太阳能电池中的物理机理

一、效率提升：

（1）提升光电转换能力

1) 拓宽光谱范围的方法和物理机理

太阳辐射主要分布在可见光区和红、紫外区，可见光区占太阳辐射总能量的约50%，红外区占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。因此，作为太阳能电池的吸光层，在可见光区与近红外区具有较宽较强的吸收带是实现高效率的必备条件。根据吸收截至波长与带宽的关系：

g 2401=λE /

可知减小带隙值可拓宽光普吸收范围；但是如果带隙过低，电池的开路电压会因此降低。综合看来，带隙在1.4eV 的材料比较适合作为太阳能电池的吸收层。在钙钛矿材料中，带隙可以通过调节构成钙钛矿的元素组分进行调控。

将钙钛矿太阳能电池与其他类型的太阳能电池串联构“叠层”太阳能电池。“叠层”电池主要是由顶部和底部电池串联而成，二者的分工是“叠层”太阳电池高效率的关键。具有高带隙的顶部电池能够吸收短波长的光，低带隙的底部电池则可以对长波长的光进行吸收，这样就拓宽了光谱吸收范围。此外，还可以加强材料内光的折射与反射，使光得到充分利用。

2) 光电转换材料本身的质量：单晶、晶粒大小、晶界、缺陷、致密性、薄膜均

匀性等

单晶的缺陷态密度低，载流子迁移率高，寿命长。结晶良好的器件缺陷密度较低，更加利于电荷的传输，同时材料表面更为平整，减少了界面缺陷，促进电荷的分离。晶粒较大的钙钛矿薄膜晶界密度就小，因此载流子在到达收集界面前几乎无需穿越任何晶界，电荷的传输与收集就更有效。钙钛矿薄膜的致密性也会影响器件的光电转换效率。如果薄膜致密性不好，会使电子传输层和空穴传输层直接接触，产生严重的电荷复合，使开路电压、短路电流和填充因子共同降低。薄膜均匀平滑，有利于增加该薄膜与其他层的接触面积，减少缺陷，载流子的传输更有效。从微观角度讲，高的平滑度减小了分子之间的距离，使得载流子在分子间的跳跃式迁移运动变得更容易，从而提高了薄膜的载流子传输能力。

（2）抑制自由载流子的损耗

1) 影响自由电子传输的关键因素：电极与光电转换层间的能级匹配、晶界、缺

陷中心等

电极与光电转换层要能级匹配。电子传输层的LUMO 能级低于钙钛矿的导带能级，可促进电子从钙钛矿向电子传输层的传输；同时电子传输层的HOMO 能级低于钙钛矿的价带顶能级，能有效阻止空穴向电子传输层的传输。空穴传输层的最低未占据态分子轨道能级LUMO 能级高于钙钛矿的导带CBM 能级，同时空穴传输层的最高占据态分子轨道HOMO 能级高于钙钛矿的价带顶VBM 能级，在这种情况下，会形成正的LUMO-CBM 和HOMO-VBM 能级差，前者可以有效的阻止电子向空穴传输层传输，可以避免不必要的电子空穴对的复合，同时后者可以促进空穴从钙钛矿层向空穴传输层提取，这种界面电子结构对钙钛矿太阳能电池是有利的。

晶界一般是富含缺陷的区域，容易俘获载流子，阻碍电荷的传输。

2) 电池中的P-I-N 三层的厚度对自由电子的传输产生怎样的影响

电子传输层过薄，不能完全阻挡钙钛矿与FTO 的接触，这样在电子的传递过程中在界面处就会发生电荷复合，只有部分光生电子传递出来，导致电流降低。但如果电子传输层厚度过大，电池的串阻会增大，电流下降。此外，电子的寿命和扩散长度是有限的，如果电子传输层过厚，电子就不能有效传递到电极。

