第三章-太陽電池

第三章太陽電池3.1太陽電池的特點(diǎn)3.2太陽能電池工作原理及構(gòu)成3.3太陽能電池種類3.4利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)3.5太陽能電池的特性3.6太陽電池的制造方法太陽電池同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：

①無枯竭危險(xiǎn)；②清潔能源，絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；

3.1太陽電池的特點(diǎn)⑥獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。⑦無可動(dòng)部分，壽命長(zhǎng)。⑧太陽電池的出力隨入射光、季節(jié)、天氣、時(shí)刻的的變化而變化，夜間不能發(fā)電。⑨產(chǎn)生的電是直流電，不能儲(chǔ)存。⑩目前發(fā)電成本較高。3.2太陽能電池工作原理及構(gòu)成1、什么是光伏發(fā)電？所謂光伏發(fā)電是指直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電方式。也就是通常人們所說的太陽能發(fā)電。光伏發(fā)電實(shí)際上是利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，有效吸收太陽的輻射能，并使之直接將光能轉(zhuǎn)換成電能。光生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

2、什么是光生伏打效應(yīng)？3、

P-N結(jié)的原理半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。本征半導(dǎo)體：純凈,晶體結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體：

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)。熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，這個(gè)空位稱為空穴。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。每個(gè)硅原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，原子之間通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起。兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子。（1）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征

鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)。從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。abc空穴運(yùn)動(dòng)價(jià)電子填補(bǔ)空穴本征半導(dǎo)體有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱為復(fù)合。在一定溫度下本征半導(dǎo)體的自由電子和空穴維持一定的濃度，導(dǎo)電能力很弱。本征半導(dǎo)體小結(jié)（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價(jià)電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。像磷、砷這樣為半導(dǎo)體提供自由電子的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)。自由電子多數(shù)載流子空穴少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價(jià)電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。像硼、鋁這樣為半導(dǎo)體提供空穴的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)。多數(shù)載流子空穴自由電子少數(shù)載流子

*無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。

*多數(shù)載流子的數(shù)量由摻入的雜質(zhì)的濃度決定，摻雜濃度越高多數(shù)載流子的數(shù)量越多。

*少數(shù)載流子數(shù)量是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)（3）PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成*如果載流子濃度分布不均勻，載流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。*載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。*將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層→

PN結(jié)。多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū),產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)

少子漂移促使阻止

擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，這也是由其構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻赑N結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞?？臻g電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。如果在PN結(jié)上加反向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡同樣被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行，同時(shí)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，PN結(jié)的反向電阻很高，即PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。由以上分析可知，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，這是PN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

能帶理論是從原子理論發(fā)展起來的，就單個(gè)原子來說，原子是由原子核和核外電子組成的，電子圍繞原子核做特定的運(yùn)動(dòng)，我們將這一系列特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為電子的量子態(tài)。每個(gè)量子態(tài)中，電子的能量是一定的，這種量子化的能量稱為能級(jí)。4、晶體的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示，靠近原子核原子的束縛強(qiáng)，能級(jí)就低；遠(yuǎn)離原子核電子的束縛弱，能級(jí)就高。電子只能在這些分裂的能級(jí)上運(yùn)動(dòng)，或者從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。E1E2E3E1＜E2＜E3電子的共有化單個(gè)原子兩個(gè)原子由于晶體中原子的周期性排列而使價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，稱為電子的共有化。晶體中周期性勢(shì)場(chǎng)2、能帶的形成量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N條靠得很近的能級(jí)，即分裂成一系列和原來能級(jí)很接近的新能級(jí)我們稱之為能帶。原子中的能級(jí)晶體中的能帶能帶的一般規(guī)律：2.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

1.原子間距越小，能帶越寬，E越大。

3.兩個(gè)能帶有可能重疊。滿帶排滿電子的能帶

價(jià)帶價(jià)電子能級(jí)分離后形成的能帶，價(jià)帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑磁烹娮拥哪軒В諑б彩菍?dǎo)帶禁帶不能排電子的區(qū)域?qū)磁艥M電子的價(jià)帶幾個(gè)有關(guān)能帶的名稱：

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體

從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（Eg約3～6eV），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。絕緣體絕緣體的能帶滿帶空帶

