太陽能電池的原理及種類

解占壹

摘 要：光-電直接轉化是目前將太陽能轉化為電能的最佳途徑，它是將太陽輻射的光能直接轉化為電能，實現這種轉化的裝置稱為太陽能電池。太陽能電池具有清潔性和靈活性等優點，它可大到百萬千瓦的中型電站，也可小到只供一家之需的電池組，這是其他電源很難做到的。本文對太陽能電池的原理及種類作-概括的介紹。

關鍵詞：原理；電池種類

1 太陽能電池發電原理

太陽能電池發電是根據愛因斯坦的光電效應；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生光電效應的閾值時，電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產生光電效應。太陽電池是一種可以將太陽能轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個電子空穴與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發出來，而產生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，形成一個回路，這就是太陽電池發電的原理。

2 太陽能電池的種類

2.1硅系太陽能電池

（1）單晶硅太陽能電池

硅系列太陽能電池中，單晶硅太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星單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。現在單晶硅的電地工藝已近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術，開發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摻雜工藝。

（2）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 ～450um的高質量硅片上制成的，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。化學氣相沉積主要是以SiH2CI2、SiHCIB、Sicl4或SiH4，為反應氣體，在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料-般選用Si、SiO2、Si3N4等。

中國光電發展技術中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為”硅粒”太陽能電池，但有關性能方面的報道還未見到。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。

（3）非晶硅薄膜太陽能電池

開發太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發展，其實早在70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發展，目前世界上已有許多家公司在生產該種電池產品。非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。此外，其光電效率會隨著光照時間的延續而衰減，即所謂的光致衰退S- W效應，使得電池性能不穩定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結太陽能電池上再沉積一一個或多個P-i-n子電池制得的。

2.2有機聚合物雙層異質結太陽能電池

有機聚合物太陽能電池具有多種結構類型，但都呈夾心式。電池的頂部一般為透明的玻璃基底，上面鍍有可透光的金屬薄層作為前電極，一般為銦錫氧化物（ITO）。與前電極接觸的是有機半導體層，它連接一層不透明的金屬作為背電極。當外部負載通過金屬導線與兩個電極相連時，就形成一個太陽能電池，它的光伏效應區是有機半導體層。按照有機半導體層的結構，有機聚合物太陽能電池可以劃分為三大類，即單層結構（單一有機或共軛聚合物材料）、雙層異質結結構和體異質結結構。

對于聚合物雙層異質結太陽能電池，其有機半導體雙層由共軛聚合物（電子給體，類似于P型硅）和富勒烯或其衍生物（電子受體，類似于N型硅）構成，厚度常為100～200nm。常見的電子給體有聚噻吩、聚對苯乙烯撐及其衍生物，其中P3HT（聚3-己基噻吩）在目前應用最為普遍。常見的電子受體是PCBM，它是C60的一種可溶性衍生物。這兩種物質的結構示于圖5。通常，ITO電極和有機半導體層之間還夾一層透明導電聚合物修飾層，厚度為30～60nm，以提高電池的性能。

當光透過ITO電極照射到有機半導體層上時，層中的電子給體P3HT吸收光子，發生如圖6所示的過程。在光子的激發下，P3HT最高占據軌道上的價電子躍遷到最低空軌道上，最高占據軌道留下空穴，形成電子空穴對。由于電子給體P3HT最低空軌道的能量比電子受體PCBM最低空軌道的能量高，所以躍遷電子從P3HT的最低空軌道轉移到PCBM的最低空軌道上，最終被金屬負極收集。同時，空穴向ITO正極轉移，并被收集。這樣就實現了電子和空穴的分離，產生光電流和光電壓。

有機聚合物單層太陽能電池的結構，可以簡單地看做是雙層異質結太陽能電池除去電子受體層。與雙層異質結太陽能電池相比，單層太陽能電池存在電子、空穴復合率更高等缺點，因此電池轉化效率較低。

3 結語

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的能源。在目前創導節能減排、保護環境的形勢下應大力提倡太陽能利用。

參考文獻

[1]羅揚.太陽能電池的工作原理及種類[J].《科技與生活》，2013（1）：166-168.

（作者單位：英利能源（中國）有限公司）