有机太阳能电池原理及其前景展望

电子信息学院

《太阳能电池》

结业论文

有机太阳能电池原理及其前景展望

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指导教师

日期2015.10

有机太阳能电池原理及其前景展望

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摘要：俗话说，万物生长靠太阳，地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳；即使是化石燃料（如煤炭、石油、天然气等），从根本上说也是来自于太阳。如今，这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运，如何寻找新的可替代能源成为当务之急，而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择，其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理，并对其应用前景做出了展望分析。

关键词：有机太阳能电池；原理；结构；转换效率；缺陷；优势

中图分类号：TM914.4文献标识码：A

The Principle of Organic Solar Cells and its prospect

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Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect.

Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority

0引言

现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，太阳能是未来最有希望的能源之一[1]，是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源。将太阳能直接转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而自从1954 年第一块单晶硅太阳能电池问世以来[2] ，人们就对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄予了很大希望。现在各种形式的太阳电池相继问世，目前研究和应用最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多

晶硅和非晶硅系列电池[3]。在目前商品化的太阳能电池市场中，尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位，但有机太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一。

1 有机太阳能电池的定义及分类

有机太阳能电池是以有机半导体材料作为光电转换材料直接或间接将太阳能转变为电能的器件。有机半导体材料主要包括有机高分子材料、有机小分子材料，从广义的角度来说，凡是涉及有机半导体材料的太阳能电池都可称为有机太阳能电池[4]。各类有机太阳能电池的激子分离和电荷传输的机理具有很大的不同，因而有机材料在该类电池中的作用也有很大差别。按照结构和光伏机理，有机太阳能电池可分为肖特基有机电池、体异质结有机电池和染料敏化电池；按照使用材料的物理状态，有机太阳能电池也可分为染料敏化电池和全固态有机太阳能电池，全固态有机太阳能电池又可以分为有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池[5]。

对于制造材料，按照分子量的大小分类，分为有机小分子材料和有机聚合物材料。常用的有机材料有小分子材料、聚合物材料、电极材料等。小分子材料是一些含共轭体系的染料分子，它们能够很好地吸收可见光从而表现出较好的光电转换特性，具有化合物结构可设计性、材质较轻、生产成本低、加工性能好、便于制备大面积太阳能电池等优点。但由于有机小分子材料一般溶解性较差，因而在有机太阳能电池中一般采用蒸镀的方法来制备小分子薄膜层。有机太阳能电池器件中常用的小分子材料主要有酞著、叶琳、并五苯和富勒烯等[6]。对于聚合物材料，太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。导电性聚合物的分子结构特征是含有大的π电子共扼体系，而聚合物材料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状态(非晶和结晶)、结晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主要的聚合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的衍生物等。对于电极材料，为了提高太阳能电池器件中电子和空穴的输出效率，要求选用功函数尽可能低的材料作为阴极和功函数尽可能高的材料作为阳极。电极材料的选取对于确定电极与有机材料之间是否形成欧姆接触或整流接触有较大影响。

2 基本原理

有机太阳能电池中的基本物理过程如右图：（1）光的吸收和激子的产生：光被有机材料吸收后激发有机分子从而产生激子；（2）激子的扩散和解离：通常激子可以被电场、杂

质和适当的界面所解离；（3）载流子的收集：由于有机太阳能电池器件的厚度很薄，两个电极的功函数差值建立起来的电场较强，可以较为有效地分离自由载流子；（4）形成回路[7]。

下面按照结构划分来看有机太阳能电池的三种不同结构区别。

对于肖特基型有机太阳能电池（右图），其基本的物理过程为：有机半导体内的电子在太阳光照射下被从HOMO能级激发到LUMO能级，产生电子一空穴对[8]。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，从而形成光电流。光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区的电场作用才能得到分离。而其它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。但是有机分子材料内激子的迁移距离相当有限的，通常小于10nm。所以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了，导致了其光电转换效率较低。