從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。導(dǎo)體導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)體的能帶導(dǎo)帶價(jià)帶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)類似,但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶滿帶或價(jià)帶導(dǎo)帶絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，絕緣體與半導(dǎo)體的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。通常稱為半導(dǎo)體與絕緣體被擊穿。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體一般硅太陽電池采用摻雜三價(jià)元素硼的P型硅片作為襯底，電阻率：0.5-3Ω·cm厚度：200-350μm然后采用不同的手段在P型硅的一面摻雜五價(jià)元素磷，形成N層。這就構(gòu)成了太陽電池的核心部件P-N結(jié)。5、光伏發(fā)電的基本原理當(dāng)大于禁帶寬度Eg

的能量的光照射到P-N結(jié)表面時(shí)，光子注入到半導(dǎo)體后，由于帶間的遷移作用，價(jià)電子帶中的電子被激勵(lì)，從而激發(fā)出電子空穴對(duì)，如果這些電子空穴對(duì)有足夠長(zhǎng)的壽命，擴(kuò)散到空間電荷區(qū)附近，就會(huì)被P-N結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)所分離。

根據(jù)電學(xué)中異性相吸的原理，N區(qū)中的光生非平衡少子—空穴會(huì)向P區(qū)移動(dòng)，而P區(qū)中的光生非平衡少子—電子會(huì)向N區(qū)移動(dòng)，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。

然后被內(nèi)電場(chǎng)分離出來的光生電子和光生空穴分別在空間電荷區(qū)積累起來，形成光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)和P-N結(jié)原有的內(nèi)電場(chǎng)相反，從而破壞了P-N結(jié)平衡，產(chǎn)生了光生電壓。太陽電池工作的條件：必須有光的照射，可以是太陽光、單色光、模擬太陽光等。光子注入到半導(dǎo)體后，激發(fā)出電子空穴對(duì)，并且這些電子空穴對(duì)有足夠長(zhǎng)的壽命，在分離之前不會(huì)復(fù)合消失。必須有一個(gè)靜電場(chǎng)，電子-空穴在靜電場(chǎng)的作用下分離。被分離的電子和空穴被電極收集，輸出到電池外形成電流。太陽電池結(jié)構(gòu)3.3太陽能電池的種類根據(jù)所用材料分類Ⅲ-V族化合物：砷化鎵GaAsⅡ-V族化合物：碲化鎘CdTe三元化合物：銅銦硒CuInSe2單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池1、硅系太陽能電池2、無機(jī)化合物太陽能電池3、有機(jī)太陽能電池

(1)單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里的轉(zhuǎn)換效率為23%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%~18%。

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，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難。1、硅系太陽能電池熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。

硅的單晶體是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展的前沿。單晶硅具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到99.9999％，甚至達(dá)到99.9999999％以上。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性隨溫度的升高而增加，超純的單晶硅是本證半導(dǎo)體。單晶硅太陽電池的特點(diǎn)：⑴硅原子排列非常規(guī)則，結(jié)晶缺陷少；⑵在所有硅太陽電池中轉(zhuǎn)化效率最高，一般實(shí)際產(chǎn)品在15%以上；⑶可靠性高，壽命可達(dá)到20—30年左右；⑷基本機(jī)構(gòu)多為n+/p型，一般以p型單晶硅片作為基片；⑸光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)均勻一致；⑹減反射膜一般為SiO2或TiO2薄膜；⑺厚度一般為0.2—0.3mm，電阻率一般為1-3Ω·cm；⑻顏色多為深色或黑色，而且均勻一致。

(2)多晶硅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(shí)驗(yàn)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13%—15%。

因此，多晶硅太陽能電池不久將會(huì)在太陽能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不相同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來便結(jié)晶成多晶硅。多晶硅具有灰色金屬光澤，密度2.32~2.34g/cm3，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。加熱至800℃以上即有延性，1300℃時(shí)顯出明顯變形。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應(yīng)。高溫熔融狀態(tài)下，具有較大的化學(xué)活潑性，能與幾乎任何材料作用。

