太阳能电池技术应用与发展

摘要: 本文介绍了太阳能电池的原理、特点、种类及其发展现状，并预计了未来太阳能电池的发展及应用

趋势。

关键词: 太阳能电池光伏效应薄膜电池

The Application and Development of Solar Cells Abstract:In this paper, the principle, characteristics, sorts and present research of solar cells are reviewed.

Some important expectations for solar cells development and its future application trends are given.

Key words: solar cells; photovoltaic effect; thin film cells

一、引言

太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。

当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N 结区，通过P—N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体[1～3]。

二、太阳能电池技术优势

（1）燃料免费；

（2）没有磨损、毁坏或需替换的活动部件；

（3）保持系统运转仅需很少的维护；

（4）系统为组件，可以在任何地方快速地安装；

（5）无噪声、无有害排放和污染气体。

三、太阳能电池发展的意义

（1) 保护气候；

（2) 改善环境；

（3) 节省空间；

（4) 增加就业；

（5) 为农村提供电力；

（6) 大力推进普及电力服务，为无电人口提供电力；

（7) 中国是最大的发展中国家，发展经济需要太阳能电池保障能源供给。

四、太阳能电池的发展历程

第一代：晶硅电池；

第二代：薄膜电池；

第三代；聚光太阳能系统（CPV )。

五、各类太阳能电池简介

1、晶硅电池

晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。自1954 年贝尔实验室发表了具备6％光电效率的电池后，随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，单晶硅太阳电池发展很快，一直是市场的主角。在电池制作中，一般都要采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，目前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，提高转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。

多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点，它的研究热点包括：开发太阳级多晶硅生产技术、开发快速掺杂和表面处理技术、提高硅片质量、研究连续和快速的布线工艺、多晶硅电池表面织构化技术和薄片化、高效化电池工艺技术等，以进一步降低成本。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约17％左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。多晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。

2、薄膜电池

目前，进入到规模产业化阶段的第二代电池按吸收层材料可分为以下几大类：非晶、微晶硅(锗)、碲化镉(CdTe)以及铜铟镓硒(CIGS)。其中，铜铟镓硒电

池的效率最高，达到20%，但其规模化的生产工艺还在逐渐成熟，而且铟元素的地壳储量很低，长期材料供应可能会有问题。碲化镉电池当前的最高效率是16.7%，相比较而言，碲化镉电池在效率、生产工艺的成本与稳定性、原材料供应等各方面综合性能较均衡，因此其产销量在最近几年增长很快，也是第一个做到生产成本低于1 美元/Wp 的太阳电池技术。

2.1 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池

碲化镉是II-VI族化合物半导体材料，属于直接禁带类型，禁带宽度约为1.5eV。这一宽度与地面标准太阳能谱(AM1.5)的峰值位置相吻合。理论计算也表明，单结太阳电池要想获得最佳的能量转换效率，其吸收层的禁带宽度应接近1.5eV[4]。由于碲化镉是直接禁带半导体，其光学吸收系数在1.5eV 以上很快达到104～105cm-1 数量级。这些综合特性使得碲化镉成为薄膜太阳电池吸收层的理想候选材料。

在碲化镉光伏器件中，碲化镉层一般显示p型导电性，与显示n型导电性的硫化镉(CdS)组成p-n结。这两种材料都无需在沉积过程中外加掺杂，其导电性主要由内缺陷和后期氯化镉(CdCl2)处理过程引入的杂质产生。

碲化镉虽然有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是闪锌矿(zinc-blende)型立方晶格结构，晶格常数约为0.648nm。因此碲化镉的能带结构与典型的闪锌矿型半导体(如砷化镓)有许多相通之处，如直接禁带都位于布里渊区里的k?=0点。理论计算得出的碲化镉能带结构可参见文献。硫化镉也具有多种晶格结构，但在薄膜光伏器件中一般是六方结构。

材料光学性质包括折射率n和消光系数k，也可以用复介电常数e=e1+ie2等效表征：

e1=n2-k2 (1)

e2=2nk (2)