对于体异质结型有机太阳能电池（下图），它是利用共扼聚合物C60体系的光诱导电子转移理论,将共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍生物PCBM按一定的比例掺杂制成体异质结结构[9]，由于两种材料互相掺杂，掺杂尺寸在几个至几十纳米之间，这样，在掺杂层内任何一处形成的激子都可以在其扩散长度之内到达界面处分离形成电荷，因而可以

获得极高的激子分离效率[10]。

染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，以TiO2，ZnO，SnO2 等宽禁带的氧化物型纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/ 无机半导体复合敏化以及TiO2 表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池[11]。目前染料敏化太阳能电池的效率已经＞11%[12]，这种电池的突出优点是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的[13]，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。但是由于其有源层呈液态，易泄漏、易结晶，故人们的研究方向逐步转向全固态有机太阳能电池，即以酞菁、卟琳、芘、叶绿素等为基体材料的有机小分子太阳能电池和以有机聚合物为基体材料的有机聚合物太阳能电池。

3 现阶段发展水平及研究近况

20 世纪70 年代初期有机半导体太阳电池仅具有象征性的学术意义, 其光电转换效率

10。然而自1977 年导电聚乙炔( PA) 被发现以来, 有机高分子太阳电池受相当低只有< 4-

到了科学家的极大关注。以聚乙炔薄膜为电池材料的研究十分活跃[ 14]。此后经过不断发展，1986年，华人邓青云博士，改进了器件核心结构，由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1％左右。2005年，A.J.Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热退火处理的方法有效地提高了电池的能量转换效率，使其光电转换效率达到了5%。之后，太阳能电池的光电转换效率提高到5.4%左右。2010年7月，由德国的Heliatek公司，巴斯夫公司和德累斯顿大学应用研究所光物理联合研发的叠层有机太阳能电池转换效率打破了此前 5.4%的世界记录，将记录提高为

5.9%。

在近年的研究中, 染料敏化太阳能电池( DSSCs) 由于光吸收和电荷分离过程是分开的, 其效率与非晶硅电池相当, 也成为有机太阳能电池研究的热点。染料敏化太阳能电池( DSSCs) 实现实际应用面临的首要问题是扩大电池面积, 2001 年荷兰能量研究基金会报道了面积为2. 362

cm 的电池, 效率达到了8. 2%。我国中科院物理所的王孔嘉等在2004~ 2005 年连续报道了有效面积达60% 以上的10. 22cm 、1 87. 22cm 、3002cm 和1497. 62cm 的电池, 效率也分别达到7. 4%、5. 9%、5. 0%和5. 7%[15] 。目前他们已经完成了60W 的小型电站, 并且正在筹建500W 的电站, 为国内的DSSCs 应用奠定了良好的基础。

我国目前对有机太阳能电池的研究也已经取得了不少成果[10,16] , 中科院等离子体物理所、中科院化学所、中科院理化所、北京大学、吉林大学、东南大学、清华大学、华侨大学等单位均开展了相关研究。其中, 北京大学黄春晖等在有机染料的优化方面取得了较好的结果; 中科院化学研究所的肖绪瑞等在半固态电解质等方面取得了一定的进展; 中科院物理所孟庆波等在固态电解质和阵列电极等方面有所创新; 中科院等离子所戴松元等对染料敏化太阳能电池组件及封装技术进行了较系统的研究。 4 优劣势及前景展望

虽然有机太阳能电池的供电效率不如传统电池的效率高，但是他的造价低廉而且还有多样性的用途，所以它的前景一片光明！具有以下优点：（1）有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；（2）有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作,器件制作成本也较低。除此之外，有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用。（3）有机太阳能电池产品是半透明的，便于装饰和应用，色彩可选。在有机太阳能电池的众多优点中，最具竞争力的优势就是生产成本低廉。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，有机太阳能电池正愈来愈显示出诱人的市场前景。

目前有机太阳电池的转换效率较低且寿命短，尚未进入使用阶段，存在着载流子迁移率低、结构无序、高的体电阻以及电池的耐久性差等问题，造成有机太阳能电池性能低下的原因主要有：