多晶硅太陽電池的特點(diǎn)：⑴在生產(chǎn)過程中，高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形的硅錠；⑵基本機(jī)構(gòu)為n+/p型，都以p型單晶硅片作為基片；⑶減反射膜一般為氮化硅(Si3N4,)；⑷商業(yè)化電池效率一般為13%-15%；⑸厚度一般為0.22-0.3mm，電阻率一般為0.5-2Ω·cm；⑹多晶硅電池一般為正方形，顏色呈深藍(lán)、金、綠等；⑺生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可大規(guī)模生產(chǎn)，其產(chǎn)量和市場(chǎng)占有率大。單晶硅和多晶硅的區(qū)別：①結(jié)構(gòu)上的區(qū)別：?jiǎn)尉Ч璧墓柙优帕蟹浅Ｒ?guī)則，而多晶硅的原子排列是不規(guī)則的。②物理性質(zhì)的區(qū)別：力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，多晶硅遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導(dǎo)電性。

③化學(xué)性質(zhì)的區(qū)別：極?、軉尉Ч枧c多晶硅電池的比較：

單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高。多晶硅電池成本低，轉(zhuǎn)換效率略低于單晶硅太陽能電池。單晶硅和多晶硅電池也很容易辨別，單晶硅顏色均勻一致，而多晶硅由大量不同大小的結(jié)晶區(qū)域組成。

(3)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。非晶硅太陽電池效率一般為9%左右。

非晶硅又稱無定形硅，單質(zhì)硅的一種形態(tài)，棕黑色或灰黑色的微晶體。熔點(diǎn)、密度和硬度也明顯低于晶體硅?；瘜W(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長(zhǎng)程無序。非晶硅有很多沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場(chǎng)作用下就可以產(chǎn)生電流，因而非晶硅可以做的很薄，一般是1μm以下，而單晶硅是300μm。盡管非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不高，但它的制造所需能源和使用的材料較少，制造工藝簡(jiǎn)單，制作成本也很低，易大量生產(chǎn)，而且還可以制成各種曲面形狀，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于非晶硅太陽能電池在室內(nèi)弱光下也能發(fā)電，已被廣泛用于太陽能鐘，太陽能手表，太陽能顯示牌等不直接受光照等場(chǎng)合下。2、無機(jī)化合物太陽能電池

無機(jī)化合物太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵(GaAs)等Ⅲ-V族化合物太陽能電池

，硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)等Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池以及銅銦硒(CuInSe2)等三元化合物薄膜太陽能電池等。

(1)砷化鎵（GaAs）等Ⅲ-V化合物電池砷化鎵是一種很理想的太陽電池材料，它與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，單結(jié)合的太陽電池效率為26%—28%，最高光電轉(zhuǎn)換效率約30％，特別適合做高溫聚光太陽電池。

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。(2)硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)等Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池

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，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)。他1986年首次用于計(jì)算器，1988年開發(fā)出了戶外用的太陽電池組件。理論的轉(zhuǎn)換效率為33.62%-44.44%。目前小面積太陽電池單元的轉(zhuǎn)換效率為15%以上，大面積的電池單元的轉(zhuǎn)換效率為10%。

但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，這類電池基本上不會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

(3)銅銦硒(CuInSe2)等三元化合物薄膜太陽能電池。

銅銦硒薄膜太陽能電池(簡(jiǎn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。小面積CIS轉(zhuǎn)換效率為18.8%，大面積達(dá)到12%~14%。

