關(guān)于太陽能電池及分類與工作原理詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-05 08:06
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太陽能電池的工作原理基礎(chǔ)是半導(dǎo)體p-n結(jié)的“光生伏打”效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。
當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，產(chǎn)生電子--空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部P-N結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)部電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在p-n結(jié)附近形成與勢壘方向相反的光生電場。
光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在n區(qū)和p區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 當(dāng)把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），它會導(dǎo)致幾個電子脫離其共價(jià)鍵并離開原子。
每有一個電子離開，就會留下一個空穴。然后，這些電子會在晶格周圍四處游蕩，尋找另一個空穴來安身。這些電子被稱為自由載流子，它們可以運(yùn)載電流。
這個電場相當(dāng)于一個二極管，允許（甚至推動）電子從p側(cè)流向n側(cè)，而不是相反。 當(dāng)光以光子的形式撞擊太陽能電池時，其能量會使電子空穴對釋放出來。 每個攜帶足夠能量的光子通常會正好釋放一個電子，從而產(chǎn)生一個自由的空穴。
如果這發(fā)生在離電場足夠近的位置，或者自由電子和自由空穴正好在它的影響范圍之內(nèi)，則電場會將電子送到N側(cè)，將空穴送到P側(cè)。這會導(dǎo)致電中性進(jìn)一步被破壞，如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)（P側(cè)），在那里與電場發(fā)送的空穴合并，并在流動的過程中做功。從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。
由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。
太陽能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)制成的。黑體（如太陽）輻射出不同波長（對應(yīng)于不同頻率）的電磁波， 如紅外線、紫外線、可見光等等。當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上，光子與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。
射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能，值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時，電流才能產(chǎn)生。
太陽電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會對環(huán)境造成污染。
太陽能電池的種類
太陽能電池按形態(tài)可分為剛性太陽能電池和柔性太陽能電池；按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形；按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形；根據(jù)所用材料的不同，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。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。
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
單晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括正面梳狀電極、減反射膜、N型層、PN結(jié)、P型層、背面電極等。單晶硅太陽能電池廣泛用于空間和地面，這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。將單晶硅棒切成片，經(jīng)過一系列的半導(dǎo)體工藝形成PN結(jié)。
然后采用絲網(wǎng)印刷法做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)工藝制成背電極，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片即可按所需要的規(guī)格用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組裝成太陽能電池組件(太陽能電池板)，構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架進(jìn)行封裝，將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。
硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(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)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。
現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，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。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的。
單晶硅太陽能電池的特點(diǎn)
單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，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，雖然其轉(zhuǎn)換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復(fù)雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用率低，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困難的。
為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。
多晶硅太陽能電池
多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層 作為太陽電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣，是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。
多晶硅太陽能電池芯片是具有光電效應(yīng)的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體的PN結(jié)被光照后產(chǎn)生電流，當(dāng)光直射太陽能電池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透過電池芯片、被吸收的光激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，使之成為自由電子，這些自由電子在晶體內(nèi)向各方向移動，余下空穴（電子以前的位置）?？昭ㄒ矅@晶體飄移，自由電子（－）在N結(jié)聚集，空穴（＋）在P結(jié)聚集，當(dāng)外部環(huán)路被閉合，電流產(chǎn)生。
太陽能電池使用的多晶硅材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形電池片。
多晶硅太陽能電池板的制作工藝與單晶硅太陽能電池板差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。
多晶硅太陽能電池的特點(diǎn)
1、具有穩(wěn)定高效的光電轉(zhuǎn)換效率。