图1给出了宽光谱范围内(0.75～6.5eV)几种典型碲化镉和硫化镉材料的复介电常数曲线，溅射生长条件参考文献。需要注意的是：碲化镉薄膜电池中的多晶半导体材料晶粒尺寸在纳米到微米量级。在这个范围内，材料光学性质受晶粒尺寸、内应力和空隙度等其他物理特性的影响而变化相当显著。这就是图1a和1b 中两条曲线都对应同一化学物质却具有不同光学特性的原因。这和晶粒尺寸或原

子排列有序距离的两个极端，即单晶(有序距离无穷大)和非晶(有序距离为零)的情况截然不同。这两种极端材料没有晶粒的概念，光学性质较单一，不像多晶材料那样复介电常数曲线随生长条件不同而变化明显。多晶薄膜的这一特性既给光学检测带来了难度，又为通过光学手段了解薄膜的物理性质带来了机遇。

固体材料的光学性质与其微观晶格和能带结构有着密不可分的关系。对某一给定材料，其复介电常数的实部e 1 和虚部e 2 不完全独立，它们通过

Kramers-Kronig关系(K-K关系)而联系在一起。从视觉上看，e2 中的每一个峰都对应e1中幅度相当、位于光子能量稍低位置的一个峰。图1中的曲线都满足这一关系。e 曲线中的峰在物理光学中称作“临界点”，它们对应于能带结构中价带顶与导带底局部平行(即斜率相同)的波矢k?点。在这些点附近，联合态密度会出现范霍夫奇点，电子跃迁所需的能量几乎相同，因此这一能量对应的光子会被强烈吸收，于是e曲线在这一光子能量上就会出现一个峰。在图1 的光谱范围内，碲化镉有4 个较强的临界点，而硫化镉有3个较强的临界点。其中，它们的E0都对应能带结构中的G点(k?=0)；碲化镉的E 1 和E 1+ ? 是一对由轨道－自旋相互作用分裂开来的临界点，对应的k?都位于<111>方向，在G和L 点之间[7]；E2 临界点较复杂。

碲化镉薄膜的生长条件除了氩气压强在2.5～50mTorr 范围内变化外，其他沉积条件都保持一样。从图中可以看到：(1) 所有薄膜在沉积初期(体层1～2nm 厚)都有相对较厚的表面粗糙层。这时沉积下来的碲化镉容易聚成“岛”状而不是平铺成层状，“岛”的高度随氩气压强增加而单调增加；(2) 体层厚度2～10nm之间，上述分离的岛状沉积体扩大后相互接触，底部变成了连贯的体层，因此表面粗糙层厚度降低；(3) 体层厚度10nm 以上，表面粗糙层的厚度再次增加，而且增加的速率随氩气压强而明显不同。在2.5～14mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调增加(差别达10倍左右)，而在14～50mTorr范围内，表面粗糙层厚度随氩气压强增加而单调减少。有趣的是，用这套沉积系统制作高效碲化镉电池的最佳氩气压强正是在表面粗糙层厚度发生变化的交界压强14mTorr 附近(10～18mTorr)。这其中内在的联系目前还不太清楚。图4 中体层厚度50nm 左右曲线的不连续性，是由于试验中在这个厚度沉积曾暂停下来，以便精确测量薄膜光学性质随温度的变化。在这个过程中一部分碲化镉升华。从这个不连续性也可以看出原位椭偏学的高灵敏度。

除了对薄膜厚度的观测以外，原位椭偏学还能充分发挥其对材料表面光学性质的高度敏感而跟踪薄膜表面层的化学成分。例如，在碲化镉电池中，硫化镉层的厚度远小于碲化镉层，它们的界面正是p-n结的位置所在，其性质对整个器件的成败至关重要。原位实时椭偏学的观测表明，在图2对应的生长条件下，如果在硫化镉层上生长碲化镉(衬底朝上型电池，参见图2的上半部分），则硫原子会

