探析太陽能電池的基本工作原理及未來發(fā)展方向

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中，大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。

太陽能是一種輻射能，它必須借助予能量轉(zhuǎn)換器才能變換成為電能。這個把太陽能（或其他光能）變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就叫做太陽能電池。

太陽能電池的基本工作原理

太陽能電池的工作原理基礎是半導體p-n結的“光生伏打”效應。所謂光生伏打效應，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。

當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，產(chǎn)生電子--空穴對，在半導體內(nèi)部P-N結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區(qū)，受內(nèi)部電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在p-n結附近形成與勢壘方向相反的光生電場。

光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電，在n區(qū)和p區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應。 當把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），它會導致幾個電子脫離其共價鍵并離開原子。

每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。

這個電場相當于一個二極管，允許（甚至推動）電子從p側(cè)流向n側(cè)，而不是相反。當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。

如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。

由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。

另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜，將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。

太陽能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)制成的。黑體（如太陽）輻射出不同波長（對應于不同頻率）的電磁波， 如紅外線、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子與導體或半導體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。

射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能，值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產(chǎn)生光電效應的閾值時，電流才能產(chǎn)生。

太陽電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會對環(huán)境造成污染。

太陽能電池的種類

太陽能電池按形態(tài)可分為剛性太陽能電池和柔性太陽能電池；按結晶狀態(tài)可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形；按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形；根據(jù)所用材料的不同，還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。

硅太陽能電池

硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。

單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池的結構主要包括正面梳狀電極、減反射膜、N型層、PN結、P型層、背面電極等。單晶硅太陽能電池廣泛用于空間和地面，這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。將單晶硅棒切成片，經(jīng)過一系列的半導體工藝形成PN結。

然后采用絲網(wǎng)印刷法做成柵線，經(jīng)過燒結工藝制成背電極，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片即可按所需要的規(guī)格用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組裝成太陽能電池組件(太陽能電池板)，構成一定的輸出電壓和電流。最后用框架進行封裝，將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。

硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實驗室成果也有20%以上的。

單晶硅太陽能電池的特點

單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

多晶硅太陽能電池

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，用相對薄的晶體硅層 作為太陽電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣，是基于太陽光與半導體材料的作用而形成光伏效應。

多晶硅太陽能電池芯片是具有光電效應的半導體器件，半導體的PN結被光照后產(chǎn)生電流，當光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內(nèi)向各方向移動，余下空穴（電子以前的位置）?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子（－）在N結聚集，空穴（＋）在P結聚集，當外部環(huán)路被閉合，電流產(chǎn)生。

太陽能電池使用的多晶硅材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形電池片。

多晶硅太陽能電池板的制作工藝與單晶硅太陽能電池板差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。

多晶硅太陽能電池的特點

1、具有穩(wěn)定高效的光電轉(zhuǎn)換效率。

2、表面覆深藍色氮化硅減反膜,顏色均勻美觀。

3、高品質(zhì)的銀和銀鋁漿料，確保良好的導電性、可靠的附著力和很好的電極可焊性。

4、高精度的絲網(wǎng)印刷圖形和高平整度，使得電池易于自動焊接和激光切割。

非晶硅太陽能電池

非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜(TCO)層、非晶硅薄膜P-I-N層(I層為本征吸收層)、背電極金屬薄膜層組成，基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。

制造方法有多種，最常見的是用輝光放電法得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，可一次制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。

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1 ùm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。

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(zhuǎn)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，目前單純非晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率為17 .4%。

非晶硅薄膜太陽能電池的特點

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1.7 eV，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(zhuǎn)換效率;

2、光電轉(zhuǎn)換效率隨著光照時間的增長而衰弱，即所謂的光致衰退（S W）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。

多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染。

因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

CIS 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。

聚合物多層修飾電極型太陽能電池

在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導電材料（電極）表面進行多層復合，制成類似無機P－N結的單向?qū)щ娧b置。

其中一個電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾正好相反，并且第一個電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。

當兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過外電路通過還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。

由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索

納米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內(nèi)外科學家的重視。

納米晶化學太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。

納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補償，進入TiO2導帶中的電于最終進入導電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5－1/10．壽命能達到2O年以上。

鈣鈦礦型太陽能電池

2015年，日本、中國和瑞士研究人員借助薄膜摻雜技術，制造出一種面積為1平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池，其公證效率為15％，研究人員給鈣鈦礦電池的無機界面層氧化鎳薄膜重摻雜鋰與鎂，將其導電性提高了10倍左右。

鈣鈦礦型太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，即是將染料敏化太陽能電池中的染料作了相應的替換。