（1）由于有机材料分子间相互作用力很弱，大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，电荷的

传输是通过载流子在相邻的分子态之间进行跳跃实现的，导致了有机材料的载流子迁移率一般都很低，与无机材料相比要低若干个量级，这对有机半导体器件的效率有较大影响；

（2）有机半导体材料吸收太阳光波段不宽，绝大部分材料最大吸收波段在350nm～650 nm[17]，而地球表面可吸收的太阳光的能量主要分布在600nm～800 nm，因此吸收光谱与太阳光光谱不匹配，导致光电转换效率低；如果通过增加激活层的厚度来提高光的吸收，但同时也会使器件的串联电阻增大，激子和载流子的迁移距离增加，短路电流减小，从而导致光电转换效率较低；

（3）有机半导体在吸收太阳光后会产生束缚的空穴 - 电子对———“激子”，激子的分离与迁移并非全部有效，首先其扩散距离短，通常仅约为10 nm，其次激子分离后产生的电子和空穴在一般有机材料中的传输速率不高，传输的过程中往往会受到电子和空穴复合的影响，并且电子和空穴传输到电极表面进入电极时通常要克服一个势垒，这样激子在半导体薄膜的迁移过程中就不可避免的存在着激子复合的损失，一般仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，使得有机太阳能电池实际转化效率低下；

（4）有机半导体材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的[18]。有机太阳能电池面临的关键问题是低效率和短寿命，转换效率的提高、电极的改进、器件结构的改进、载流子传输层的加入、器件的后期处理、有效光子俘获机制以及新材料的开发等等问题尚需进一步研究，但是在世界各国研究人员的努力下，有机太阳能电池正在向能量转换效率的提升、组件寿命的延长及发展低成本制造技术的目标前进。

有机太阳能电池最近几年发展迅速，相关科学理论与制造工艺已取得了长足的进步，产业化的突破已现曙光。

2010 年8 月，剑桥大学Yana Vaynzof 等人在《应用物理快报》中报道：“用单层自组织分子膜来修改界面大约能提高电荷分解效率近100％[19]，这种分子修改可改变界面的能级排列。入射光在界面附近处被吸收后形成大量激子，这些正负电荷然后被相互驱离，很象两个球从山的两侧滚下相互越滚越远。”该项研究结果对有机太阳能电池产业有重大影响，它为该领域内具有良好光吸收和导电性的共轭聚合物但却电荷分解能力差这个很重要的问题提供了一个有效的解决办法。

2010 年10 月，美国罗格斯大学研究人员波德兹瑞福等在《自然·材料学》杂志发表论文指出，激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的扩散距离可达到2～8 微米，这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米[20]，是以前观测到的1 000多倍，与制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中万尼尔(Wannier)激子的距离相媲美。该项实验观

测表明激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍，该项新发现有望使有机太阳能电池的成本更低、光伏转换效率得到有效提高，取代硅基太阳能电池。无数科研工作者试图完善太阳能电池的设计，改善太阳能电池的性能，他们为制造出成本低、光电转换效率最高、寿命长的有机太阳能电池前赴后继，一般认为，7%的转换效率将是有机太阳能电池大规模商用的临界点[21]。与具有24%光电转换效率的传统太阳能电池相比，有机太阳能电池的优点在于造价低廉，1 W的制造费用低于传统光电池，这就是它所具有的竞争力。成本低、效率高、工艺简单的有机太阳能电池在将来的商业化普及是必然的，它将成为世界能源中重要的有生力量。

5 结语

总之, 有机太阳能电池的研究与应用均取得了很大进展, 这使人类对这种太阳能的利

用向前跨进了一步, 为有机太阳能电池从实验室走向市场积累了经验。如果能在光电转换性能上取得进一步的突破, 将有可能在生产实践中得到广泛应用, 其市场前景将十分巨大。目前需要做的是从廉价易得的原料出发, 有针对性地设计合成一些化合物对光诱导电子转移

过程和机制进行研究, 以指导材料的设计合成。同时还需要对现有的材料体系进行复合优化, 以取得最大效率。更加深入地研究有机太阳能电池能量损失机制, 创造出适合应用的价廉的新颖太阳能电池。

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[19]有机太阳电池的主要障碍或被清除[EB/OL].

