太陽能電池工作原理及應用

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。在物理學上稱為太陽能光伏（Photovoltaic ， photo 光，voltaics 伏特，縮寫為 PV），簡稱光伏。當太陽光照射p-n結時，在半導體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應地便產(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結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。關鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；半導體；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，在應用中居主導地位（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，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為%規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 15% （截止2011，為18%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地 位，但由于單晶硅成本價格高，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，其實驗室最高轉(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在太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。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，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(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，會對環(huán)境造成嚴重的污染， 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 28% GaAs化合物材料具有十分理想 的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。（3）有機聚合物電池以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機 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 價電能具有重要意義。但以有機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材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。（5）有機薄膜電池有機薄膜太陽能電池，就是由有機材料構成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽 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，預計在未來5年到10年，基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術將走向成熟并大規(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或者光化學效應直接把光能轉(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， 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)點太陽能電池的工作原理基礎是：半導體Pn結的光生伏打效應。所謂光生伏 打效應，簡言之，就是當物體受到光照時， 物體內(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。當太陽光或其他光照射半導體P- n結時，就會在P n結的兩邊出現(xiàn)電壓，叫光生電壓。使 P. n結短路，就會產(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 個電子，如圖 1所示。每個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， 就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子， 并同 時在它原來的地方留出一個空位，即半導體物理學中所謂的“空穴” 。由于電子 帶負電

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動的電荷。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 成為空穴型半導體，簡稱 P 型半導體。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體，簡稱n型半導體。若把這兩 種半導體結合在一起， 由于電子和空穴的擴散， 在交界面處便會形成 p-n 結，并 在結的兩邊形成內(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 。當太陽光照射 p-n 結時，在半導體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子， 相 應地便產(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)生了電動勢，即光生伏打電動勢。接通 電路時便有電能輸出。這就是P.凡結接觸型單晶硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。若把幾十個、數(shù)百個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，便可獲得相當可觀的輸出功率的電能。太陽能電池的應