对于介孔型的钙钛矿太阳能电池，TiO 2多孔层的厚度对器件效率也至关重要。研究表明，厚度在300nm 时的器件效率最优，超过300nm 时，已经超过了激子的扩散长度，会导致短路电流降低，进而影响器件效率。如果多孔层厚度过薄，又不足以吸附足量的钙钛矿，使得钙钛矿薄膜连续性下降，导致薄膜表面出现大量缺陷，器件效率低。

钙钛矿层要足够厚才能获得足够的光吸收，但是一旦厚度超出材料中电荷扩散长度过多，又会导致器件电荷收集效率降低。

同理，过厚的空穴传输层会增加空穴传输的距离，从而增加器件的串联电阻和电荷复合的概率，从而导致短路电流和填充因子的下降。当空穴传输层较薄时，可能导致钙钛矿层与电极的直接接触，导致漏电流增大。

3) 界面间产生的自由电子损耗

界面缺陷态对电荷的捕获和复合引起界面电荷复合，造成自由电子损耗。在层间界面上发生的载流子迁移、复合行为不仅与活性层材料的聚集形态有关，更取决于电子传输层材料或空穴传输层材料与电极之间的界面的势垒大小。界面材料的能级结构与电子性能对于钙钛矿太阳电池十分重要。界面修饰不仅能够增强电荷的传输和收集，同时能提高器件的稳定性。此外，优化传输层与电极之间的界面性质，增强电子(空穴)注入并阻挡空穴(电子)，改善接触面积，使传输层和电极之间尽可能形成欧姆接触，也同样能得到高效电池器件。

二、稳定性研究中的物理化学问题

（1）钙钛矿的热不稳定性、水氧环境的不稳定性、光照条件下的不稳定性等物理化学过程以及造成钙钛矿不稳定的其他物理化学机理

1）热不稳定性

钙钛矿结构对于离子大小有着严格要求，非常小的晶格膨胀或畸变都会使材料的对称性和结构稳定性大幅度降低。材料能否形成稳定的钙钛矿结构可以通过容忍因子t 进行初步判断。对于稳定的钙钛矿晶型的化合物,容忍因子需在0.8～1之间，并且随着容忍因子的增加,钙钛矿化合物的对称性会随之增加,同时带隙宽度会随之减少。通过更换或者部分引入不同大小的离子，可以实现对t 的调节，进而获得具有更稳定晶体结构的钙钛矿材料。稳定的晶体结构自然对环境的耐受性也更强。

一般来说，用无机阳离子替换有机阳离子，会使钙钛矿的热稳定性提升，FAPbI 3比MAPbI 3热稳定性更好。有研究指出在85℃下，钙钛矿材料会随着时间延长不断分解。可能发生了如下反应：

↑+HI↑NH +CH ?PbI PbI NH CH 232333

2）水氧环境的不稳定性

钙钛矿在水氧环境下的衰退机制:首先水溶解钙钛矿，CH 3NH 3+阳离子被水去质子化生成CH 3NH 3I 、CH 3NH 2和HI 混合物；HI 一方面能与O 2发生反应生成H 2O 和I 2，同时HI 本身不稳定，容易分解为H 2和I 2。因此333PbI NH CH 一旦吸收水汽，分解反应就会自发进行。对应的化学反应方程式如下：

)

(I )g (H ?)aq (HI )

l (O H I ?)g (O )aq (HI )

aq (HI )aq (NH CH ?)aq (I NH CH )

aq (I NH +CH ）s （?PbI ）s （PbI NH CH s +242+2+4+222222333332333

HI 的分解有两个途径：与O 2反应生成I 2和H 2O ；在紫外光作用下分解生成H 2和I 2。因此除了水、氧气，紫外光也是影响钙钛矿稳定性的重要因素。

此外，也有研究者认为一个水分子会和CH 3NH 3PbI 3结合夺取甲胺基团中的一个质子，生成中间产物[(MA +)n-1(CH 3NH 2)PbI 3][H 3O +]。之后这一中间产物会分解为HI 的水合物以及易挥发的甲胺，从而造成钙钛矿的分解并最终生成PbI 2。钙钛矿材料在水汽氛围下的分解图如下：

