太阳能电池的研究进展

太阳能电池的研究进展

摘要：太阳能是一种清洁可再生能源，其中利用半导体等光电材料的光伏发电效应的太阳能电池有良好的前景。本文通过对太阳能电池原理的分析，简要的介绍了硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和其它太阳能电池。 关键词：太阳能电池 原理 种类 0前言

2004年欧盟联合研究中心针对当前能源的结构和使用情况预测：在未来的几十年内，碳水化合物等非再生能源随着人类的大量的开发将逐渐较少，取而代之的将是可再生能源。其中太阳能的利用将会得到很大的重视与提高。

太阳能的利用主要有3种形式：光热、光化学转换和光伏发电。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输；光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用；光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。光-热-电转换方式是利用太阳辐射产生的热

能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程。一座1000mw的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kw的投资为2000～2500美元，它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合而很难大规模的应用。而光-电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

太阳能电池的种类很多，主要包括硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和无机化合物类太阳能电池等，具有永久性、 清洁性和灵活性三大优点。shockley和queisser通过细致平衡极限原理计算得出，理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量的函数，当eg大约为1.3ev时，在1sun 照射下的极限效率仅为31% ，全聚光下的极限效率为40%。目前无机硅光伏打电池的最高能量转换效率已经达到24%，基于砷化镓半导体的光伏电池转换效率甚至已经达到了31%～32%。 1、原理

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应；值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155ev，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池是一种可以将太阳能转换的光电元件，其基本构造是运用p型与n型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成p型与n型半导体，再利用p型半导体有个电子空穴与n型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被n型及p型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。 2、硅基类太阳能电池

硅太阳能电池以硅为基体材料的太阳能电池。按硅材料的结晶形态，可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。硅太阳能电池具有重量轻、体积小、效率高、寿命长、光谱响应范围广、灵敏度高等优点而被广泛使用。

一般情况下，硅太阳能电池的光谱响应范围在0.40～1.10微米；响应时间为10-3～10-4秒；使用温度在-65℃～+125℃之间；在100毫瓦/厘米2入射光强下，硅太阳能电池的开路电压为450～600毫

伏，短路电流为20～30毫安/厘米2，光电转换效率为8～13%左右。研究发现，在不同光照角度条件下，电池的开路电压和短路电流会发生变化。当光照角度小于50°时电池的短路电流输出与光照角余弦值成正比；大于50°时，电流输出低于理论值；大于85°时短路电流与光照角余弦值曲线一起收敛；光照角等于90°时降落到零。电路的开路电压随着温度升高而降低；电池的短路电流随温度增加稍有增加；而电池的输出功率随温度的增加而降低。 单晶硅太阳能电池是研究应用最早的硅太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。往往通过单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺来提高转化效率。但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，要想大幅度降低其成本是非常困难的。 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。然而，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。多晶硅薄膜太阳能电池是兼具晶体硅太阳能电池的高光电转换效率、稳定长寿和非晶硅太阳能电池的材料制备工艺简单、成本低并且无污染，可大面积生长等优点于一身的新一代太阳能电池，具有广阔的发展前景。

非晶硅是一种很好的电池材料，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，这样就了非晶

硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退s-w效应，使得电池性能不稳定。 3、有机化合物太阳能电池

有机太阳能电池利用的也是光伏效应。有机太阳能电池在太阳光的照射下有机材料吸收光子，如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度eg就会使得产生激子。如图三就是给体-受体结构。受激发的电子给体吸收光子，使其homo轨道上的一个电子跃迁到lumo。通常由于给体lumo的电离势比受体lumo的电离势低，电子就由给体转移到受体，完成了电子的转移。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动，被收集在相应的电极上，就形成了光电压。 有机太阳能电池的主体材料一般为非晶态的小分子或聚合物，其载流子传输性能虽然逊于无机材料，但是其有着自身的优点：主体有机材料可以通过不同的分子修饰，优化有机材料的光伏性能；器件的制备方法简便，成本低廉；易于制备出大面积且柔韧性好的有机光伏器件。按照主体有机材料区分，可以将有机太阳能电池分为小分子型太阳能电池和聚合物型太阳能电池。

小分子光伏材料由于具有纯度高、易合成等优点，成为研究光伏器件基本原理的理想材料之一。概括地讲，小分子光伏材料主要分为5 类：酞菁类材料、 液晶材料、 稠环芳香化合物、 噻吩寡聚物和三苯胺及其衍生物等。

有机太阳能电池使用的聚合物结构中一般含有双键或多环芳烃，这些p共轭体系具有较高的载流子迁移率， 利于传导空穴。

聚合物材料的能级是否能与受体材料的能级较好地匹配，是影响光伏器件性能的重要原因。常用的光伏性能优良的聚合物材料，大致可分为3类：聚苯撑乙烯（ppv）及其衍生物材料、聚噻吩衍生物材料和d-a型共聚物材料。

提高有机太阳能电池能量转换效率的方法：在有机功能层中引入微纳结构、对有机功能层进行掺杂、器件结构中加入缓冲层和有机太阳能器件阳极的优化处理等。 4、染料敏化太阳能电池