扩散到碲化镉层，形成CdTe1-xSx。其中x 在碲化镉层生长了10nm 后仍然达到2% 左右；如果生长顺序相反，即在碲化镉层上生长硫化镉(衬底朝下型电池，参见图的下半部分)，碲原子也会扩散到硫化镉层，但其原子比例在硫化镉层达到生长了8nm左右就接近零。由此可见硫原子在碲化镉中的扩散性能要好于碲原子在硫化镉中的扩散性能。

图2 碲化镉(下)及硫化镉(上)的临界点宽度随平均散射源距离的分布

碲化镉薄膜太阳电池是第二代光伏器件中很有前景的一项技术。理论计算和实验经验都表明，把单结碲化镉电池的能量转换效率提高到20% 左右是完全有

可能的[3,4]。当然，这需要对材料的物理、化学性质和薄膜的生长过程进行更加深入细致的研究。以椭偏学为代表的光学检测手段为这种研究提供了一种独特而有力的工具。

2.2 CIGS薄膜太阳电池

CIGS 是一种半导体材料，是在通常所称的铜铟硒(CIS)材料中添加一定量的ⅢA族Ga元素替代相应的In元素而形成的四元化合物。鉴于添加Ga元素后能适度调宽材料的带隙，使电池的开路电压得到提高，因此，近年来CIGS 反而比CIS 更受关注。为此，本文中描述的CIGS 和CIS 将具有同等意义。

单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不可撼动的地位，作为硅太阳电池，只是它诸多的重要应用之一。与硅系太阳电池在材料性质上有所不同的是：CIGS 属于化合物半导体范畴。固体物理学的单晶硅金刚石型晶体结构和CIGS黄铜矿在化合物半导体系列太阳电池家族中，某些成员也有不凡表现，如砷化镓(GaAs)太阳电池，其最高的光电转换效率使其他类型的太阳电池难以望其项背。然而，其高昂的制备成本使其只能应用于高层次的不计工本的特殊场合，如太空、军事领域。在各领风骚的太阳电池阵容中，CIGS 太阳电池以其特性方面的闪光点脱颖而出。

CIGS 薄膜太阳电池的性能特点：

（1）多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料

用来制备CIGS太阳电池的材料是多晶态。一般多晶材料的制备难度和成本都低于单晶材料，这一点对产业化和民用化具有重要意义。理论和试验结果都证实，制备CIGS 电池器件工艺中，对成分配比的离散相对有较大的宽容度，对材料纯度和制备温度的要求也低于常规晶态的半导体工艺。这为工业化制备的良品率和制备成本的优化提供了较大的空间。

（2 ）相对较高的光利用特质

用半导体专业语言来讲，CIGS 是一种直接带隙材料，对可见光的吸收系数高达105(cm-1)，优于其他电池材料。对比图2中的各种薄膜电池材料吸收系数的曲线，可知CIGS 材料的吸收系数最高。CIGS 薄膜电池的吸收层仅需1～2mm 厚，就可将阳光全部吸收利用。因此，CIGS 最适合做薄膜太阳电池，其电池厚度薄且材料用量少，大大降低了对原材料的消耗，减轻了In 等稀有元素的资源压力。

几种电池材料吸收系数曲线

（3 ）光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首

目前太阳电池家族中，尚存在几种不同材料类型的薄膜电池。如硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池等。但值得提出的是，在所有类型的薄膜太阳电池中，CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率在理论上和实际上都是最高的，迄今实验室最高效率已超过20%，仍没封顶。

（4 ）电池发电稳定性好

电池的稳定性是描述电池使用价值的另一个非常重要的指标，尤其对电站来讲，是首要指标，同时也直接影响到电池的能量回收水平及使用寿命的长短。有试验证明，CIGS 薄膜电池组件在户外条件下使用，历时三年之久，性能没有衰减，并非每种太阳电池都能有这种出色的表现。

CIGS 薄膜电池效率户外使用稳定性试验统计

（5 ）弱光发电性能好

弱光发电性能不容忽视。太阳的光强有四季、早晚、阴晴的变化。因此，我们不仅要重视太阳电池在强光下的峰值发电能力，更要关注一天或一年时段中的累计发电量，即追究太阳电池的弱光发电能力。正是在这一指标上，与不同类型太阳电池相比，CIGS 太阳电池有着突出的表现。在晨昏时节、阴天冬季，仍具有相当的发电能力。

