太阳能电池结构工作原理发展现状及趋势

1、太阳能电池结构、工作原理、开展现状及趋势摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。已经成为越来越值得关 注的社会与环境问题。近年来，光伏市场快速开展并取得可喜的成就。本文介绍了太阳 能电池的结构、工作原理、开展现状及趋势。关键字；太阳能电池；结构；工作原理；开展现状及趋势。引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球外表的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期开展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。一:太阳能电池结构及工作原理1:太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的外形及根本结构如图

2、1。根本材料为P型单 晶硅，厚度为0.3 0.5mm左右。上外表为N+型区，构成一个PN +结。顶区外表有栅 状金属电极，硅片反面为金属底电极。上下电极分别与 N +区和P区形成欧姆接触，整 个上外表还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池外表时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子 在N+区，PN +结空间电荷区和P区中激发出光生电子一一空穴对。各区中的光生载流 子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出奉献。光生电子留于N +区，光生空穴留于P区，在PN +结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效 应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从 P区经负载流至N

3、+区，负载中就有功率 输出。太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的 紫光或紫外光敏感，约占总光源电流的5- 10% 随N +区厚度而变，PN +结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占 5 %左右。电池基体区域产生的光电流对红外光 敏感，占80 90%，是光生电流的主要组成局部。1cm图1太阳能电池的根本结构及工作原理将光子转换为电子2 计算器和人造卫星上使用的太阳能电池都是光伏电池或者模块模块就是一组通过电路 连接并圭寸装在一个框架内的电池。光伏电池Photovoltaics ，顾名思义photo=光, voltaic=电，是指将太阳光转换为电能的电池。光

4、伏电池之前只用在太空中，而现在 却越来越普及，且使用方式也越来越普通。它们甚至可以为您的住宅供电。这些装置是 如何工作的呢？光伏PV电池由半导体材料制成，比方硅就是目前最常用的一种半导体。当光照射电 池时，有一局部光会被材料吸收。这意味着吸收的光能将传给半导体。能量会导致电子 逸出，使它们可以自由流动。光伏电池中还有一个或多个电场，可以迫使由光吸收并释 放的电子以一定方向流动。电子的流动形成电流，通过在光伏电池的顶部和底部安放金 属触点，我们可以将电流引出来，以供使用。例如，电流可以为计算器供电。此电流以 及电池电压由内部电场产生决定了太阳能电池的功率或者瓦特数。这是发电的根本过程，但是实际情

5、况要复杂得多。让我们来深入研究一个光伏电池的示 例：单晶硅电池。硅有一些特别的化学特性，尤其是它的晶体结构。硅含有 14个电子，排列在三个不同的 核外电子层中。距离原子核最近的头两个电子层完全填满。而最外层电子那么处于半满状 态，只有四个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层即希望有八个电子。 为此，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，这就好比每个原子与周围原子握 手一样，只是在这种情况下，每个原子有四只手与四个邻居相握。这就形成了晶体结构， 该结构对于这种类型的光伏电池具有重要的意义。现在，我们已经了解了纯晶体硅。纯硅是一种性能很差的导体，因为它的电子不能像铜 这样的导体中的电子

6、那样自由移动。硅中的电子被全部锁在晶体结构中。太阳能电池中 的硅结构已经过稍稍调整，以便它能作为太阳能电池来工作。太阳能电池使用的硅混有杂质一一其他原子与硅原子混在一起，这样会稍稍改变硅的工 作方式。我们通常认为杂质是某种不好的东西，但在这个例子中，如果没有这些杂质， 电池就无法工作。实际上，这些杂质是有意添加到硅中的。考虑硅与一个位置不定的磷 原子在一起的情况，也许每一百万个硅原子配上一个磷原子。磷原子的外电子层有五个 电子，而不是四个。它仍然要与硅周围的原子结合，但从某种意义上讲，磷原子有一个 电子是不与任何原子握手的。它没有成为键的一局部，但是磷原子核中的正质子会使其 保持在原位上。当把