[20]有机半导体激子扩散距离大提升[EB/OL].

[21]廉萌.聚合物太阳能电池材料的研究进展[J].化学工业出版社,2015(10)

硅太阳能电池的结构及工作原理

一.引言：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总绿色环保节能太阳能能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显

太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。

有机太阳能电池原理及其前景展望

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有机太阳能电池原理及其前景展望 *** （***）摘要：俗话说，万物生长靠太阳，地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳；即使是化石燃料（如煤炭、石油、天然气等），从根本上说也是来自于太阳。如今，这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运，如何寻找新的可替代能源成为当务之急，而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择，其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理，并对其应用前景做出了展望分析。关键词：有机太阳能电池；原理；结构；转换效率；缺陷；优势中图分类号：TM914.4文献标识码：A The Principle of Organic Solar Cells and its prospect *** (***) Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect. Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority 0引言现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，太阳能是未来最有希望的能源之一[1]，

太阳能电池板原理

一、太阳能电池的物理基础当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下

面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。

太阳能电池板原理(DOC)

随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。一、太阳能电池的物理基础当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。

制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。

有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍有机太阳能电池研究进展 X 林　鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王　丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘　要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前　言进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或第24卷第1期2004年3月光　电　子　技　术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 　 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林　鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

硅基太阳能电池的发展及应用

.. 硅基太阳能电池的发展及应用摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。关键词：硅基太阳能电池转换效率 1引言二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。

（图1：太阳能电池的种类）太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。

太阳能电池板及其工作原理

太阳能电池板及其工作原理性能及特点：太阳能电池分为单晶硅太阳电池（坚固耐用，使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15％。）多晶硅太阳电池（其光电转换效率约14.5％，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低非晶硅太阳电池。）非晶硅太阳能电池（其光电转换率为10%，成本低，重量轻，应用方便。）太阳能发电原理：太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法：基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反

射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n 区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。太阳能发电原理图如下：

2021年太阳能电池原理开题报告

太阳能电池原理开题报告由于现在社会一直提倡环保节能，那些煤炭、石油、天然气等有污染的资源渐渐被太阳能所替代，每个国家都在尽力研究太阳能这一天然资源，所研究的程度和利用价值，成为了国家发展的代表。目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制 ___,积极生产各种相关的节能新产品。多国家正在制订中 ___太阳能 ___计划,准备在21世纪大规模 ___太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, ___推出的是阳光计划。我国对太阳能电池的研究 ___工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究 ___的重点放在大 ___太阳能电池等方面。太阳能现如今被广大的社会所重视。目前,太阳能电池的应用已从军事领域、 ___领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、岛屿和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。现如今我们的生活已经离不开这一天然环保的能源，我将利用所学知识，对太阳能电池原理进行分析，使自己更加了解这一热门资源的基本原理、利用价值、发展情况等。这次项目对我的应用能力

也是一次检验和训练；同时可以提高自己实际分析问题和解决问题的能力；加强自己在高速发展的信息社会里的竞争能力。通过去图书馆和网上查找关于太阳能方面的资料，主要关于太阳能的历史、基本原理、发展情况和现如今社会对太阳能的.的利用发范围等进行阅读，并对有关的重要材料进行研究、分析和归纳，根据自己对太阳能电池的理解和归纳进行进一步研究。针对这次的题目，首先我将对太阳能的原理进行深入地分析，只有了解了其基本原理，才能让我进行下一步研究，我们太阳能电池的各部分的原理，以及太阳能 ___历史和前景。从以前少数国家 ___到受到全球人民 ___的这一演变过程，应用的范围等。首先寻找重要资料，找到自己所需要的，利用一个月的时间，将大纲拟定出来，绕后围绕着自己的提纲进行撰写，大概需要两至三个月的时间，在四月中旬定稿，并且修补自己的不足，最终定稿。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电。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。薄膜式太阳能电池的原理等。