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。

CIS薄膜電池3、有機(jī)太陽能電池工作原理:有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。研究進(jìn)展:美國(guó)加州伯克利分校科學(xué)家在2002年利用塑料納米技術(shù)研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設(shè)備及可穿戴式電子設(shè)備上。提供0.7V的電壓。特點(diǎn)：價(jià)格低、易成型，通過化學(xué)修飾調(diào)控性能。分類色素增感型太陽能電池有機(jī)薄膜太陽能電池(1)色素增感型太陽能電池色素增感型太陽能電池就是在光激勵(lì)狀態(tài)下伴隨化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光電流的光化學(xué)太陽電池，其優(yōu)點(diǎn)突出，不僅能夠以低成本進(jìn)行制造，而且還可實(shí)現(xiàn)各種顏色。因此，家電廠商也在積極開發(fā)。2008年索尼宣布單元轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10.1％，之后，松下電工也于2009年春季表示，“在室內(nèi)用途方面，前景比硅型太陽能電池更為看好”。實(shí)現(xiàn)15～16％的效率已為時(shí)不遠(yuǎn)。色素增感型太陽能電池由透明導(dǎo)電性玻璃、微結(jié)晶膜、無機(jī)酸化物或增感色素以及電解液構(gòu)成。瑞士大學(xué)洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授MichaelGraetzel于1991年發(fā)表了轉(zhuǎn)換效率為7.12％的單元，相關(guān)研發(fā)由此全面展開。Graetzel在2009年春季于東京大學(xué)舉行的“革新性太陽能發(fā)電國(guó)際研討會(huì)”上宣稱，“2008年12月實(shí)現(xiàn)了12.3％的轉(zhuǎn)換效率”轉(zhuǎn)換效率突破10％大關(guān)是在1992年，之后過了大約13年，才超過了11％。此次超過12％是2005年之后3年的研究成果，性能提高的速度重新開始加快。

(2)有機(jī)薄膜太陽能電池

有機(jī)薄膜太陽能電池是由色素或高分子材料構(gòu)成。這種太陽電池具有成本低、對(duì)環(huán)境無影響、制造方法簡(jiǎn)單、能耗少等優(yōu)點(diǎn)。這種太陽電池柔軟性較好，可制成各種形狀，轉(zhuǎn)換效率4.5%左右。德國(guó)Heliatek

GmbH宣布，其有機(jī)薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.07％。測(cè)量值已由德國(guó)Fraunfofer

ISE認(rèn)證。

薄膜太陽電池是一種半導(dǎo)體層厚度在幾微米到幾十微米以下的太陽電他。它是在成本較低的玻璃襯底上直接堆積硅系、化合物等材料的薄膜而形成的元件。它具有節(jié)約原材料、效率高、特性穩(wěn)定以及襯底成本較低等特點(diǎn)。4、薄膜太陽電池

薄膜太陽電池可分為硅系、Ⅱ-Ⅵ族化合物等薄膜太陽電池。硅系薄膜太陽電池可分為結(jié)晶硅系(單晶硅、多晶硅以及微晶硅)、非晶硅以及由二者構(gòu)成的混合型薄膜太陽電池。由于薄膜太陽電池的厚度很薄，所以在大面積使用太陽電池時(shí)可以節(jié)約很多材料，降低很多成本。特點(diǎn)：⑴只利用紫外光發(fā)電；⑵轉(zhuǎn)換效率較低。5、透明太陽電池混合型太陽電池由薄膜非晶硅與單晶硅集成，由于在其中形成了I層，即人為地把p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)寬度加以擴(kuò)展，即采用較寬的本證半導(dǎo)體（i）層來取代勢(shì)壘區(qū)，使其表面特性提高。6、混合型太陽電池(HIT電池)混合型太陽電池由于形成了I層，使非晶硅與單晶硅的表面特性提高，因此10cm2太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.3%，組件的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%以上。另外，混合型太陽電池的溫度系數(shù)為-0.33%，低于單晶硅太陽電池的溫度系數(shù)-0.48%,因此，混合型太陽電池可用于如屋頂設(shè)置等溫度較易上升的場(chǎng)合以減少出力的下降。

HIT太陽電池具有如下的特點(diǎn):⑴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高；⑵與以前的結(jié)晶硅系太陽電池比較，溫度上升對(duì)其特性的影響較小，因此實(shí)際的發(fā)電量較多；⑶與以前的擴(kuò)散型結(jié)晶系太陽電池單元的結(jié)合形成溫度900℃相比，形成非結(jié)晶的溫度在200℃以下，比較節(jié)省能源；⑷由于采用了表面、背面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可減少因熱膨脹引起的不均勻，因此可使用薄型襯底，節(jié)省資源；⑸由于可以利用背面的入射光進(jìn)行發(fā)電，因此這種電池可兩面發(fā)電。7、球狀太陽電池直徑約為1.5mm的球形，使用單晶硅材料制成。它可以吸收來自任何方向的光線，電池的表面可以利用直接照射的光線發(fā)電，背面可吸收反射光發(fā)電。一顆球狀太陽電池的出力約為400毫瓦，發(fā)電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)19%以上。8、層積型(Tandem)太陽電池層積型太陽電池由兩個(gè)以上的太陽電池層積而成，可利用較寬波長(zhǎng)范圍的太陽光能量，因此轉(zhuǎn)換效率較高。入射太陽光首先被上層太陽電池吸收(短波長(zhǎng)的光)并產(chǎn)生電能，未被上層太陽電池吸收的太陽光(長(zhǎng)波長(zhǎng)的光)則穿過上層太陽電池，照射在下層太陽電池上并產(chǎn)生電能?？梢?，這種單一的太陽電池可利用較寬波長(zhǎng)范圍的太陽光能量。原理9、納米晶體太陽能電池

