太陽能電池的原理及製作

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產生任

何的環境汙染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的專案之一。

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：1、矽太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵iii-v化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料製備的大陽能電池；4、奈米晶太陽能

電池等。

一、矽太陽能電池

1．矽太陽能電池工作原理與結構

太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。

當矽晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，矽晶體中就會存在著乙個空穴，它的形成可以參

照下圖：

圖中，正電荷表示矽原子，負電荷表示圍繞在矽原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為

硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成p（positive）型半導體。

同樣，摻入磷原子以後，因為磷原子有五個電子，所以就會有乙個電子變得非常活躍，形成n （negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多餘的電子。如下圖。

n型半導體中含有較多的空穴，而p型半導體中含有較多的電子，這樣，當p型和n型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是pn結。

當p型和n型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交介面區域裡會形成乙個特殊的薄層)，介面的p型

一側帶負電，n型一側帶正電。這是由於p型半導體多空穴，n型半導體多自由電子，出現了濃度差。n

區的電子會擴散到p區，p區的空穴會擴散到n區，一旦擴散就形成了乙個由n指向p的「內電場」，從而

阻止擴散進行。達到平衡後，就形成了這樣乙個特殊的薄層形成電勢差，這就是pn結.

當晶元受光後，pn結中，n型半導體的空穴往p型區移動，而p型區中的電子往n型區移動，從而形成從

n型區到p型區的電流。然後在pn結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示）

由於半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結後如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部塗上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結（如

圖梳狀電極），以增加入射光的面積。

另外矽表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它塗上了一層反

射係數非常小的保護膜（如圖），將反射損失減小到5％甚至更小。乙個電池所能提供的電流和電壓畢竟

有限，於是人們又將很多電池（通常是36個）併聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。

2．矽太陽能電池的生產流程

通常的晶體矽太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量矽片上製成的，這種矽片從提拉或澆鑄

的矽錠上鋸割而成。

上述方法實際消耗的矽材料更多。為了節省材料，目前製備多晶矽薄膜電池多採用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（lpcvd）和等離子增強化學氣相沉積（pecvd）工藝。此外，液相外延法（lppe）和濺射沉積法也可用來製備多晶矽薄膜電池。

化學氣相沉積主要是以sih2cl2、sihcl3、sicl4或sih4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成矽原子並沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用si、sio2、si3n4等。但研究發現，在非矽襯底上很難形成較大的晶粒，並且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 lpcvd在襯底上沉積一層較薄的非晶矽層，再將這層非晶矽層退火，得到較大的晶粒，然後再在這層籽晶上沉積厚的多晶矽薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的乙個環節，目前採用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。

多晶矽薄膜電池除採用了再結晶工藝外，另外採用了幾乎所有製備單晶矽太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。

三、奈米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中矽系太陽能電池無疑是發展最成熟的，但由於成本居高不下，遠不能滿足大規模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發展的奈米tio2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。

以染料敏化奈米晶體太陽能電池（dsscs）為例，這種電池主要包括鍍有透明導電膜的玻璃基底，染料敏化的半導體材料、對電極以及電解質等幾部分。

如圖所示，白色小球表示tio2，紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態，激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的tio2導帶，染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償，進入tio2導帶中的電於最終進入導電膜,然後通過外迴路產生光電流。

奈米晶tio2太陽能電池的優點在於它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的效能。其光電效率穩定在10％以上，製作成本僅為矽太陽電池的1/5～1/10．壽命能達到20年以上。但由於此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

陽極：染料敏化半導體薄膜（tio2膜）

陰極：鍍鉑的導電玻璃

電解質：i3-/i-

染料電池應用模型:

四、染料敏化tio2太陽能電池的手工製作

1.製作二氧化鈦膜

(1)先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進行研磨

(2)接著用玻璃棒緩慢地在導電玻璃上進行塗膜

(3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結10～15分鐘，然後冷卻

2.利用天然染料為二氧化鈦著色

如圖所示，把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水並進行擠壓，然後把二氧化鈦膜放進去進行著色，大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進去浸泡5分鐘，然後用乙醇沖洗，並用柔軟的紙輕輕地擦乾。

3.製作正電極

由染料著色的tio2為電子流出的一極（即負極）。正電極可由導電玻璃的導電面（塗有導電的sno

膜層）構成，利用乙個簡單的萬用表就可以判斷

2玻璃的那一面是可以導電的，利用手指也可以做出判斷，導電面較為粗糙。如圖所示，把非導電面標上『+』，然後用鉛筆在導電面上均勻地塗上一層石墨。

4.加入電解質

利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質，它主要用於還原和再生染料。如圖所示，在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質即可。

5.組裝電池

把著色後的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質，然後把正電極的導電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開，用兩個夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連線導線。這樣，你的太陽能電池就做成了。

6.電池的測試

在室外太陽光下，檢測你的太陽能電池是否可以產生電流。

太陽能電池的原理及製作

太陽能電池的原理及製作

太陽能電池原理

太陽能電池工作原理

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