7、能量加到纯硅中时比方以热的形式，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。不过，留在 纯硅中的电子数量极少，因此没有太大的用处。而将纯硅与磷原子混合起来，情况就完 全不同了。此时，只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余的电子逸出，因为这些 电子没有结合到共价键中一一它们的邻居不会将它们拉回。因此，大多数这类电子会成 为自由电子，这样，我们就得到了比纯硅中多得多的自由载流子。有意添加杂质的过程被称为掺杂，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型“n表示负电，因

8、为硅里面有很多自由电子。与纯硅相比，N型掺杂硅是一种性能好得多的导体。实际上，太阳能电池只有一局部是 N型。另一局部硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有 三个而不是四个电子，这样可得到 P型硅。P型硅中没有自由电子“ p表示正电， 但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反正的电荷。它们 像电子一样四处移动。在将N型硅与P型硅放到一起时，有趣的情形发生了。切记，每块光伏电池至少有一个 电场。没有电场，电池就无法工作，而此电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。突然，N侧的自由电子它们一直在寻找空穴来安身看到了 P侧的所有空穴，然后便 疯狂地奔向空穴，将空穴填满。以前，从电的角度来看

9、，我们所用的硅都是中性的。多 余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子空穴由硼中缺失质子所中和。当空穴 和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。所有自由电子会填充所有 空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。不过，在交界处， 它们确实会混合形成一道屏障，使得 N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会到达平衡 状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。这个电场相当于一个，允许甚至推动 电子从P侧流向N侧，而不是相反。它就像一座山一一电子可以轻松地滑下山头 到达N 侧，却不能向上攀升到达 P侧。这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动

10、。 让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。当光以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，那么电 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，贝皿子会经过该通路，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。电子流动提供电流，电池的电场产生电压。有 了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。二：太阳能电池开展现状及趋势：太阳能发电是一项高新技术

11、，以太阳能为资源根底的生产将是一种可持续的开展模 式。从阳光直接转变成电流的太阳电池也将不再是昂贵的的市场空缺。全球太阳能产品 的年销售额达14亿美元，其中12亿美元来自太阳能电池的销售。太阳能工业的年增长 率估计在20%左右，太阳能利用增长的潜力是巨大的。制作太阳能电池主要是以半导体材料为根底，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反响，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池；化合物太阳能电池，如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等；功能高分子材料制备的太阳能电池； 纳米晶太阳能电池等。不管以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有： 半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光

12、电转换效率：材料本身对环境不造成污染； 材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电 池材料，这也是目前在太阳能电池领域硅太阳能电池占主导地位的主要原因。1，有关高效率，低本钱晶体硅太阳能电池开发硅太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池主 要是指单晶硅和多晶硅太阳能电池。规模化生产中，单晶硅太阳能电池具有转换效率最 高、技术最为成熟、可靠性高等优点。澳大利亚新南威尔士大学硅太阳电池及硅发光实 验室副主任赵建华研发的PERL(钝化发射极、反面点扩散)太阳能电池转换效率高达24.7%。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相近，但

13、是从制作本钱上来讲， 比单晶硅太阳能电池要低得多。多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电 池要低。我国尚德太阳能电力将开始量产转换效率 18.8 的单晶硅型、 17.2 的多晶硅 型太阳能电池单元。目前，我国已上马了多家多晶硅材料的生产基地，解决我国晶体硅太阳能电池原料 高度依赖国外进口的现状。随着多晶硅供需平衡，多晶硅价格会迅速恢复到合理价位， 将直接导致硅太阳能电池生产本钱大大降低， 为多晶硅太阳能电池创造更好的开展条件。硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，而且由于硅太阳能电池一般采用钢化玻璃以 及防水树脂进行封装，因此其巩固耐用，使用寿命一般可达 15 年，最高可达 25 年。薄