（6 ）抗辐照能力强

CIGS 材料的Cu 迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力，这就保证了CIGS 太阳电池在强辐射下的良好反应。如同摆擂

台一样，将几种太阳电池置于1MeV电子辐照下，结果显示，大多数电池输出功率明显衰退时，CIS(CIS在此可代表CIGS)电池却无任何衰减。在领取用作空间电源的通行证的竞争中，CIGS 太阳电池顺利过关。

各类太阳电池抗辐照比

（7 ）外观漂亮

CIGS薄膜太阳电池组件因其黑亮沉穆的色泽备受赞叹(因其极高的吸收系数)。无论作为屋顶或幕墙，CIGS 薄膜电池无疑是功能建筑一体化的最佳选择，作为发电功能与装饰效果的完美组合，CIGS 独具风格。

（8 ）带隙可依性能要求调节

带隙可依性能要求调节，这为高性能的叠层电池奠定了基础。CIGS材料晶型为黄铜矿结构。通过调节材料的成分及其配比，CIGS 有多种结构。例如不掺Ga 的CIS 三元化合物材料做成的太阳电池，其材料的半导体禁带宽度是1.04eV；如用适量的Ga 取代In，成为四元化合物(CIGS)，其禁带宽度可在1.04～1.67eV范围内连续调整。优点：可根据与太阳光谱匹配的要求来调整最佳带隙(1.5eV)；容许材料成分配比有一定的偏差和漂移，而不丧失器件的光伏性能。尤其在产业化工程中，可提高工艺条件的宽容度和良品率的保证。

（9 ）可做柔性电池

CIGS 材料的光吸收系数最高，吸收层可做得很薄。实际上CIGS薄膜电池各层叠加起的总厚度<4mm，具有充分的柔软性。沉积在金属箔或高分子塑料薄膜上，就成为可折叠、弯曲的柔性电池。柔性电池用途更加广泛与方便，可用于帐篷、屋顶、探测气球及各种异型表面，尤其适合便携和随机使用。在同样的发电能力下，CIGS 薄膜电池重量最轻。CIGS 薄膜太阳电池具有上述优势，足可以骄人的姿态跻身于太阳电池的强手之林。自其现身来，就受到各国科研机构的重视，甚至是工业界。如受日本专司汽车制造的丰田公司的青睐。虽然CIGS 薄膜太阳电池产业化较晚，大面积能力尚在开发。

2.3 硅基薄膜太阳电池

硅基薄膜太阳电池是除CdTe和CIGS之外，产业化发展得最早、产量占薄膜电池份额最高的薄膜电池门类。图1为世界电池产量逐年增长的情况。从下图可知，薄膜电池在各类电池中的份额虽然不高，但增长速率明显，其中硅基薄膜电

池在薄膜电池中的份额最高，到2010年硅基薄膜电池已超过1GW，达到1159MW。究其原因，除具有薄膜电池共有的特征外，更为重要的是硅材料资源丰富，是地壳表层内固态元素中丰度最高的元素，作为未来能源所需原材料的来源将不受限制；其次，硅基薄膜并非全新的材料，在现有对晶体硅电池认识的基础上，由于属同类材料，有很多源于晶体硅电池较为成熟的概念、工艺可以借鉴，有利于硅

基薄膜电池技术的迅速提升；此外，更为重要的是硅的无毒性，使其电池成品无需任何防护即可直接使用，具有安全性。

3、聚光太阳能系统（CPV )

第三代CPV 发电方式正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV 系统发电。与前两代电池相比，CPV 采用多结的III-V 族化合物电池，具有大光谱吸收、高转换效率等优点；而且所需的电池面积不大，以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。

CPV 系统具有转换率优势和耐高温性能。硅电池的理论转换效率大概为23%，单结的砷化镓电池理论转换效率可达27%，多结的III-V 族电池对光谱进行了更全面的吸收，其理论转换率可超过50%。即使考虑到聚光和追踪所产生的误差损失，目前的CPV 系统转换效率可达25%，高于目前市售晶硅电池17%左右的转换效率。此外，GaAs 系电池的高温衰减性能强于硅系电池，更适合应用于日照强烈的荒漠地区。

