太陽能電池（結構、工作原理、發展現狀及趨勢）
摘要:人類面臨著有限常規能源和環境破壞嚴重的雙重壓力。已經成為越來越值得關注的社會與環境問題。
近年來，光伏市場快速發展並取得可喜的成就。本文介紹了太陽能電池的結構、工作原理、發展現狀及趨勢。
關鍵字； 太陽能電池；結構；工作原理；發展現狀及趨勢。
引言：由於人類對可再生能源的不斷需求。促使人們致力於開發新型能源。
太陽在40min內照射帶地球表面的能量可供全球目前能源消費的速度使用1年。合理的利用好太陽能將是人類解決能源問題的長期發展戰略，是其中最受矚目的研究熱點之一。
一：太陽能電池結構及工作原理[1]
:太陽能電池的結構及工作原理太陽能電池的外形及基本結構如圖1。基本材料為p型單晶矽，厚度為0.
3—0.5mm左右。上表面為n+型區，構成乙個pn＋結。
頂區表面有柵狀金屬電極，矽片背面為金屬底電極。上下電極分別與n＋區和p區形成歐姆接觸，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。
當入發射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入矽中，能量大於矽禁帶寬度的光子在n+區，pn＋結空間電荷區和p區中激發出光生電子——空穴對。各區中的光生載流子如果在復合前能越過耗盡區，就對發光電壓作出貢獻。光生電子留於n＋區，光生空穴留於p區，在pn＋結的兩側形成正負電荷的積累，產生光生電壓，此為光生伏打效應。
當光伏電池兩端接一負載後，光電池就從p區經負載流至n＋區，負載中就有功率輸出。
太陽能電池各區對不同波長光的敏感型是不同的。靠近頂區溼產生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約佔總光源電流的5－10％（隨n＋區厚度而變），pn＋結空間電荷的光生電流對可見光敏感，約佔5 ％左右。電池基體區域產生的光電流對紅外光敏感，佔80－90％，是光生電流的主要組成部分。
將光子轉換為電子[2]
計算器和人造衛星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模組（模組就是一組通過電路連線並封裝在乙個框架內的電池）。光伏電池（photovoltaics），顧名思義（photo=光， voltaic=電），是指將太陽光轉換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現在卻越來越普及，且使用方式也越來越普通。
它們甚至可以為您的住宅供電。這些裝置是如何工作的呢？
光伏（pv）電池由半導體材料製成，比如矽就是目前最常用的一種半導體。當光照射電池時，有一部分光會被半導體材料吸收。這意味著吸收的光能將傳給半導體。
能量會導致電子逸出，使它們可以自由流動。光伏電池中還有乙個或多個電場，可以迫使由光吸收並釋放的電子以一定方向流動。電子的流動形成電流，通過在光伏電池的頂部和底部安放金屬觸點，我們可以將電流引出來，以供使用。
例如，電流可以為計算器供電。此電流以及電池電壓（由內部電場產生）決定了太陽能電池的功率（或者瓦特數）。
這是發電的基本過程，但是實際情況要複雜得多。讓我們來深入研究乙個光伏電池的示例：單晶矽電池。
矽有一些特別的化學特性，尤其是它的晶體結構。矽原子含有14個電子，排列在三個不同的核外電子層中。距離原子核最近的頭兩個電子層完全填滿。
而最外層電子則處於半滿狀態，只有四個電子。矽原子始終會想方設法填滿最外面的電子層（即希望有八個電子）。為此，它會與相鄰矽原子的四個電子共享自身的電子，這就好比每個原子與周圍原子握手一樣，只是在這種情況下，每個原子有四隻手與四個鄰居相握。
這就形成了晶體結構，該結構對於這種型別的光伏電池具有重要的意義。
現在，我們已經了解了純晶體矽。純矽是一種效能很差的導體，因為它的電子不能像銅這樣的導體中的電子那樣自由移動。矽中的電子被全部鎖在晶體結構中。
太陽能電池中的矽結構已經過稍稍調整，以便它能作為太陽能電池來工作。
太陽能電池使用的矽混有雜質——其他原子與矽原子混在一起，這樣會稍稍改變矽的工作方式。我們通常認為雜質是某種不好的東西，但在這個例子中，如果沒有這些雜質，電池就無法工作。實際上，這些雜質是有意新增到矽中的。
考慮矽與乙個位置不定的磷原子在一起的情況，也許每一百萬個矽原子配上乙個磷原子。磷原子的外電子層有五個電子，而不是四個。它仍然要與矽周圍的原子結合，但從某種意義上講，磷原子有乙個電子是不與任何原子握手的。
它沒有成為鍵的一部分，但是磷原子核中的正質子會使其保持在原位上。
當把能量加到純矽中時（比如以熱的形式），它會導致幾個電子脫離其共價鍵並離開原子。每有乙個電子離開，就會留下乙個空穴。然後，這些電子會在晶格周圍四處遊蕩，尋找另乙個空穴來安身。