除了以上两种机理外，有研究发现钙钛矿在水汽氛围下会先生成水合钙钛矿

中间产物。总之，钙钛矿材料受外界条件的分解具有复杂性。

3）光照条件下的不稳定性

除了上述提到的HI 会在紫外光照下分解，进而加速钙钛矿材料的分解外，在光照条件下，电子传输层从钙钛矿层中的I -提取电子，将I -氧化为I ，导致钙钛矿的晶体结构解构。同时甲胺离子失去氢而形成了甲胺气体，最后失去的氢和I 形成了HI 气体。

（2）电子传输层自身的不稳定性原因，电子传输层与钙钛矿作用的机制，催化过程，界面相互作用等

1）电子传输层与钙钛矿作用的机制

电子传输材料是指能接受带负电荷的电子并传输电子的材料，通常具有较高电子亲和能和离子势的半导体材料(即n 型半导体)被用作电子传输材料。电子传输层与钙钛矿层要满足能级匹配才能形成电子选择性接触。电子传输材料的导带要低于钙钛矿的LUMO 能级，有利于电子注入其价带顶处于一个较深的位置，其价带要低于钙钛矿HOMO 能级，能有效阻挡空穴注入。通过分别控制电子传

输层和空穴传输层的厚度，能平衡载流子在各层的传输，避免电荷积累对器件寿命的影响。另外，在钙钛矿太阳能电池中，电子传输材料经常被用于形成介观框架，不仅有利于钙钛矿晶体的生长，同时缩短了光生电子从钙钛矿体内到n型半导体间的迁移距离，能有效降低复合率。

2）电子传输层不稳定的原因

目前研究的钙钛矿太阳能电池通常采用TiO2作为电子传输层。为了提高钙钛矿材料的生长反应速度，一般采用氧化钛纳米颗粒制备具有较高比表面积的多孔薄膜。但多孔TiO2在紫外光照下，器件性能迅速衰减。这是由TiO2表面分子氧的解吸附造成的。

3）光催化过程

在TiO2中，特别在其表面上存在很多氧空位(或Ti3+缺陷态)，这些氧空位会吸附空气中的氧分子，形成电荷转移络合物O2–Ti4+，这种氧吸附并不稳定，紫外光激发下TiO2价带上的空穴与氧吸附点上的电子复合，吸附的氧分子被释放，形成导带上的一个自由电子和一个带正电荷的氧空位，自由电子很快与空穴传输材料上富余的空穴复合。因为留下的氧空位所造成的缺陷态能级大约在导带底以下1eV处，光生电子会通过分子的振动能级转移到这些深缺陷态中，这部分电子无法再次跃迁到电子传输层的导带上，最终结果只能与内部的空穴复合或被局域到这些表面缺陷中，导致器件的短路电流显著下降。此外，带正电的氧空位容易从碘阴离子中获得电子，使其变为碘分子，破坏了CH3NH3+与CH3NH2和H+的化学平衡，导致CH3NH3PbI3降解为CH3NH2，HI和PbI2。因此，有报道提出了在多孔TiO2前加紫外滤光材料用Al2O3、ZnO等材料替代多孔TiO2或用一些材料修饰多孔TiO2。TiO2纳米结构的表面陷阱也会破坏器件的稳定性。

（3）空穴传输层在大气环境中的不稳定性，解释原理，空穴传输层的成本，与钙钛矿的界面作用

钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料多采用spiro-MeOTAD，但其原始空穴传输率低，必须进行掺杂。Li-TFSI是常用的掺杂材料，它可以显著提spiro-MeOTAD 的空穴传输能力，且可以提升器件的开路电压。但锂盐极易吸潮，从而影响器件稳定性。此外，HTM中起重要作用的添加剂TBP能够有效抑制电子从TiO2到HTM的反向复合过程，从而使钙钛矿太阳能电池的开路电压得到提高，还能够提高HTM的极性以增强钙钛矿和HTM的接触。但TBP会和PbI2相互作用从而形成[PbI2?x TBP]，由此导致钙钛矿的分解。除了TBP以外，作为HTM中LiTFSI 的溶剂，乙腈也对钙钛矿有一定的腐蚀作用。虽然spiro-OMeTAD应用于钙钛矿太阳电池展现了良好的性能，但是其合成条件苛刻，纯化困难，导致的价格很高。因此设计和合成更加经济高效的空穴传输材料是使钙钛矿太阳电池走向商业化的重要一步。