CPV 将长期与晶硅、薄膜电池共存。CPV 由于系统的复杂性，较适用于大型的光伏发电电站，可采用统一的追日控制方式和冷却系统。而晶硅和薄膜电池更适用于较小型的家用和商用发电系统，长期来看，CPV 并不会完全取代晶硅和薄膜电池的市场，正如薄膜电池不会完全取代晶硅电池。

参考文献

[1] 薛俊明, 麦耀华, 赵颖, 张德坤,韩建超, 侯国付, 朱锋, 张晓丹, 耿新华薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究.

[2] 李俊峰, 王斯成, 张敏吉等. 中国光伏发展报告．2011.

[3] 范永杰, 於黄忠, 林文健. 太阳能电池的原理及结构研究进展. 中国材料科技与设备，2008( 2)：16-19.

[4]张晓丹熊绍珍赵颖减薄晶体硅太阳电池给薄膜太阳电池的启示.

[5]李卫民. 聚合物太阳能电池激励及实验研究. 华中科技大学博士学位论文.

[6] 庄大明, 张弓. CIGS薄膜太阳能电池研究现状及发展前景.

[7].新材料产业, 2005,(4): 43－48.

[8] 岳强.氢化微晶硅氧薄膜材料研究[D].天津:南开大学硕士论文, 2010.

[9] 成志秀，王晓丽. 太阳能光伏电池综述. 信息记录材料，2007(2):41-47.

[10] Wurfel P. Physics of solar cells: from principle to new concepts.

[11] Zachmann H, Rahm A, OtteK, et al. The Impact of Ion Energy andFluence in Ion Beam A ssisted Roll-to-Roll Deposition of Cu(In,Ga)Se2 Absorber Films[A]. 23nd European Photovoltaic Solar Energyconference[C], 2008: 2621－2624.

[12] Bhattacharyaa R N, Hiltnerb J F, Batchelora W, et al. 15.4%CuIn1-xGaxSe2-based photovoltaic cells from solution-based precursorfilms[J]. Thin Solid Films, 2000, (361-362): 396－399.

[13] Sriprapha K, Inthisang S, Yamada A, et al. Fabrication of highopen-circuit voltage a-SiO:H solar cells[A]. Technical Digest of theInternational PVSEC-17[C], 2007:1324 －1325.

[14] N. B. Chaure, J. Young, A. P. Samantilleke, et al.Electro-deposition of p-i-n CuInSe2 Multi-layersForphotovoltaic Applications [J]. Solar EnergyMaterials and Solar Cells. 2004,81:125-133.

[15] Deb S K. Recent Development in High Efficiency PVCells[J].Renewable Energy, 1998,15(1/4):467-472.

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)。

太阳能电池的发展历史

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/c213918893.html, 太阳能电池的发展历史作者：张金晶来源：《商情》2016年第26期【摘要】相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源，太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点，成为最具有发展前景的能源之一。目前，随着太阳能电池制备技术的不断完善，其技术的开发应用已经走向商业化、大众化，特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。【关键词】太阳能单晶硅薄膜电池引言：随着社会的飞速发展，能源是影响当今社会进步的重要因素，但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡，并且不可再生，而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源，可以提供充足的能量供人类使用，因此开发新能源，是人类社会薪火相传，世代相传的重要保证。此外，不可再生能源的过快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应，臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响，不仅阻碍了人类经济的飞速发展，而且还严重影响到社会的可持续发展。因此，发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。 1. 第一代太阳能电池第一代太阳能电池是发展时间最久，制备工艺最为成熟的一代电池，一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多，商业前景最好。单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在，尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳能电池的主要材料，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究，采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低，稳定性也比较好，这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高，它达到的最高的光电转换效率为21.9%，但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。 2.第二代太阳能电池

