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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
< br>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
< br>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<
/p>
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
< br>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<
/p>
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
< br>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。
< br>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<
/p>
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
< br>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
< br>”
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，<
/p>
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
< br>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：
< br>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。<
/p>
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<
/p>
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。<
/p>
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，<
/p>
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。
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