納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)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。

III-V族化合物及銅銦硒等系由稀有元素所制備，但從材料來源看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導(dǎo)地位。從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，多晶硅和非晶硅薄膜電池可能會(huì)取代單晶硅電池，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。今后研究的重點(diǎn)除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應(yīng)集中在如何降低成本上來，近來國(guó)外曾采用某些技術(shù)制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達(dá)到降低成本的目的，效果還是比較理想的。太陽能電池的展望目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價(jià)格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到１０％，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到１－２美元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽電池效率要高得多。如美國(guó)波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達(dá)３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。優(yōu)點(diǎn)：屬于可再生能源，不必?fù)?dān)心能源枯竭；太陽能本身并不會(huì)給地球增加熱負(fù)荷；運(yùn)行過程中低污染、平穩(wěn)無噪音；發(fā)電裝置需要極少的維護(hù),壽命可達(dá)20—30年；所產(chǎn)生的電力既可供家庭單獨(dú)使用也可并入電網(wǎng)用途廣泛。3.4利用太陽能電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：受地域及天氣影響較大由于太陽能分散、密度低，發(fā)電裝置會(huì)占去較大的面積光電轉(zhuǎn)化效率低致使發(fā)電成本較傳統(tǒng)方式偏高要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定太陽能電池對(duì)材料的要求3.5太陽能電池的特性太陽電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積平面二極管，在陽光照射下就可產(chǎn)生直流電。無光照：無電壓、無電流；有光照但短路：短路電流；有光照但開路：開路電壓；有光照和有負(fù)載：有電壓、有電流。

太陽電池的等效電路1、太陽電池的輸入輸出特性RshIshRsIDJsc太陽光電阻Rsh

是電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。Rs是由擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、太陽電池體電阻、上下電極與太陽電池之間的歐姆電阻等組成ID為暗電流，即流過二極管的正向電流。R+-V當(dāng)光照射太陽電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Jsc

。同時(shí),由于pn結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID,被稱為暗電流，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。ID

相當(dāng)于沒有光照時(shí)太陽電池的電流：其中：I0—逆飽和電流，即二極管飽和電流，由PN結(jié)兩端的少數(shù)載流子和擴(kuò)散常量決定的常數(shù)；VD—結(jié)電壓；

n—二極管因子；

k—波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；

T—溫度。

q—電子電荷

式中VD為結(jié)電壓, 在理想狀態(tài)下，RS趨近于零，如果忽略太陽電池的串聯(lián)電阻Rs,VD即為太陽電池的端電壓V，即光照射時(shí)，太陽電池電壓電流特性是：當(dāng)開路時(shí)，短路電流I=0，得到開路電壓(opencircuitvoltage)Voc：當(dāng)太陽電池的輸出端短路時(shí)，V=0（VD≈0），得短路電流：當(dāng)太陽電池接上最佳負(fù)載時(shí)，最大輸出功率P為電壓電流特性曲線上最大電壓Vm和最大電流Im

的交點(diǎn)，即：

太陽電池的輸出功率Pout為：曲線因子FF：

曲線因子FF是衡量太陽電池性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖中虛線部分為理想狀態(tài)下的太陽電池特性。一般曲線因子的值小于1.0，在0.5—0.8之間。太陽電池的轉(zhuǎn)換效率：是用來衡量照射在太陽電池上的光能轉(zhuǎn)換成電能的大小。轉(zhuǎn)換效率η=太陽電池的輸出能量/太陽電池的入射能量×100%例：太陽電池的面積為2m2，太陽光的能量為1kW/m2，如果太陽電池的發(fā)電出力為0.3kW，則：串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子有較大影響，如圖所示。串聯(lián)電阻越大，電路中的電流下降就越多，填充因子也隨之減少得越多。