有机太阳能电池的原理和应用

有机太阳能电池的原理和应用一、结构和基本原理目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958 年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高达5.3％的有机固体太阳能电池。这一转换效率是通过采用纯度99.99999％以上的C60 结

太阳能电池的工作原理

太阳电池吸收太阳光就能产生一般电池的功能。但是和传统的电池不一样，传统电池的输出电压和最大输出功率是固定的，而太阳电池的输出电压、电流，功率则是和光照条件及负载的工作点关。正因如此，要应用太阳电池来产生电力，必须了解太阳电池的电流-电压关系，及工作原理。太阳光的频谱照度：太阳电池的能量来源是太阳光，因此入射太阳光的强度(intensity)与频谱 (spectrum)就决定了太阳电池输出的电流与电压。我们知道，物体置放于于阳光下，其接受太阳光有二种形式，一为直接（direct)接受阳光，另一为经过地表其它物体散射后的散射（diffuse)阳光。一般情况下，直接入射光约占太阳电池接受光的80%。因此，我们下面的讨论也以直接着实阳光为主。太阳光的强度与频谱，可以用频谱照度（spectrum irradiance)来表达，也就是单位面积单位波长的光照功率(W/㎡um)。而太阳光的强度（W/㎡),则是频谱照度的所有波长之总和。太阳光的频谱照度则和测量的位置与太阳相对于地表的角度有关，这是因为太阳光到达地表前，会经过大气层的吸收与散射。位置与角度这二项因素，一般就用所谓的空气质量（air mass, AM)来表示。对太阳光照度而言，AMO是指在外太空中，太阳正射的情况，其光强度约为1353 W/㎡,约等同于温度5800K的黑体辐射产生的光源。AMI是指在地表上，太阳正射的情况，光强度约为925 W/m2〇 AMI.5足指在地表上，太阳以45度角入射的情况，光强度约为844 W/㎡。一般也使用AM 1.5来代表地表上太阳光的平均照度。太阳电池的电路模型：一个太阳电池没有光照时，它的特性就是一个p-n结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为其中I代表电流，V代表电压，Is是饱和电流，和VT=KBT/q0, 其中KB代表BoItzmann常数，q0是单位电量，T是温度。在室温下，VT=0.026v。需注意的是，P-n二极管电流的方向是定义在器件内从P型流向n型，而电压的正负值，则是定义为P 型端电势减去n型端电势。因此若遵循此定义，太阳电池工作时，其电压值为正，电流值为负，I-V曲线在第四象限。这里必须提醒读者的是，所谓的理想二极管是建立在许多物理条件上，而'实际的二极管自然会有一些非理想（nonideal)的因素影响器件的电流-电压关系，例如产生-复合电流，这里我们不多做讨论。当太阳电池受到光照时，p-n二极管内就会有光电流。因为p-n结的内建电场方向是从n型指向p型，光子被吸收产生的电子-空穴对，电子会往n型端跑，而空穴会往p型端跑，则电子和空穴二者形成的光电流会由n型流到p 型。一般二极管的正电流方向是定义为由p型流到n型。这样，相对于理想二极管，太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流-电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流IL，其大小为：也就是说，没有光照的情况，IL=0,太阳电池就是一个普通的二极管。当太阳电池短路时，也就是V=0,其短路电流则为Isc=-IL.也就是说当太阳电池短路，短路电流就是入射光产生光电流。若太阳电池开路，也就是你I=0，其开路电压则为:

太阳能电池工作原理和应用

太阳能电池的分类简介（1）硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2）多晶体薄膜电池多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。（3）有机聚合物电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（5）有机薄膜电池有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。（7）塑料电池塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。太阳能工作原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一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

太阳能电池的基本原理

太阳能电池的基本原理光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理：无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。一、硅太阳能电池硅太阳能电池的基本结构如图1所示，它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子成键时缺少1个电子，它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅，例如掺入磷(107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子，成键后剩下1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是，P型和N型硅都是电中性的。当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时，发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近，N区的自由电子较多空穴较少，P区则是空穴较多自由电子较少，这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N 区，空穴从N区漂移到P区。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。当具有一定能量的光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子–空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别