14、 膜太阳能电池由于其制造本钱低，对环境的影响小，近年来备受关注，其所占的市场份 额逐渐加大。但是在目前金融危机情况下，硅原材料本钱已下降到每公斤 100 美元以下， 本钱大大下降，已接近火电发电本钱每瓦 1 元人民币，由于转化效率高于薄膜，本钱下 降较大，所以硅太阳能电池仍具备强有力的竞争力。2，新型薄膜电池开发薄膜太阳能电池是最富前途的下一代太阳能电池技术，它节省了硅原料的使用和硅 片制造工艺。与目前常见的硅片太阳能电池相比，硅薄膜太阳能电池用硅量仅为前者的 1%左右，可使每瓦太阳能电池本钱从 2.5 美元降至 1.2 美元。此外，这种高科技新产品 可与建筑物屋顶、墙体材料如玻璃幕墙融为一体

15、，既可并网发电又能节约建筑材料、美 化环境。目前正在研发中和已有产品出售的薄膜太阳能电池主要有以下几种：(1) 非晶硅薄膜电池：是薄膜太阳能电池中最成熟的产品之一。由于非晶硅薄膜 太阳能电池的本钱低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速开展，但 由于其光学带隙为 1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样 一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。(2) 多晶硅硅薄膜电池：其转换效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，又无效率衰退问 题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，但由于控制薄膜中硅晶粒大小的技术没有解决， 尚未能制成有实用价值的太阳能电池。( 3 )有机染料敏化电池：它是

16、一种光电化学电池。(4) 铜铟锡(CIS)和锑化镉(CdT® :两种化合物多晶薄膜太阳能电池，中试转 换效率已经超过 10。但是，由于元素镉的有毒性及其对环境的污染，这种太阳能电池 技术均不具备长远的产业化生命力。(5) 铜-铟-硒(及其合金)电池:据美国 Miasole 公司称，他们研制的样品转换效 率可达 19.5 ，试销产品的转换效率可达 9。但由于铟和硒都是比拟稀有的元素，因 此，这类电池的开展必然受到限制。(6) 砷化镓III-V化合物薄膜电池：在250C的条件下，光电转换性能仍很良好, 其最高光电转换效率约 30，且能耐高温，特别适合做高温聚光太阳能电池。但生产成 本高，

17、产量受限，目前主要作空间电源用。在光伏利用中，相对于其它薄膜电池，由于硅材料储量丰富，且无毒、无污染，具 有主导地位。目前，在硅基薄膜太阳能电池家族中，非晶硅薄膜电池占有主要地位。但 非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点，并且转化效率远低于晶体硅太阳能电池。 目前又出现了各种叠层太阳能电池，转换效率达 14.6%，接近多晶硅太阳能电池。近年来，另一种新型硅基薄膜材料纳米硅薄膜由于其优良的性能引起了人们广 泛的关注。理论上其最大转换率为 44%，如能产业化，那么高于单晶硅电池。3，超高级太阳能电池的探索A, 聚光太阳能CPV第三代聚光太阳能CPV发电方式，正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经

18、历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池,目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV系统发电。与前两代电池相比，CPV采用多结的山-V族化合物电池，具有大光谱吸 收、高转换效率等优点；而且所需的电池面积不大，以相对廉价的聚光器件替代昂贵的 半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低本钱、降低生产能耗。CPV系统具有转换率优势和耐高温性能。硅电池的理论转换效率大概为23%单结的砷化镓电池理论转换效率可达 27%，多结的 III-V 族电池对光谱进行了更全面的吸收， 其理论 转换率可超过50%即使考虑到聚光和追踪所产生的误差损失，目前的CPV系统转换效率可达25%高于目前市售晶硅电池17流右的转换效率。此外，

19、GaAs系电池的高温衰减性 能强于硅系电池，更适合应用于日照强烈的荒漠地区。CPV系统的生产过程更加节能环保。 聚光倍数越大，所需的光伏电池面积越小，对于高达几百倍的HCP系统来说，硬币大小的转换电池就可转换碗口面积的光能。在节省半导体材料用量的同时，降低了太阳能发 电系统的生产本钱和能耗，使得CPV具有更短的能量回收期。CPV发电渐具本钱优势，更 具本钱下降潜力。随着CPV技术的更加成熟以及生产规模的进一步扩大，普遍预计2021年内即可实现较低的平准化电力本钱LCOE,低于晶硅和薄膜电池。未来，假设对光伏发 电设备的生产环节征收碳排放税，CPV勺投资回收期仅会延长12个月，晶硅和薄膜电池 均