如圖示，鈣鈦礦太陽能電池由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。

其中，電子傳輸層一般為致密的TiO2納米顆粒，以阻止鈣鈦礦層的載流子與FTO中的載流子復合。通過調(diào)控TiO2的形貌、元素摻雜或使用其它的n型半導體材料如ZnO等手段來改善該層的導電能力，以提高電池的性能。

下圖為鈣鈦礦太陽能電池的結構及其載流子傳輸機制

鈣鈦礦太陽能電池中的物理過程

在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。這就是鈣鈦礦太陽能電池優(yōu)異性能的來源。

然后，這些未復合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)絋iO2等電子傳輸層，最后被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集。

當然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應該降到最低。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。

薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池就是根據(jù)其厚度特征定義出來的。硅晶太陽能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽能電池的吸光層只有1微米厚。

薄膜太陽能電池的生產(chǎn)者們開始減少吸光材料的層數(shù)，比如基體上的半導體、涂層玻璃等。用作半導體的材料不需要很厚，因為它們吸收太陽能非常高效。所以，薄膜太陽能電池輕質(zhì)、耐用、簡單。

根據(jù)所用半導體的類型，薄膜太陽能電池主要有以下三類：非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒。

非晶硅是傳統(tǒng)硅晶太陽能電池的改進版，它們被廣泛應用于太陽能電子器件中，但是非晶硅也存在著一些缺點和不足。

非晶硅太陽能電池最大的問題之一就是其半導體所用的材料，硅在市場上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不夠高。因此，這種電池正經(jīng)歷著顯著的沒落。

更薄的非晶硅電池克服了這一缺點，但是厚度減小后的電池吸收光能的效率更低了。非晶硅電池適用于小尺寸器件，比如說計算器，但不適用于大尺寸器件，比如靠太陽能供電的建筑物。

無硅薄膜光電技術的良好發(fā)展開始克服非晶硅存在的問題，如碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。

基于玻璃的銅銦鎵硒太陽能電池

基于箔條的銅銦鎵硒太陽能電池

薄膜太陽能電池背后的基礎科學知識與傳統(tǒng)的硅晶電池還是相同的。光電轉(zhuǎn)換電池需要依賴于半導體。半導體以純物質(zhì)存在時是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結合時便能夠?qū)щ?。當半導體材料被混合或摻雜磷后，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導體。當半導體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是P型半導體。

薄膜太陽能電池通過一層膜將N型半導體和P型半導體連接起來，這就是連接面。即使在沒有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導體穿過連接面到達P型半導體，產(chǎn)生一個小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過連接面形成電流。

傳統(tǒng)的太陽能電池在P型半導體和N型半導體中加入硅，而最新一代的薄膜太陽能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代硅。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統(tǒng)中進行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠是正確的。

銅銦鎵硒太陽能電池有兩種基本的外形。玻璃態(tài)的電池需要用鉬制造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因為箔條可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負電極之間插入的是半導體材料和硫化鎘，這兩個薄層扮演了N型半導體和P型半導體的角色，用于傳到電極之間產(chǎn)生的電流。

碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結構。它的一個電極由一層滲了銅的碳膠制成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘制成。所用的半導體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導體和P型半導體的角色。

太陽能電池的未來發(fā)展方向

薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術,它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝?與目前常見的硅片太陽能電池相比,硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右,可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.2美元?此外,這種高科技新產(chǎn)品可與建筑物屋頂?墻體材料如玻璃幕墻融為一體,既可并網(wǎng)發(fā)電又能節(jié)約建筑材料?美化環(huán)境?

第三代聚光太陽能(CPV)發(fā)電方式,正逐漸成為太陽能領域的焦點?光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池,目前產(chǎn)業(yè)化進程正逐漸轉(zhuǎn)向高效的CPV系統(tǒng)發(fā)電?

與前兩代電池相比,CPV采用多結的III-V族化合物電池,具有大光譜吸收?高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點。而且所需的電池面積不大,以相對廉價的聚光器件替代昂貴的半導體材料,在大規(guī)模應用于發(fā)電時可有效降低成本?降低生產(chǎn)能耗?

太陽能作為一種持久?普遍?巨大的能源,可以說是取之不盡用之不竭?相比于其他能源,太陽能的利用是潔凈?無污染的,利用太陽能不會對生態(tài)環(huán)境造成污染?當人類面臨能源與環(huán)境危機時,迫切的需要找到一種清潔,高效且相對充足的能源形勢來滿足社會經(jīng)濟的發(fā)展,而太陽能則是最好的選擇之一?

目前太陽能的開發(fā)方式主要為太陽能電池的形勢,經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展,太陽能電池已具備相當成熟的技術并應用于人們生產(chǎn)生活的方方面面?相信,隨著技術水平的不斷提高,太陽能電池會得到更大的發(fā)展,造福于人類社會?