太陽能電池工作原理及應(yīng)用

1、摘 要：太陽能電池 又稱為“太陽能芯片”或光電池，是一種利用 太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏（Photovoltaic ， photo 光，voltaics 伏特，縮寫為 PV），簡稱光伏。當(dāng)太陽光照射p-n結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電子空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向rt型區(qū)，空穴被驅(qū)向 P型區(qū)，從而使rt區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。于是，就在p-n結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；半導(dǎo)體；電池太陽能電池的分類簡介太陽能電池根據(jù)所用材料的不同

2、，太陽能電池還可分為：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(jī)太陽能電池、 塑料太陽能電池，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位（1）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。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為%規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為 15% （截止2011，為18%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地 位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省 硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜 做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品

3、。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅 薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10% （截止2011，為17%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅太陽能電池 無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。2）多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池硫化鎘、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

4、大規(guī)模生產(chǎn)， 但由于鎘有劇毒，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)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(dá) 28% GaAs化合物材料具有十分理想 的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。（3）有機(jī)聚合物電池以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī) 材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本低等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉 價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不

5、論是使用壽命， 還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。（5）有機(jī)薄膜電池有機(jī)薄膜太陽能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機(jī)太陽 能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機(jī)材料制成的6）染料敏化電池染料敏化太陽能電池，是將一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射， 生成自由電子和空穴。 自由電子被TiO2吸收，從電極流出進(jìn)入外電路， 再經(jīng)過用電器，流入電解液，最后回到色素。染料敏化太陽能電池的制造成本很低，這使它具有很強(qiáng)的

6、競爭力。它的能量轉(zhuǎn)換效率為12%左右。（7）塑料電池塑料太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，其成本低廉、環(huán)保。但塑料太陽能電池尚不成熟，預(yù)計(jì)在未來5年到10年，基于塑料等有機(jī)材料的太陽能電池制造技術(shù)將走向成熟并大規(guī)模投入使用。太陽能工作原理太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光一熱一電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光一電直接轉(zhuǎn)換 方式。其中，光一電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)， 將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電 能，光一電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。 太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大

7、優(yōu)點(diǎn)太陽能電池的工作原理基礎(chǔ)是：半導(dǎo)體Pn結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏 打效應(yīng)，簡言之，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)， 物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn) 生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體P- n結(jié)時(shí)，就會(huì)在P n結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫光生電壓。使 P. n結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。單晶硅 的原子是按照一定的規(guī)律排列的。硅原子的外層電子殼層中有4 個(gè)電子，如圖 1所示。每個(gè)原子的外層電子都有固定的位置，并受原子核的約束。它們在外來能 量的激發(fā)下， 如在太陽光輻射時(shí)， 就會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由電子， 并同 時(shí)在它原來的地方留出一個(gè)空位，即半導(dǎo)體物理學(xué)中所謂的“空穴” 。由于電子 帶負(fù)電

8、，空穴就表現(xiàn)為帶正電。電子和空穴就是單晶硅中可以運(yùn)動(dòng)的電荷。如果在晶體硅中摻人能夠俘獲電子的硼、鋁、鎵或銦等雜質(zhì)元素，那么它就 成為空穴型半導(dǎo)體，簡稱 P 型半導(dǎo)體。如果有硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、 砷或銻等雜質(zhì)元素，那么它就成了電子型的半導(dǎo)體，簡稱n型半導(dǎo)體。若把這兩 種半導(dǎo)體結(jié)合在一起， 由于電子和空穴的擴(kuò)散， 在交界面處便會(huì)形成 p-n 結(jié)，并 在結(jié)的兩邊形成內(nèi)建電場，又稱勢壘電場。由于此處電 阻特別高，所以也稱為阻擋層 。當(dāng)太陽光照射 p-n 結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子， 相 應(yīng)地便產(chǎn)生了電子空穴對， 并在勢壘電場的作用下， 電子被驅(qū)向凡型區(qū)， 空 穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使n區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴；是，就在 p-n 結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場，如下圖 2 所示。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分使P型區(qū)帶正電，n型區(qū)帶負(fù)電； 于是，就使得在n區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng)勢，即光生伏打電動(dòng)勢。接通 電路時(shí)便有電能輸出。這就是P.凡結(jié)接觸型單晶硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。若把幾十個(gè)、數(shù)百個(gè)太陽能電池單體串聯(lián)、并連起來，組成太陽能電池組體，在 太陽光的照射下，便可獲得相當(dāng)可觀的輸出功率的電能。太陽能電池的應(yīng)