如圖（b）所示，并聯(lián)電阻越小，電路中的電流就越大，開路電壓就下降得越多，填充因子隨之也下降得越多。串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響

太陽電池的效率—原理性損失單晶硅電池可將約16％-20％的入射光線轉(zhuǎn)換為電流。在實(shí)驗(yàn)室最佳的條件下制作的電池效率已經(jīng)接近25％。從理論講，最大的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%甚至更高也是可能的。但不管是哪一種材料的太陽電池都不能將全部的太陽光轉(zhuǎn)換為電流。太陽電池的入射光不能高效的轉(zhuǎn)換成電能主要是由于以下原因造成的：⑴比硅的禁止帶幅能量小的紅外線，不能夠產(chǎn)生電子空穴對(duì)，而是以熱能釋放出去，這部分損失的比例一般為15%—25%。⑵比硅可吸收的能量帶大的短波光可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，此時(shí)光能的大小不起作用。在光能臨界值之上一個(gè)光量子只能產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，剩余的能量被轉(zhuǎn)換為未利用的熱量。這部分損失為30%—45%。⑶在太陽光太陽電池表面時(shí)，有一部分光會(huì)因?yàn)樵谔栯姵乇砻娴姆瓷涠鴵p失掉。⑷晶體中的不純(雜質(zhì))和晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷導(dǎo)致不是所有的電子一空穴對(duì)很快地在界面分離，以致一定百分比的電子-空穴對(duì)可以復(fù)合，從而造成電流損失。⑸電流在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳損失。太陽電池的效率—小結(jié)在能量轉(zhuǎn)換時(shí)的效率影響——

光學(xué)損失：光學(xué)損失主要是表面反射、遮擋損失(前電極)和電池材料本身的分光感度特性。電學(xué)損失：電能轉(zhuǎn)換的損失來源可總結(jié)為如下方面：載流子損失(復(fù)合)和歐姆損失(電極一晶體接觸)等。

對(duì)于太陽電池來說，不同的光照射時(shí)所產(chǎn)生的電能是不同的，我們將太陽電池對(duì)應(yīng)于不同光的波長(zhǎng)的響應(yīng)特性稱為分光感度特性。2、太陽電池的分光感度特性熒光燈的放射頻譜與非晶硅太陽電池的分光感度特性很相似，在室內(nèi)使用太陽電池設(shè)備時(shí)，采用非晶硅太陽電池比較合適，比如太陽能計(jì)算器。3、太陽電池的照度特性照度指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，單位為勒克斯(Lux,lx)。由圖可知：⑴短路電流Isc與照度成正比；⑵開路電壓Voc隨照度的增加而緩慢地增加；⑶最大出力電壓Pmax與照度成比例增加。太陽電池的短路電流隨溫度的上升而增加，開路電壓隨溫度的上升而減少，轉(zhuǎn)換效率(出力)變小。由于溫度上升導(dǎo)致太陽電池的出力下降，因此，有時(shí)需要用通風(fēng)的方法來降低太陽電池板的溫度以便提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，使出力增加。4、太陽電池的溫度特性3.6太陽電池的制造方法1、單晶硅太陽電池的制造方法三氯氫硅氫還原多結(jié)晶硅1500℃單結(jié)晶硅切片研磨單晶硅薄片硅鐵硅砂(SiO2)焦炭(冶金硅含硅97%—99%)鹽酸單晶硅太陽電池薄片的制造方法⑴由硅砂到冶金硅將石英砂放在大型電弧爐中,用焦碳進(jìn)行還原，得到冶金硅：

SiO2+2CSi+2CO

硅定期從爐中倒出,并用氧氣或氧-氯混合氣體吹之以進(jìn)一步提純。然后倒入淺槽,逐漸凝固,便成冶金硅(含硅97%-99%)。⑵由冶金硅到三氯氫硅將冶金硅破碎成粉末,與鹽酸在液化床上進(jìn)行反應(yīng),得到三氯氫硅(TCS)：