由于在钙钛矿和空穴界面存在的缺陷，不同晶粒表面的载流子提取效率存在很大的差异，改善钙钛矿薄膜中晶粒和空穴界面接触的均匀性是提高太阳能电池效率的重要方向。

太阳能电池物理学习题答案

1.电子空穴对的产生以及复合：太阳能电池通过吸收光子提供一电子-空穴对的最小的激发能量Eg，把电子从价带碰撞进入导带，这样就产生了电子-空穴对。电子-空穴对能够在半导体中产生，也可以复合在半导体中消失。辐射复合是电子-空穴对产生的反过程（即一个电子从导带到价带中未被占领的状态跃迁，同时释放能量。 2.P_N结伏安特性曲线： 3.异质结：在电子和空穴的分离过程中，电子流向左方N型半导体，空穴流向右方P型半导体。此时，电子的电化学势能以及电子的费米能级朝右方衰减，此时，也存在着向错误方向的传输，即电子流向右方p型层，和空穴流向左方n 行层，于总电流相关的电科电流减少。而要解决这一问题需要一种结构。吸收半导体位于中间，两侧分别拥有大的能隙，并且具有不同的电子亲和能。这种结构叫做异质结。 4.非晶硅薄膜太阳能电池：一.优点：制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作pin结构。可连续大面积自动化批量生产。非晶硅太阳能电池衬底材料可以是玻璃，不锈钢等，因而成本低。可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。缺点：初始光电转换效率较低，稳定性较差。二.a-Si 太阳能电池效率低的原因：1）a-Si材料的带隙较宽，实际可利用主要光谱域是 0.35-0.7Um波长，相对的较窄。2）电池开路电压与预期相差较大。迁移边存在高密度的尾态。材料多缺陷，载流子扩散长度很短。3）a-Si材料隙态密度较高，载流子复合几率较大，二级管理向因子通常大于二，与n=1的理想情况相差较大。4）电池P区和N区的电阻率较高。TCO/p-a-si或者n-a-si接触电阻较高，甚至存在界面壁垒，带来附加的能量损失。结构：非晶硅太阳能电池是以玻璃，不锈钢及特种塑料为衬底的电池，结构如图所示。为了焦山串联电阻，通常用激光器将TCO膜，非晶硅（a-Si）和铝电极膜分别切割成条状。非晶硅薄膜的制备：把硅烷(SiH4)等原料气体导入真空度保持在10～1000P 的反应室中，由于射频(RF) 电场的作用，产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。 5.影响太阳能转化效率的因素：能隙——半导体能隙在1eV到1.5eV之间对太阳能电池是适合的 6.光生伏打效应：当太阳光或其他光照射到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的累积，即产生光生电压，这就是光生伏打效应。

