太陽(yáng)能電池的原理及種類

解占壹

摘 要：光-電直接轉(zhuǎn)化是目前將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的最佳途徑，它是將太陽(yáng)輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的裝置稱為太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池具有清潔性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，它可大到百萬(wàn)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(duì)太陽(yáng)能電池的原理及種類作-概括的介紹。

關(guān)鍵詞：原理；電池種類

1 太陽(yáng)能電池發(fā)電原理

太陽(yáng)能電池發(fā)電是根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)；值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無(wú)關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí)，電流才能產(chǎn)生。能夠使半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的最大波長(zhǎng)同該半導(dǎo)體的禁帶寬度相關(guān)，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長(zhǎng)小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應(yīng)。太陽(yáng)電池是一種可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”，它是不導(dǎo)電的，但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個(gè)電子空穴與N型半導(dǎo)體多了一個(gè)自由電子的電位差來(lái)產(chǎn)生電流，所以當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來(lái)，而產(chǎn)生電子和空穴的對(duì)流，這些電子和空穴均會(huì)受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來(lái)，形成一個(gè)回路，這就是太陽(yáng)電池發(fā)電的原理。

2 太陽(yáng)能電池的種類

2.1硅系太陽(yáng)能電池

（1）單晶硅太陽(yáng)能電池

硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)星單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)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(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，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(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。

（2）多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350 ～450um的高質(zhì)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(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過(guò)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(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)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(lái)制備多晶硅薄膜電池。化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2CI2、SiHCIB、Sicl4或SiH4，為反應(yīng)氣體，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)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(guó)光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長(zhǎng)出硅晶粒，并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池，稱之為”硅?！碧?yáng)能電池，但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰退問題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料.上制備，其成本遠(yuǎn)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(yáng)能電池

開發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，其實(shí)早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開始了對(duì)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(fā)展，目前世界上已有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅作為太陽(yáng)能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這樣一來(lái)就限制了非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S- W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池，疊層太陽(yáng)能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽(yáng)能電池上再沉積一一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。

2.2有機(jī)聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池具有多種結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)體層，它連接一層不透明的金屬作為背電極。當(dāng)外部負(fù)載通過(guò)金屬導(dǎo)線與兩個(gè)電極相連時(shí)，就形成一個(gè)太陽(yáng)能電池，它的光伏效應(yīng)區(qū)是有機(jī)半導(dǎo)體層。按照有機(jī)半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池可以劃分為三大類，即單層結(jié)構(gòu)（單一有機(jī)或共軛聚合物材料）、雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，其有機(jī)半導(dǎo)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(gòu)成，厚度常為100～200nm。常見的電子給體有聚噻吩、聚對(duì)苯乙烯撐及其衍生物，其中P3HT（聚3-己基噻吩）在目前應(yīng)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(zhì)的結(jié)構(gòu)示于圖5。通常，ITO電極和有機(jī)半導(dǎo)體層之間還夾一層透明導(dǎo)電聚合物修飾層，厚度為30～60nm，以提高電池的性能。

當(dāng)光透過(guò)ITO電極照射到有機(jī)半導(dǎo)體層上時(shí)，層中的電子給體P3HT吸收光子，發(fā)生如圖6所示的過(guò)程。在光子的激發(fā)下，P3HT最高占據(jù)軌道上的價(jià)電子躍遷到最低空軌道上，最高占據(jù)軌道留下空穴，形成電子空穴對(duì)。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(zhuǎn)移到PCBM的最低空軌道上，最終被金屬負(fù)極收集。同時(shí)，空穴向ITO正極轉(zhuǎn)移，并被收集。這樣就實(shí)現(xiàn)了電子和空穴的分離，產(chǎn)生光電流和光電壓。

有機(jī)聚合物單層太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單地看做是雙層異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池除去電子受體層。與雙層異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池相比，單層太陽(yáng)能電池存在電子、空穴復(fù)合率更高等缺點(diǎn)，因此電池轉(zhuǎn)化效率較低。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是人類取之不盡、用之不竭的能源。在目前創(chuàng)導(dǎo)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的形勢(shì)下應(yīng)大力提倡太陽(yáng)能利用。

參考文獻(xiàn)

[1]羅揚(yáng).太陽(yáng)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(guó)）有限公司）