Si+3HClSiHCl3+H2⑶由三氯氫硅到多晶硅對(duì)三氯氫硅進(jìn)行分餾,以達(dá)到超純狀態(tài)。對(duì)超純?nèi)葰涔栌肏2通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法還原成多晶硅。

SiHCl3+H2Si+3HCl⑷有多晶硅到單晶硅轉(zhuǎn)變

Si(多晶)

Si(單晶)1500℃單晶硅太陽電池的制造方法光伏組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖我們常常把太陽電池片通過串聯(lián)或者并聯(lián)結(jié)合的方式組成電池組件，來滿足我們對(duì)電壓、電流和功率的需要。

串聯(lián)方式：是把太陽電池片通過串聯(lián)的而結(jié)合在一起的方式，目的是為了達(dá)到我們對(duì)電壓的需要。

并聯(lián)方式：為了滿足我們對(duì)更高電流的需要，我們需要把電池片通過并聯(lián)的方式結(jié)合起來。例：下圖是36片電池組件串聯(lián)結(jié)構(gòu)：光伏組件生產(chǎn)流程太陽電池用的硅材料價(jià)格要比冶金級(jí)硅高幾十倍。一片100mm×l00mm的太陽電池要用硅材料約10g左右，電功率為1.3～1.5W；1MW太陽電池需要13t左右的硅材料?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是不管是單晶還是多晶硅太陽電池，都使用大尺寸、超薄的硅片。厚度為200μm—350μm。2、多晶硅太陽電池的制造方法由于單晶硅太陽電池制造工藝復(fù)雜，耗能較大，成本較高，所以人們研究出了多晶硅太陽電池的制造方法。多晶硅太陽電池的制造方法有兩種：⑴一種是將被溶解的硅塊放入坩堝中慢慢冷卻使其固化的方法，然后再切成厚度為300——500μm的薄片。⑵另一種是將硅溶液通過模具直接得到薄片狀多晶硅的方法。這種方法制造比較簡(jiǎn)單而且有效利用了硅料。硅片制備清洗腐蝕擴(kuò)散制結(jié)去背結(jié)電極制備去邊制減反膜燒結(jié)檢測(cè)晶體硅電池片制造工藝⑴工藝流程⑵硅片制備選擇硅片時(shí)，要考慮硅材料的導(dǎo)電類型、電阻率、晶向、位錯(cuò)、少子壽命等。將符合要求的圓形單晶硅棒切割成厚度為0.2-0.4mm的硅片，并切去四邊成方形。

對(duì)于多晶硅錠先進(jìn)行破錠，再按要求切片。在經(jīng)過切、磨、拋、及腐蝕等工序后，硅材料一般要損失60%左右。

⑶表面清洗腐蝕用有機(jī)溶劑(如甲苯等)初步去油，再用熱硫酸作化學(xué)清洗，去除沾污的雜質(zhì)。在酸性或堿性腐蝕液中進(jìn)行表面腐蝕，去除表面的切片機(jī)械損傷，每面大約腐蝕掉30-50μm。

再用王水或其他其它清洗液進(jìn)行化學(xué)清洗。

每道工序后都要用高純的去離子水沖洗。

⑷擴(kuò)散制結(jié)（是制造太陽電池的關(guān)鍵工序）方法有熱擴(kuò)散；離子注入；外延；激光或高頻電注入等。一般常用熱擴(kuò)散方法。涂布源擴(kuò)散：又分簡(jiǎn)單涂布源擴(kuò)散和二氧化硅乳膠源涂布擴(kuò)散；

液態(tài)源擴(kuò)散；

固態(tài)源擴(kuò)散。

熱擴(kuò)散方法⑸去背結(jié)在高溫?cái)U(kuò)散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以要把背結(jié)去除。常用的方法有化學(xué)腐蝕法；磨砂法和蒸鋁燒結(jié)法。

⑹制作上、下電極上電極通常是柵線狀，以收集光生電流。下電極布滿在電池的背面，以減少電池的串聯(lián)電阻。