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

【精选】沪科版物理高二上7C《能的转化的方向性能源开发》 D 太阳能的利用教案-物理知识点总结

第七章 C 能的转化的方向性能源开发 D 太阳能的利用（2课时）知识和技能 1. 知道能的转化具有方向性； 2. 知道开发利用新能源的必要性与可行性； 3. 了解太阳能利用的原理与现状。过程和方法 1、通过问题讨论经历有关能量转化方向性的认知过程。 2、通过对常规能源与新能源的分类和比较，提高分析问题的能力。情感、态度和价值观建立珍惜能源，努力开发新能源的思想，树立自觉学习科学技术的决心。一、能的转化具有方向性 1、大家谈------生活中的“不可逆过程” 水往低处流、覆水难收、破镜不能重圆、人死不能复生、光阴似箭等。热传递、摩擦生热、气体自由膨胀是物理学中典型的不可逆过程。汽油机的效率为20 %~30%等说明机械能和内能的转化过程具有方向性：机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能。 2、热力学第二定律：不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化。自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，（详见[附]） 3、能量的耗散与退化二、能源开发 1、能源及分类（a）常规能源与新能源像煤、石油、天然气等矿产燃料以及水能资源，是目前人类广泛应用的能源，在技术上也比较成熟，我们称之为常规能源。人类正在积极研制或很有利用前途的其他能源（核能、太阳能、潮汐、地热、生物能等）称之为新能源。（b）可再生能源和不可再生能源可再生能源是清洁能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。（c）一次能源和二次能源由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品，称为二次能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。三、主要新能源介绍 1.核能 2.风能：荷兰风车，风力发电装置。陆地上能够利用风能的地方，主要是在常年风力较强的沿海和内陆高原。我国一些高原牧区和海岛已利用风力发电，满足照明、看电视等用电需要。 3.生物能：沼气池。沼气池原理是利用植物体或粪便，经密封发酵后产生出可燃气体。在农村特别适用。 4.可燃冰

薄膜太阳能电池基础知识整理

非晶硅薄膜太阳能电池基础知识一、优点： 1.光谱特性好（弱光性好、光谱吸收范围宽） 2.温度特性好（温度上升时电池效率下降很小） 3.成本能耗低（硅用量少:2um、生产温度底：200度） 4.生产效率高（连续，大面积，自动化生产） 5.使用方便（重量轻,厚度薄.可弯曲,易携带） 6.无毒无污染、美观大方缺点：二、非晶硅薄膜太阳能电池的四个效应： 1.光电效应 2.光致衰退效应（薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,简称为S-W效应） 3.边缘效应（边缘效率比中心效率低） 4.面积效应（面积越大，效率越低）三、结构 1.一般结构 2.非晶\微晶硅叠层结构

衬底：玻璃、不锈钢、特种塑料 TOC ：透明导电氧化膜（要求：透光性>80%、表面绒面度12~15% 面电阻R 9~13 Ω ）四、原理非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光层（i 层）能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb 的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P 边，电子漂移到N 边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb 相反，当VL = Vb 时，达到平衡; IL = 0, VL 达到最大值，称之为开路电压Voc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc ，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL 和光电流IL 。其I--V 特性曲线见图 3 SiO2(20~40nm) TCO(700~1000nm) a-si(~300nm) SiO2(100nm) μc-Si (~1.7μm ) AZO (~100nm) Ag (130~200nm)

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：

太阳能光伏电池的设计与制作

河南工程学院《光伏材料设计》实习实训报告书太阳能光伏电池的设计与制作2016 -2017学年第二学期学院：赵博学生姓名：理学院学号：201411004215 学生班级：应用物理1442 指导教师：牛金钟赵瑞锋日期：2017 年6 月14日

摘要：太阳能光伏电池的设计与制造是我们本专业的最主要内容之一，本次实训的目的是让我们更加深刻了解太阳能光伏电池的发电原理，了解太阳能电池组件的生产流程和生产工艺，了解太阳能光伏电池的应用，并且制作一件太阳能光伏电池板。本文主要讲的是本次的太阳能光伏太阳能电池制作过程，包括选择制作材料，电池板的设计，焊接太阳能电池片，组装太阳能电池，以及对电池组件进行测试。关键词：电池组件设计组装测试

目录一、简介 (1) 二、材料及其性质 (1) 1.黏结剂 (1) 2.玻璃-上盖板材料 (1) 3.背面材料 (1) 4.边框 (1) 5.接线盒 (2) 6.硅胶 (2) 7.电池片 (2) 三、设计原理及组装 (2) 1.设计原理 (2) 2.太阳能电池组件设计 (3) 3.电池组件的制作 (3)