這些電子被稱為自由載流子，它們可以運載電流。不過，留在純矽中的電子數量極少，因此沒有太大的用處。而將純矽與磷原子混合起來，情況就完全不同了。
此時，只需很少的能量即可使磷原子的某個「多餘」的電子逸出，因為這些電子沒有結合到共價鍵中——它們的鄰居不會將它們拉回。因此，大多數這類電子會成為自由電子，這樣，我們就得到了比純矽中多得多的自由載流子。有意新增雜質的過程被稱為摻雜，當利用磷原子摻雜時，得到的矽被成為n型（「n」表示負電），因為矽裡面有很多自由電子。
與純矽相比，n 型摻雜矽是一種效能好得多的導體。
實際上，太陽能電池只有一部分是n型。另一部分矽摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到p型矽。p型矽中沒有自由電子（「p」表示正電），但是有自由空穴。
空穴實際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。
在將n型矽與p型矽放到一起時，有趣的情形發生了。切記，每塊光伏電池至少有乙個電場。沒有電場，電池就無法工作，而此電場是在n型矽和p型矽接觸的時候形成的。
突然，n 側的自由電子（它們一直在尋找空穴來安身）看到了p側的所有空穴，然後便瘋狂地奔向空穴，將空穴填滿。以前，從電的角度來看，我們所用的矽都是中性的。多餘的電子被磷中多餘的質子所中和。
缺失電子（空穴）由硼中缺失質子所中和。當空穴和電子在n型矽和p型矽的交界處混合時，中性就被破壞了。所有自由電子會填充所有空穴嗎？
不會。如果是這樣，那麼整個準備工作就沒有什麼意義了。不過，在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得n側的電子越來越難以抵達p側。
最終會達到平衡狀態，這樣我們就有了乙個將兩側分開的電場。這個電場相當於乙個二極體，允許（甚至推動）電子從p側流向n側，而不是相反。它就像一座山——電子可以輕鬆地滑下山頭（到達n側），卻不能向上攀公升（到達p側）。
這樣，我們就得到了乙個作用相當於二極體的電場，其中的電子只能向乙個方向運動。讓我們來看一下在太陽光照射電池時會發生什麼。
當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乙個電子，從而產生乙個自由的空穴。如果這發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範圍之內，則電場會將電子送到n側，將空穴送到p側。這會導致電中性進一步被破壞，如果我們提供乙個外部電流通路，則電子會經過該通路，流向它們的原始側（p側），在那裡與電場傳送的空穴合併，並在流動的過程中做功。
電子流動提供電流，電池的電場產生電壓。有了電流和電壓，我們就有了功率，它是二者的乘積。
二：太陽能電池發展現狀及趨勢
太陽能發電是一項高新技術，以太陽能為資源基礎的生產將是一種可持續的發展模式。從陽光直接轉變成電流的太陽電池也將不再是昂貴的的市場空缺。全球太陽能產品的年銷售額達14億美元，其中12億美元來自太陽能電池的銷售。
太陽能工業的年增長率估計在20%左右，太陽能利用增長的潛力是巨大的。
製作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能後發生光電於轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：矽太陽能電池；化合物太陽能電池，如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等；功能高分子材料製備的太陽能電池；奈米晶太陽能電池等。不論以何種材料來製作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：
半導體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉換效率：材料本身對環境不造成汙染；材料便於工業化生產且材料效能穩定。基於以上幾個方面考慮，矽是最理想的太陽能電池材料，這也是目前在太陽能電池領域矽太陽能電池佔主導地位的主要原因。
1，有關高效率，低成本晶體矽太陽能電池開發
矽太陽能電池可分為晶體矽太陽能電池和薄膜矽太陽能電池，晶體矽太陽能電池主要是指單晶矽和多晶矽太陽能電池。規模化生產中，單晶矽太陽能電池具有轉換效率最高、技術最為成熟、可靠性高等優點。澳大利亞新南威爾斯大學矽太陽電池及矽發光實驗室副主任趙建華研發的perl（鈍化發射極、背面點擴散）太陽能電池轉換效率高達24.
