太陽(yáng)能電池的工作原理及種類(lèi)

1、太陽(yáng)能電池的工作原理及種類(lèi) 1 太陽(yáng)電池概述 進(jìn)入 21 世紀(jì)，環(huán)境和能源問(wèn)題是當(dāng)前整個(gè)國(guó)際社會(huì)所共同 面臨的兩大問(wèn)題。隨著世界人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)活動(dòng) 對(duì)能源的需求越來(lái)越大。根據(jù)國(guó)際能源署的預(yù)測(cè)，在未來(lái)的近 30年間，全球一次能源需求年平均增幅達(dá)到 1.7%，到 2030年時(shí)， 年需求量將達(dá)到 153 億噸石油當(dāng)量。特別是近幾年來(lái)，能源，特 別是石油短缺問(wèn)題越來(lái)越突出，由此引發(fā)了許多國(guó)際和社會(huì)爭(zhēng) 端。為了保持整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提 高，人們逐漸把關(guān)注的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到新能源的開(kāi)發(fā)和利用上。 新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開(kāi)發(fā)利用的可再生能 源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、

2、水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四?、?流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環(huán)等；此外，還 有氫能、沼氣、酒精、甲醇等。而太陽(yáng)能是一種取之不盡，用之 不竭的無(wú)污染能源。有人將原子核能和太陽(yáng)能稱(chēng)為 2l 世紀(jì)的能 源。利用太陽(yáng)能進(jìn)行光熱、光電轉(zhuǎn)換，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)電池成為解決世 界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑。 制造出廉價(jià)、 高效、 低成本的太陽(yáng)電池，大規(guī)模利用太陽(yáng)能一直是科學(xué)家追求的目 標(biāo)。 太陽(yáng)能是來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部核聚變所釋放的能量。據(jù)粗略統(tǒng) 計(jì)，太陽(yáng)的發(fā)光度，即太陽(yáng)向宇宙全方位輻射的總能量流是 4X 1026J/S。其中向地球輸送的光和熱可達(dá) 2.5 X 1018 cal/min , 相當(dāng)于燃

3、燒4X 108 t煙煤所產(chǎn)生的能量。一年中太陽(yáng)輻射到地 球表面的能量， 相當(dāng)于人類(lèi)現(xiàn)有各種能源在同期內(nèi)所提供能量的 上萬(wàn)倍。 所以，如何高效并且低成本的利用太陽(yáng)能一直是近年來(lái) 的研究熱點(diǎn)。 1.1 太陽(yáng)電池的工作原理 太陽(yáng)能之所以能轉(zhuǎn)換成電能， 是利用太陽(yáng)光使電池發(fā)電形成 的。太陽(yáng)電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)， 即光電材料 吸收光能后發(fā)生光電子轉(zhuǎn)換，然后在PN結(jié)作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)， 輸出電能。電池器件其實(shí)就是一個(gè)大面積的PN結(jié)。 當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面 區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層界面，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N 型一側(cè)帶正電。這是由于 P型半導(dǎo)體多空穴，N型半

4、導(dǎo)體多自由 電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì) 擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，從 而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。 達(dá)到平衡后， 就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形 成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)（圖2）。當(dāng)太陽(yáng)光照射這種半導(dǎo)體材 料時(shí)，能量大于禁帶寬度的光子在 PN結(jié)兩邊的P區(qū)和N區(qū)發(fā)生 本征吸收，從而激發(fā)產(chǎn)生很多的電子 -空穴對(duì)即光生載流子， PN 結(jié)界面附近的電子和空穴在復(fù)合之前， 將在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下相 互分離。電子向帶正電的N區(qū)運(yùn)動(dòng)使得N區(qū)電子富集，空穴向帶 負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)使得P區(qū)空穴富集。整個(gè)PN結(jié)材料兩端宏觀表 現(xiàn)出電勢(shì)差，即光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng) PN結(jié)材料兩端連接

5、成回路時(shí)， 電路中出現(xiàn)電流（圖 3）。通過(guò)光照產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大，回路中 電流越大。 1.2 太陽(yáng)電池發(fā)展歷程 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程可追溯到 19 世紀(jì) 30 年代， 1893 年法 國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 E.Becquerel 發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)， 簡(jiǎn)稱(chēng)為 光伏效應(yīng)。 1883 年美國(guó)發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一塊硒 太陽(yáng)電池的原理，他在一個(gè)金屬襯底上先將Se膜融化成片，再 將Au片作頂電極壓在Se片上，制出了第一個(gè)大面積（30 cm2） 的太陽(yáng)電池。 1930 年朗格（ Longer ）首次提出可以利用“光伏 效應(yīng)”制造“太陽(yáng)電池”，使太陽(yáng)能變成電能。 1954年對(duì)于太陽(yáng)電池

6、的發(fā)展是劃時(shí)代的一年。這一年美國(guó) 貝爾實(shí)驗(yàn)室皮爾森（Pearson）偶然開(kāi)啟房間里的燈光時(shí)，發(fā)現(xiàn) 單晶硅 pn 結(jié)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓的物理現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)這種光伏現(xiàn)象 的研究， 1954 年底首次發(fā)表單晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)6%的報(bào)道， 開(kāi)啟了“ pn”結(jié)型電池的新時(shí)代，直至今日“ pn”電池仍然占據(jù) 光伏事業(yè)的絕對(duì)地位。 1958 年美國(guó)信號(hào)部隊(duì)的 T.Mandelkorn 制成 pn 型單晶硅光 伏電池，這種電池抗輻射能力強(qiáng)，這對(duì)太空電池很重要；同年， Hoffman 電子的單晶硅電池效率達(dá)到 9%；第一個(gè)光伏電池供電的 衛(wèi)星先鋒1號(hào)發(fā)射，光伏電池100 cm2 0.1 W為一備用的5 mW 話(huà)筒供電

7、。 1959年 Hoffman 電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到 10%，并通過(guò)用網(wǎng)柵電極來(lái)顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探 險(xiǎn)家6號(hào)發(fā)射，共用9600片太陽(yáng)電池列陣，每片2 cm2,共20 W 1980年第一個(gè)效率大于10%勺CuinSe電池在美國(guó)制出；效率達(dá) 8%勺非晶硅太陽(yáng)電池由 RCA的Carls on研制出來(lái)，樹(shù)立了非晶硅 電池勺里 程碑。 1985年是高效 Si 電池勺大年：由澳大利亞新南威爾士大學(xué) (UNS)報(bào)道了在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)下 Si電池效率大于20%美國(guó) Stanford 大學(xué)給出了在 200個(gè)太陽(yáng)下聚光電池效率大于 25%勺報(bào) 道。1994年美國(guó)NREL發(fā)布GaInP/GaAs兩端聚光多結(jié)電池效率 大于 30%。 1996 年瑞士諾桑 Gratzel 勺“染料敏化”固 /液電池 效率達(dá)11%1998年美國(guó)NREL宣稱(chēng)薄膜CuInSe電池效率達(dá)19%, 第一個(gè)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)聚光電池宣布在 1號(hào)空間站上應(yīng)用。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，單晶硅電池勺效率增長(zhǎng)緩慢，最高紀(jì)錄 徘徊在25%上下。這個(gè)時(shí)候，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的馬丁 格 林(Martin Gr