一、简介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。通常采用硅半导体二、材料及其性质真空层压封装太阳能电池，主要使用的材料有黏结剂、玻璃、复合模、连接条、铝框等。合理地选用封装材料和采取正确的封装工艺能保证太阳能电池的高效利用并延长使用寿命。优良的太阳能电池组件，除了要求太阳能电池本身效率高外，优良的封装材料和合理的封装工艺也是不可缺少的。 1.黏结剂黏结剂是固定和保证电池与上、下盖板密合的关键材料，要求可见光范围内具有高透光性，抗紫外线老化；具有一定弹性，可缓冲不同材料见的热胀冷缩；具有良好的电绝缘性能和化学稳定性，不产生有害电池的气体和液体；具有优良的气密性，适用于自动化的组件封装。本次实训中采用的是EVA膜。 2.玻璃-上盖板材料玻璃是覆盖在电池板正面的上盖板材料，构成组件最外层，既要求透光高，又要坚固，耐风霜雨雪，经受沙砾冰雹冲击，起到长期保护电池作用。普通玻璃体内含铁量过高及玻璃表面的光反射过大是降低太阳能利用率的主要原因。目前在商业化生产中标准太阳能电池组件的上盖板材料通常采用低铁钢化玻璃，其特点是：透光率高、抗冲击能力强、使用寿命长。厚度一般为3.2mm，透光率达90%以上，对于波长大于1200nm的红外线有较高的反射率，同时能耐太阳紫外线的辐射。 3.背面材料组件底板对电池既有保护作用又有支撑作用。对底板的一般要求为：具有良好的耐气候性能，能隔绝从背面进来的潮气和其他有害气体：在层压温度下不起任何变化：与黏结材料结合牢固。一般所用的底板材料为玻璃、铝合金、有机玻璃以及PVF复合膜等。目前生产上较多应用的是PVF复合膜。 4.边框平板式组件应有边框，以保护组件和便于组件与方阵支架的连接固定。边框

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。

探究影响太阳能电池电压的因素

探究影響太陽能電池電壓的因素G608 摘要本實驗製作出來的染料敏化太陽能電池，真的能發電。照度到4000Lux 的時候，太陽能電池的電壓最強；到達5000Lux的時候，電壓沒有增強，也沒有明顯的減弱，電壓幾乎一樣。沒有加染料的太陽能電池電壓很低，染料是甲基藍的電壓最高。甲基藍對水濃度為１：４０的染料敏化太陽能電池，所產生的電壓最高，濃度最高和最低的染料敏化太陽能電池，測出的電壓都不高。壹、研究動機我們日常生活最重要的能源就是電，無時無刻離不開電，電力讓我們生活舒適便利；然而，由於地球上的各項能源日益短缺，全球氣候變遷、空氣污染、地球暖化；因此，節能減碳與找尋乾淨能源，便成了大家最重要的課題。能源分為好幾種，火力發電會造成空氣污染，核能發電可能會有輻射外露，太陽能是最無污染的能源、又可以使用最長久的能源，所以我打算從太陽能電池著手。貳、研究目的一、製作出染料敏化太陽能電池二、用甲基藍當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響三、用紅汞液當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響四、不同顏色的染料對二氧化鈦敏化之影響五、不同濃度的染料對太陽能電池產生電壓之影響參、文獻探討一、太陽能電池介紹１.矽晶元太陽能電池分為單晶矽及多晶矽，目前為研究成熟並商業量產，轉換效率達20％以上，唯因需要高度純化的矽半導體，故成本仍然很高。２.非晶矽太陽能電池此類光電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池，惟在光點使用後短時間內性能會大幅衰退，其光電轉換效率較低，商業模組僅４～８％。３.染料敏化太陽能電池 1991年瑞士科學家Ｍ.Graetzel發明「染料敏化太陽能電池」，以便

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

太阳能光伏电池测试与分析

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 近代光学创新实验实验名称：太阳能光伏电池测试与分析院系：专业：姓名：学号：指导教师：实验时间：哈尔滨工业大学

一、实验目的 1、了解pn结基本结构和工作原理； 2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理； 3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系； 4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源强度、波长、环境温度等因素对太阳能电池特性的影响； 5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。二、实验原理 1、光生伏特效应半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，如图1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn结是典型的一个例子。N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。

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