2、表面覆深藍(lán)色氮化硅減反膜,顏色均勻美觀。
3、高品質(zhì)的銀和銀鋁漿料，確保良好的導(dǎo)電性、可靠的附著力和很好的電極可焊性。
4、高精度的絲網(wǎng)印刷圖形和高平整度，使得電池易于自動焊接和激光切割。
非晶硅太陽能電池
非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜(TCO)層、非晶硅薄膜P-I-N層(I層為本征吸收層)、背電極金屬薄膜層組成，基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。
制造方法有多種，最常見的是用輝光放電法得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，可一次制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。
非晶態(tài)硅，其原子結(jié)構(gòu)不像晶體硅那樣排列得有規(guī)則，而是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。非晶硅屬于直接帶系材料，對陽光吸收系數(shù)高，只需要1 ùm厚的薄膜就可以吸收80%的陽光。
非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。由于硅原料不足和價(jià)格上漲，促進(jìn)了高效使用硅的技術(shù)和非晶硅薄膜系太陽能電池的開發(fā)。非晶硅薄膜電池低廉的成本彌補(bǔ)了其在光電轉(zhuǎn)換效率上的不足，未來將在光伏發(fā)電上占據(jù)越來越重要的位置。
但是由于非晶硅缺陷較多，制備的太陽能電池效率偏低，且其效率還會隨著光照衰減，導(dǎo)致非晶硅薄膜太陽能電池的應(yīng)用受到限制。
目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向是與微晶硅結(jié)合，生成非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點(diǎn)，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度，目前單純非晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率為17 .4%。
非晶硅薄膜太陽能電池的特點(diǎn)
非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽能電池相比，具有重量輕、工藝簡單、成本低、耗能少和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們重視，并得到迅速的發(fā)展。非晶硅薄膜太陽能電池首先實(shí)現(xiàn)商品化，也是目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的薄膜電池。
雖然非晶硅薄膜太陽能電池得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，依然存在著很多問題需要去解決：
1、y光學(xué)禁帶寬度為1.7 eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域吸收不敏感，限制了其光電轉(zhuǎn)換效率;
2、光電轉(zhuǎn)換效率隨著光照時間的增長而衰弱，即所謂的光致衰退（S W）效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定;
3、制備過程中，非晶硅的沉積速率較低，影響了非晶硅薄膜太陽能電池的商業(yè)化生產(chǎn);
4、電池組件的后續(xù)加工困難，如Ag電極的處理問題;
5、在薄膜沉積過程中存在大量的負(fù)面雜質(zhì)，如Oz ， Nz和C等，影響薄膜的質(zhì)量和電池的穩(wěn)定性。
多元化合物薄膜太陽能電池
多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。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，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(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。
CIS 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
聚合物多層修飾電極型太陽能電池
在太陽能電池中以聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導(dǎo)電材料（電極）表面進(jìn)行多層復(fù)合，制成類似無機(jī)P－N結(jié)的單向?qū)щ娧b置。
其中一個電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個電極的修飾正好相反，并且第一個電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。
當(dāng)兩個修飾電極放入含有光敏化劑的電解波中時．光敏化劑吸光后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到還原電位較低的電極上，還原電位較低電極上積累的電子不能向外層聚合物轉(zhuǎn)移，只能通過外電路通過還原電位較高的電極回到電解液，因此外電路中有光電流產(chǎn)生。
由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(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
納米晶化學(xué)太陽能電池
在太陽能電池中硅系太陽能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進(jìn)行探索，而這當(dāng)中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池受到國內(nèi)外科學(xué)家的重視。
納米晶化學(xué)太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。
納米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進(jìn)入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。
納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5－1/10．壽命能達(dá)到2O年以上。
鈣鈦礦型太陽能電池
2015年，日本、中國和瑞士研究人員借助薄膜摻雜技術(shù)，制造出一種面積為1平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池，其公證效率為15％，研究人員給鈣鈦礦電池的無機(jī)界面層氧化鎳薄膜重?fù)诫s鋰與鎂，將其導(dǎo)電性提高了10倍左右。
鈣鈦礦型太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，即是將染料敏化太陽能電池中的染料作了相應(yīng)的替換。
鈣鈦礦太陽能電池由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。
其中，電子傳輸層一般為致密的TiO2納米顆粒，以阻止鈣鈦礦層的載流子與FTO中的載流子復(fù)合。通過調(diào)控TiO2的形貌、元素?fù)诫s或使用其它的n型半導(dǎo)體材料如ZnO等手段來改善該層的導(dǎo)電能力，以提高電池的性能。
鈣鈦礦太陽能電池中的物理過程
在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因?yàn)檫@些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長。這就是鈣鈦礦太陽能電池優(yōu)異性能的來源。
然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)絋iO2等電子傳輸層，最后被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集。
當(dāng)然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復(fù)合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應(yīng)該降到最低。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。