7%。多晶矽太陽能電池的製作工藝與單晶矽太陽能電池相近，但是從製作成本上來講，比單晶矽太陽能電池要低得多。多晶矽太陽能電池的光電轉化效率相比單晶矽太陽能電池要低。我國尚德太陽能電力將開始量產轉換效率18.
8％的單晶矽型、17.2％的多晶矽型太陽能電池單元。
目前，我國已上馬了多家多晶矽材料的生產基地，解決我國晶體矽太陽能電池原料高度依賴國外進口的現狀。隨著多晶矽供需平衡，多晶矽**會迅速恢復到合理價位，將直接導致矽太陽能電池生產成本大大降低，為多晶矽太陽能電池創造更好的發展條件。
矽太陽能電池轉換效率無疑是最高的，而且由於矽太陽能電池一般採用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。薄膜太陽能電池由於其製造成本低，對環境的影響小，近年來備受關注，其所佔的市場份額逐漸加大。但是在目前金融危機情況下，矽原材料成本已下降到每公斤100美元以下，成本大大下降，已接近火電發電成本每瓦1元人民幣，由於轉化效率高於薄膜，成本下降較大，所以矽太陽能電池仍具備強有力的競爭力。
2，新型薄膜電池開發
薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術，它節省了矽原料的使用和矽片製造工藝。與目前常見的矽片太陽能電池相比，矽薄膜太陽能電池用矽量僅為前者的1%左右，可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.
2美元。此外，這種高科技新產品可與建築物屋頂、牆體材料如玻璃幕牆融為一體，既可併網發電又能節約建築材料、美化環境。目前正在研發中和已有產品**的薄膜太陽能電池主要有以下幾種：
（1）非晶矽薄膜電池：是薄膜太陽能電池中最成熟的產品之一。由於非晶矽薄膜太陽能電池的成本低，便於大規模生產，普遍受到人們的重視並得到迅速發展，但由於其光學帶隙為1.
7ev, 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，這樣一來就限制了非晶矽太陽能電池的轉換效率。
（2）多晶矽矽薄膜電池：其轉換效率高於非晶矽薄膜太陽能電池，又無效率衰退問題，並且有可能在廉價襯底材料上製備，但由於控制薄膜中矽晶粒大小的技術沒有解決，尚未能製成有實用價值的太陽能電池。
太陽能電池原理
什麼是太陽能電池 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化成電能的裝置。太陽能電池的原理 太陽光照在半導體p n結上，形成新的空穴 電子對，在p n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路後就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。一 太陽能發電方式太陽能發...
太陽能電池工作原理
普通的太陽能電池，也就是第一代太陽能電池 晶矽太陽能電池。其在陽光的照射下會產生電壓，這與其內部的少數載流子運動和重新分布有關。擋光照射在半導體上時，半導體中的電子會吸收光子的能量，擺脫原子核的束縛，形成帶負電的電子和帶正點的空穴。這種情況會使pn結兩邊的少數載流子濃度劇增而導致重新分布，pn結兩端...
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