太阳能电池的种类和原理

太阳能电池的种类和原理倪斌 厦门大学物理与机电工程学院（厦门汉青信息技术有限公司）王亚军 副教授 厦门大学物理与机电工程学院贾迎春 陈艳玲 周珍富 郭捷基金项目： 1. 福建省产学合作重大项目（ 2011H6025）、 2. 福建省科技重点项目（ 2012H0039）、 3. 福建省产学合作重大项目（ 2013H6024） . 导师简介：王亚军（ 1969- ），男，浙江慈溪人，副教授，硕士研究生导师，主要从事新能源、半导体照明方面的研究 . 作者简介：倪斌（ 1982- ），男，福建厦门人，硕士研究生，主要从事柔性太阳能电池方面的研究 .1、半导体世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的， 一些电子脱离原子核的束缚， 能够自由运动时，称为自由电子。 金属之所以容易导电， 是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子， 在电场的作用下， 这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动， 形成了电流。 自由电子的数量越多， 或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大。 电子流动运载的是电量， 我们把这种运载电量的粒子， 称为载流子。在常温下， 绝缘体内仅有极少量的自由电子， 因此对外不呈现导电性。 半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。半导体可以是元素， 如硅 （ Si） 和锗 （ Ge） ， 也可以是化合物， 如硫化镉 （ OCLS）和砷化镓（ GaAs），还可以是合金，如 GaxAL1-xAs ，其中 x 为 0-1 之间的任意数。许多有机化合物，如蒽也是半导体。半导体的电阻率较大 （约 10-5 ρ 107 m） ， 而金属的电阻率则很小 （约10-8 10-6 m），绝缘体的电阻率则很大（约 ρ 108 m）。半导体的电阻率对温度的反应灵敏， 例如锗的温度从 200C 升高到 300C， 电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高 1000C， ρ 增加40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从 2.14 103 m 减小到0.004 m 左右。金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著的变化。2、太阳能电池的发电原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。 这也是 “光伏”的由来， 因此太阳能电池也称作光伏电池。 所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时， 物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 当太阳光或其他光照射半导体的 PN 结时，产生电子 --空穴对，在半导体内部 P-N 结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入 n区，空穴流入 p 区，结果使 n 区储存了过剩的电子， p 区有过剩的空穴。它们在p-n 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外， 还使 p 区带正电， n 区带负电， 在 n 区和 p 区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。 当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。 每有一个电子离开， 就会留下一个空穴。 然后， 这些电子会在晶格周围四处游荡， 寻找另一个空穴来安身。 这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。图 1-2 P-N 结这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从 p 侧流向 n 侧，而不是相反。 当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。 如果这发生在离电场足够近的位置， 或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到 N 侧，将空穴送到 P 侧。这会导致电中性进一步被破坏， 如果我们提供一个外部电流通路， 则电子会经过该通路， 流向它们的原始侧（ P 侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。图 1-3 光生伏打效应3、太阳能电池的种类太阳能电池按形态可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池； 按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形； 按材料可分为硅薄膜形、 化合物半导体薄膜形和有机膜形， 而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形 (a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H 等 )、Ⅲ V 族 (GaAs,InP 等 )、ⅡⅥ族 (Cds 系 )和磷化锌 (Zn 3 p 2 ) 等；太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为： 硅太阳能电池、 多元化合物薄膜太阳能电池、 聚合物多层修饰电极型太阳能电池、 纳米晶太阳能电池、 有机太阳能电池， 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。（ 1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、 多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高， 技术也最为成熟。 在实验室里最高的转换效率为 26.7%， 规模生产时的效率为 17%。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于单晶硅成本价格高， 大幅度降低其成本很困难， 为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较 ,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为 25%,工业规模生产的转换效率为 16%。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻， 但是转换效率较低， 便于大规模生产，有极大的潜力。 但受制于其材料引发的光电效率衰退效应， 稳定性较低， 直接影响了它的实际用途。 如果能进一步提高转换率、 解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。（ 2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高， 成本较单晶硅电池低， 并且也易于大规模生产， 但由于镉有剧毒， 会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（ GaAs） III-V 化合物电池的转换效率可达 35%以上， GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 ,抗辐照能力强 ,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。 但是 GaAs 材料的价格不菲 ,因而在很大程度上限制了用 GaAs 电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。 具有价格低廉、 性能良好和工艺简单等优点， 将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。 唯一的问题是材料的来源， 由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。（ 3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能， 提供廉价电能具有重要意义。 但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始， 不论是使用寿命， 还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（ 4）纳米晶太阳能电池纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的，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。（ 5）有机太阳能电池有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。对有机太阳能电池不熟悉， 这是情理中的事。 如今量产的太阳能电池里， 90％以上是硅基的，而剩下的不到 10％也是由其它无机材料制成的。