太阳能电池基本特性测定试验

太阳能电池基本特性测定实验太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。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。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。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23%,规模生产时的效率为15%。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%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地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。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验，通过实验了解太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。【实验目的】 1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； UI U I曲线图；并测量太阳能变化关系，画出2. 有光照时，测量电池在不同负载电阻下，对IUP FF；及填充因子电池的短路电流、开路电压、最大输出功率SCaxOCm IU L的关系，求出它们的近似函数关系。与光照度 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SCOC 【实验仪器】白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关连接导线若干供参考．】【实验原理区，pn区流向结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由太阳光照在半导体

《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-4

第四章
4.1 3 4.2 4.3 3 4.4 4.5 4.6
太阳电池基础
光生伏特效应光生载流子的浓度和电流太阳电池的伏安特性太阳电池的性能表征太阳电池的测试技术太阳电池的效率分析

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
太阳电池的理论效率
VOC I SC ? FF ?? ?100% Pin
当入射太阳光谱AM0或AM1.5确定后，为获得较高的转换效率，需要增加Voc、Isc和FF
填充因子FF
在理想情况下（当voc>10），填充因子FF仅是开路电压Voc的函数
Voc的函数
voc ? ln（voc ? 0.72） q FF ? voc ? Voc , voc ? 1 kT

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
短路电流Isc
I sc ? ? I L I L ? qAG ? Le ? W ? Lh ? ,
假设到达电池表面的每一个能量大于材料禁带宽度Eg的光子，会产生一个电子-空穴对。将光通量对波长进行积分，可以得到产生率G。
开路电压Voc
Voc ?
2
? kT ? I L ln ? ? 1? q ? I0 ?
? Eg ? I 0 =1.5 ? 10 exp ? ? ? kT ? ?
5
Eg ) I0∝ ni ? N C N V exp(? kT
禁带宽度Eg减小，I0增加，Voc减小

4.6 太阳电池效率分析-极限效率
最佳带隙宽度
禁带宽度Eg减小
Isc增加
Voc减小

太阳能电池历史、原理、分类

太阳能电池历史、原理、分类引言太阳能作为一种巨量可再生能源，是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径很多，有光电直接转换，有光热电间接转换等。但利用太阳能电池进行光电直接转换是运用最为广泛的方式。历史：太阳能电池发展历史可以追溯到1 8 3 9 年，当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应（P h o t o v o l t a i ceffect ）。直到1883 年，第一个硒制太阳能电池才由美国科学家Charles Fritts 所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。而现代化的硅制太阳能电池则直到1946 年由一个半导体研究学者Russell Ohl 开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳能电池的转化效率提高到6% 左右。随后，太阳能电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳能电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974 年，Haynos 等人，利用硅的非等方性（a n i s o t r o p i c）的蚀刻（etching）特性，慢慢的将太阳能电池表面的硅结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失，这使得当时的太阳能电池能源转换效率达到17%。 1976年以后，如何降低太阳能电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本降低使得太阳能电池进入民间发电领域，太阳能电池开始应用于并网发电。世界太阳能电池发展的主要节点： 1839年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。 1876年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。 1883年制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。 1930年肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。1932年奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。 1941年奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955年吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。 1957年硅太阳电池效率达8%。 1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。 1960年硅太阳电池首次实现并网运行。 1962年砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。 1969年薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。 1972年罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。 1972年美国宇航公司背场电池问世。 1973年砷化镓太阳电池效率达15%。

浅谈太阳能电池的发展与应用

浅谈太阳能电池的基本原理与应用摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题，研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池，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。为全面的了解太阳能电池的相关知识，本文通过查阅大量资料与新闻信息，综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理，基本结构，主要类型，发展现状及趋势。关键词：太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 2) 要有较高的光电转换效率; ( 3) 材料本身对环境不造成污染; ( 4) 材料便于工业化生产且材料性能稳定. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 1 基本原理太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。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。 1.1 半导体的简单介绍半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 1.1.1关于半导体的基本概念共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。载流子：运载电荷的粒子称为载流子，包括电子与空穴。杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三

太阳能电池基本特性的测量(讲义)

