太阳能电池(结构、工作原理、发展现状及趋势)

太阳能电池（结构、工作原理、发展现状及趋势）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，光伏市场快速发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、发展现状及趋势。关键字；太阳能电池；结构；工作原理；发展现状及趋势。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内照射带地球表面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发展战略，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基本结构如图1。基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池表面时，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——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。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＋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部分。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封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，比如硅就是目前最常用的一种半导体。当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收。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）。这是发电的基本过程，但是实际情况要复杂得多。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。硅原子含有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。而最外层电子则处于半满状态，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——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。它没有成为键的一部分，但是磷原子核中的正质子会使其保持在原位上。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。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——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，太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，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，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。最终会达到平衡状态，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二极管，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——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。让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。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。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：太阳能电池发展现状及趋势：太阳能发电是一项高新技术，以太阳能为资源基础的生产将是一种可持续的发展模式。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基础，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应，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。不论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，低成本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、背面点扩散）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，但是从制作成本上来讲，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成本大大降低，为多晶硅太阳能电池创造更好的发展条件。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，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。薄膜太阳能电池由于其制造成本低，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，硅原材料成本已下降到每公斤100美元以下，成本大大下降，已接近火电发电成本每瓦1元人民币，由于转化效率高于薄膜，成本下降较大，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成本从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，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成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，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：它是一种光电化学电池。（4）铜铟锡（CIS）和锑化镉（CdTe）：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较稀有的元素，因此，这类电池的发展必然受到限制。（6）砷化镓III-V化合物薄膜电池：在250℃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，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，则高于单晶硅电池。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。光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目