太阳能电池的分类及其工作原理

1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，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。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，

现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1．2 多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主

光伏电池的原理及发展现状

光伏电池的原理及发展现状众所周知，太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用逐步成府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏电池的原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。光伏电池的原理及发展现状1839 年，法国的Edmond Becquerel 发现了光伏效应，即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P- N 结接受太阳光照产生光伏效应，直接将光能转换成电能的能量转换器。1954 年，美国Bell 实验室的G．Pearson 等发明了单晶硅光伏电池，其原理如图1 所示。图 1 中，太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的电子－空穴对;在P- N 结内建电场的作用下，电子、空穴分别被驱向N，P 区，从而在P- N 结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消P- N 结内建电场后的多余部分使P，N 区分别带正、负电，于是产生由N 区指向P 区的光生电动势; 当外接负载后，则有电流从P 区流出，经负载从N 区流入光伏电池。图2 为光伏电池等效电路，其中，Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流（1 cm2硅光伏电池的Iph值为16 ～30 mA）;ID，Ish分别为P- N 结的正向电流、漏电流;串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成（RS一般＜1 ）;旁漏电阻Rsh 由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致（Rsh一般为几k）;RL 为外接负载电阻，IL，UO 分别为光伏电池输出电压、电流;当负载开路（RL= ）时，UO即为开路电压Uoc，其与环境温度成反比、与电池面积无关（在100 mW/cm2的光谱辐照度下，硅光伏电池的Uoc一般为450 ～600 mV。与图2 对应的光伏电池解析模型，

太阳能电池的原理及制作(精)

太阳能电池的原理及制作太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。一、硅太阳能电池 1．硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N （negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示）

太阳能电池片技术发展的现状和趋势

太阳能电池片生产技术的发展和趋势 LED光伏电子项目部 2009/2/22

1太阳能电池片的生产工艺 1.1太阳能电池的工作原理典型的太阳电池本质上是一个大面积半导体二极管，它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能。当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时,其中能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子,价带中留下带正电的自由空穴，即电子-空穴对，通常称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区,被该区的内建电场分离电子被扫到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面(两极)分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”,即“光伏效应”（photovoltaic effect）若在电池两侧引出电极并接上负载,负载中就有“光生电流”通过，得到可利用的电能,这就是太阳电池的工作原理，如图1所示。图1太阳电池的工作原理光伏效应是1839年法国Becqueral第一次在化学电池中观察到的。1876年在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应,随后开发出Se/CuO光电池。硅光电池的报道出现于1941年1954年，贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅光电池，为太阳能光伏发电奠定了技术基础，成为现代太阳电池时代的划时代标志。作为能源,硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10。多年里,硅太阳电池在空间应用中不断扩大，工艺不断改进,电池设计逐步定型。70 年代初，许多新技术引入电池制造工艺,转换效率有了很大提高。与此同时,硅太阳电池开始引入地面应用，70年代末，地面太阳电池产量已经超过了空间电池产量,促使成本不断降低。80年代初，硅太阳电池发展进入快速发展时期，技术进步和研究开发使太阳电池效率进一步提高，商业化生产成本持续降低，应用不断扩大。在太阳电池的整个发展历程中,先后开发出各种不同结构的电池，如肖特基(MS)电池、MIS电池、MINP电池、异质结电池等，其中同质p2n结电池自始至终占着主导地位，其他结构电池对太阳电池的发展也产生了重要影响。在材料方面,有晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒(CIS)薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、砷化镓薄膜电池等，由于薄膜电池被认为是未来大幅度降低成本的根本出路,因此成为太阳电池研发的重点方向和主流，在技术上得到快速发展,并逐步向商业化生产过渡，多晶硅薄膜电池和Gratzel电池在90年代中后期开始成为薄膜电池的研发热点,技术发展比较迅速。 1.2太阳能电池的生产工艺