20、会延长1年以上，届时CPV勺相对本钱优势将更加明显。CPV将长期与晶硅、薄膜电池共存。CPV由于系统的复杂性，较适用于大型的光伏发 电电站，可采用统一的追日控制方式和冷却系统。而晶硅和薄膜电池更适用于较小型的 家用和商用发电系统，长期来看，CPV并不会完全取代晶硅和薄膜电池的市场， 正如薄膜 电池不会完全取代晶硅电池一样。市场规模具备高速增长潜力。目前全球的CPV装机不到200MW，预计今后几年内，随 着技术优势和本钱优势的表达，市场规模将有爆发式的增长，未来 10年年均增速预计在 40%以上。到 2021年行业总产值可达 500亿元左右。我国目前仅有少量示范电站，未来 随着光伏装机容量的提升

21、，CPV勺市场也将逐渐翻开。CSP也将逐渐步入规模化应用。CSP 系统主要是对太阳能聚光产生的热量进行利用， CSP虽然不需使用光伏电池，但依然需要 大量的光学聚光器。预计 2021年新增装机将到达 5.5GW。相关国内上市公司：目前国内尚无成熟的 CPV设备制造商，产品进口依赖度较高。A 股上市公司中，万家乐、三安光电、哈高科均具有CPV制造业务，新华光、水晶光电、利达光电那么具有光学聚光器的生产能力，未来有望从CPV和 CSP市场的高速扩张中获益。B, 聚合物多层修饰电极型太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池的研究方 向。其原理是利用不同氧化复原型聚合物的

22、不同氧化复原电势，在导电材料电极 外表进行多层复合，制成类似无机PN 结的单向导电装置。其中一个电极的内层由复原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的复原电位较高，电子转移方向只能由 内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还 原电位均高于后者的两种聚合物的复原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的 电解波中时光敏化剂吸光后产生的电子转移到复原电位较低的电极上，复原电位 较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过复原电位较高 的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，本钱底等优势，从而对大规 模利用太阳能

23、，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，不管是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。 能否开展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。C, 纳米晶化学太阳能电池在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是开展最成熟的，但由于本钱居高不下， 远不能满足大规模推广应用的要求。为此,人们一直不断在工艺、新材料、电池薄 膜化等方面进行探索, 而这当中新近开展的纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池受到国 内外科学家的重视。自瑞士 Gratzel 教授研制成功纳米 TiO2 化学大阳能电池以来, 国内一些单位也 正在进行这方面的研究。纳米晶化学太阳能电池简

24、称 NPC 电池是由一种在禁带 半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采 用过渡金属 Ru 以及 Os 等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米多晶 TiO2 并制成电极,此外 NPC 电池还选用适当的氧化一复原电解质。纳米晶 TiO2 工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到 紧邻的 TiO2 导带,染料中失去的电子那么很快从电解质中得到补偿,进入TiO2 导带中的电于最终进入导电膜 ,然后通过外回路产生光电流。纳米晶 TiO2 太阳能电池的优点在于它廉价的本钱和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10以上,制作本钱

25、仅为硅太阳电池的1/5 1/10 寿命能到达2O 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。从以上几个方面的讨论可知,作为太阳能电池的材料,III-V 族化合物及 CIS 等系由稀有元素所制备,尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高,但从材料来源 看,这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和 聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题,它们的研究刚刚起步,技术不是很成熟, 转换效率还比拟低,这两类电池还处于探索阶段,短时间内不可能替代应系太阳能 电池。因此,从转换效率和材料的来源角度讲,今后开展的重点仍是硅太阳能电池 特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效 率和相对较低的本钱,将最终取代单晶硅电池,成为市场的主导产品。提高转换效率和降低本钱是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素,对于目前 的硅系太阳能电池,要想再进一步提高转换效率是比拟困难的。因此,今后研究的 重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低本钱上来,现有的高转换效率的 太阳能电池是在高质量的硅片上制成的,这是制造硅太阳能电池最费钱的局部。因 此,在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的本钱就显得尤为重要。也是 今后太阳能电池开展急