太阳能电池基本特性的测量太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源,因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。【实验目的】 1．在没有光照时,太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。 2．测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性,作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流(SC I )、开路电压(OC U )、最大输出功率m P 及填充因子FF ， )]U I /(P FF [OC SC m ?=。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。 3．测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流SC I 和相对光强度0J /J 之间关系，画出SC I 与相对光强0J /J 之间的关系图；测量开路电压OC U 和相对光强度0J /J 之间的关系,画出OC U 与相对光强0J /J 之间的关系图。【实验原理】太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为: )1e (I I U o -?=β (1) (１)式中，o I 和β是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成,如图１所示。C E 为半导体导电带，V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成,如图2所示。图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得: 0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ (2） (2）式中,I 为太阳能电池的输出电流,U 为输出电压。由(1)式可得， d sh ph sh s I R U I )R R 1(I --=+ （３) 假定∞=sh R 和0R s =,太阳能电池可简化为图3所示电路。这里,)1e (I I I I I U 0ph d ph --=-=β。在短路时，0U =，sc ph I I =; 而在开路时,0I =,0)1e (I I oc U 0sc =--β; ∴]1I I ln[1U 0 sc OC +β = （４)

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

太阳能电池的发展与应用

太阳能电池的发展与应用目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。太阳能蓄电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于"先锋1号"人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能蓄电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能蓄电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能蓄电池组件的产量70MW(兆瓦)，我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能蓄电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户(2800万人口)，还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。

《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第四章-1

第四章太阳电池基础光生载流子的浓度和电流4.2太阳电池的测试技术4.4光生伏特效应34.1太阳电池的伏安特性34.34.5太阳电池的效率分析太阳电池的性能表征4.6

太阳电池基本结构以晶体硅太阳电池为例。（1）以p型晶体硅半导体材料为衬底；（2）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构（3）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层（4）PECVD生长SiO 减反层 2 （5）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极（6）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极

半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建电场作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。 p-n结是太阳电池的核心光生载流子形成一个与热平衡结电场方向相反的电场，使得势垒降低；光生电流与正向结电流相等时，pn结建立稳定的电势差，即光生电压 Electric Field

载流子运动的角度太阳电池工作原理：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成能量大于禁带宽度E g 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p-n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型一例，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”。如果在电池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负载。这就是太阳电池的基本工作原理。

能带的角度持续光照条件下，大量的光生载流子产生，光生电子和空穴被源源不断地分别扫到n型和p型一两侧，致使n区和p区费米能级的分裂，若太阳电池断路，光生电压V即为开路电压V 。若外电路短路，pn结正向电流为 oc 零，外电路电流为短路电流，理想情况下也就是光电流。

太阳能电池工作原理与应用

太阳能电池工作原理及应用摘要：太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。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rt型区，空穴被驱向P型区，从而使rt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。关键词：太阳能；光伏发电；半导体；电池太阳能电池的分类简介太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位（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%，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。

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

太阳能光伏发电必须掌握的基础知识

太阳能光伏发电必须掌握的基础知识 1、太阳能光伏系统的组成和原理太阳能光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。太阳能光伏系统具有以下的特点： -没有转动部件，不产生噪音； -没有空气污染、不排放废水； -没有燃烧过程，不需要燃料； -xx 简单，维护费用低； -运行可靠性、稳定性好； -作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25 年以上；根据需要很容易扩大发电规模。光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW 级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3~ 2W的太阳能庭院灯，大到MW 级的太阳能光伏电站，如 3.75kWp 家用型屋顶发电设备、敦煌10MW 项目。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。图4-1 是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中包含了光伏系统中的几个主要部件：

光伏组件方阵：由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。蓄电池：将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。控制器：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。逆变器：在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统部件上根据实际的需要有所不同，下面将对不同类型的光伏系统进行详细地描述。直流负载的光伏系统 2、光伏系统的分类与介绍小型太阳能供电系统（Small DC ;简单直流系统（Simple DC ;大型太阳能供

