，节约成本。硅悬浮带提纯法也叫czochrals ki 晶体 生长法，利用石英 埚把硅熔化，棒的一端是具有一定纯度的完好晶体，将棒移过 线圈 或线圈通过棒，以一定的方向和一定的 速率 使熔化带疑固，形成一定的晶体排列，用传送带将 固化 后的硅提升出模。这种硅晶体中心薄，两边厚，形成具有很好的抗破碎机械形状。