太阳能电池基础知识

一,基础知识 (1)太阳能电池的发电原理太阳能电池是利用半导体材料的光电效应,将太阳能转换成电能的装置. ?半导体的光电效应所有的物质均有原子组成,原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成.半导体材料在正常状态下,原子核和电子紧密结合(处于非导体状态),但在某种外界因素的刺激下,原子核和电子的结合力降低,电子摆脱原子核的束搏,成为自由电子. 光激励核核电子空穴电子电子对?PN 结合型太阳能电池太阳能电池是由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成,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 ,当 P 型和 N 型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中,带正电的空穴往 P 型区移动,带负电子的电子往 N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流.. (2)太阳能电池种类－＋＋－－＋P 型

铸造 2 工 PN 结合（正面 N 极,反面 P 极）减反膜形成通过电极,汇集电 ※在现在的太阳能电池产品中,以硅半导体材料为主,其中又以单晶硅和多晶硅为代表.由于其原材料的广泛性,较高的转换效率和可靠性,被市场广泛接受.非晶硅在民用产品上也有广泛的应用（如电子手表,计算器等）,但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料. 化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害,现阶段未被市场广泛采用. ※现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质. ※京瓷公司早在上世纪的八十年代就认识到多晶硅太阳能电池的光阔前景和美好未来,率先开启多晶硅太阳能电池的工业化生产大门.现在已经是行业的龙头,同时多晶硅太阳能电池也结晶类太阳能电池的主流产品（太阳能电池的 70%以上）. （3）多晶硅太阳能电池的制造方法空间用民用转换效率:24% 转换效率:10% 转换效率:8% （1400 度以上）破锭(150mm *155mm ) N 极烧结电极印刷（正反

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

太阳能电池发展现状及存在的主要问题

太阳能电池发展现状及存在的主要问题晨怡热管2008-10-17 23:05:45 一、2005年国际太阳能电池产业发展情况 2005年，世界太阳能电池总产量1656MW，其中日本仍居首位，762M W，占世界总产量的46％，欧洲为464M W，占总产量的28％，美国156M W，占总产量的9％，其他274MW，占总产量的17％。 2004年全球前14位太阳能电池公司总产量达到1055MW，占当年世界总产量的88.3％，近五年来，日本Sharp公司一直领先，2004年产量达到324MW，见表1。

以2004年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98％，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6％，多晶硅太阳能电池占总量的56％，见表2。

2005年，世界光伏市场安装量1460M W，比2004年增长34％，其中德国安装最多，为837MW，比2004年增长53％，占世界总安装量的57％；欧洲为920MW，占总世界安装量的63％，日本安装量292M W，增幅为14％，占世界总安装量的20％；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7％，其他安装量为146M W，占世界总安装量的10％。

至2005年全世界光伏系统累计安装量已超过5GW，2005年一年内投资太阳能电池制造业的资金超过10亿美元。现在，一个世界性的问题是制造太阳能的电池的硅原材料紧缺，尽管2005年全世界硅原材料供应增长了12％，但仍然供不应求，国际上长期供货合同抬价25％。持续的硅材料紧缺将对2006年太阳能电池生产产生较大的影响，预计2006年世界太阳能电池产量的增幅将不限制在10％左右。要解决硅材料的紧缺问题预计将需要5年以上的时间。根据光伏市场需求预测，到2010年，全世界光伏市场年安装量将在3.2G到3.9GW之间，而光伏工业年收入将达到186美元到231亿美元。日本和欧美各国都提出了各自的中长期PV发展路线图。按日本的PV路线图（TV Roadmap 2030），到2030年PV电力将达到居民电力消耗的50％（累计安装容量约为100GW），具体的发展目标见表3和表4。

太阳能电池工作原理及应用

太阳能电池工作原理及应用摘要:太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池,就是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到,瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏(Phｏtov ｏltaic,photo光,ｖoltaicｓ伏特,缩写为PＶ),简称光伏。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rt型区,空穴被驱向P型区,从而使rt区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。于就是,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。关键词:太阳能;光伏发电;半导体;电池太阳能电池的分类简介太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池,其中硅太阳能电池就是发展最成熟的,在应用中居主导地位 (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与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%)。在大规模应用与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,发展了多晶硅薄膜与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1 ０%(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就是太阳能电池的主要发展产品之一。 2)多晶体薄膜电池