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。

这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。

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。

本文主要阐述硅太阳能的结构和工作原理。

二．硅太阳能电池2.1 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：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。

一般半导体的分子结构是这样的：上图中，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（黑色或银灰色固体，熔点2300℃，沸点3658℃，密度2.34克/厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。

这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。

）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴，它的形成可以参照下图说明：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，所以就会产生如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。

（附，什么是P型半导体呢？在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N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，如下图所示：P型半导体中含有较多的空穴，而N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区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有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，从而形成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。

下面就是这样的电源图。

由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。

但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。

为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。

将反射损失减小到5%甚至更小。

一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。

多余的电子被磷中多余的质子所中和。

缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。

当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。

所有自由电子会填充所有空穴吗？不会。

如果是这样，那么整个准备工作就没有什么意义了。

不过，在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。

最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。

光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。

它就像一座山——电子可以轻松地滑下山头（到达N侧），却不能向上攀升（到达P侧）。

这样，我们就得到了一个作用相当于二极管的电场，其中的电子只能向一个方向运动。

让我们来看一下在太阳光照射电池时会发生什么。

当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。

每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。

如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。

这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。

电子流动提供电流，电池的电场产生电压。

有了电流和电压，我们就有了功率，它是二者的乘积。

光伏电池的工作原理我们的光伏电池可以吸收多少太阳光的能量？遗憾的是，此处介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率至多为25%左右，通常的吸收率是15%或更低。

为什么吸收率会这么低？可见光只是电磁频谱的一部分。

电磁辐射不是单频的——它由一系列不同波长（进而产生的一系列能级）组成。

（有关电磁频谱的详细介绍，请参阅狭义相对论基本原理。

）光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。

由于射到电池的光的光子能量范围很广，因此有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对。

它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。

但其他一些光子的能量却很强。

只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。

我们将这个能量值称为材料的带隙能量。

如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉（除非光子的能量是所需能量的两倍，并且可以创建多组电子空穴对，但这种效应并不重要）。

仅这两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失。

为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。

请记住，功率是电压和电流的乘积。

最优带隙能量必须能平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，这个值约为1.4电子伏特。

我们还有其他能量损失。

电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。

我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。

但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。

如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。

要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。

它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。

为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。

即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。

在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。

硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。

被反射的光子不能被电池利用。

出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。

最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。

光伏模块由多块电池（通常是36块）串联和并联而成，以提供可用的电压和电流等级，这些电池放在一个坚固的框架中，后部分别引出正极端子和负极端子，并用玻璃盖板封上。

普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并非光伏电池中使用的唯一材料。

电池材料中还采用了多晶硅，尽管这样生产出来的电池不如单晶硅电池的效率高，但可以降低成本。

此外，还采用了没有晶体结构的非晶硅，这样做同样是为了降低成本。

使用的其他材料还包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。

由于不同材料的带隙不同，因此它们似乎针对不同的波长或不同能量的光子进行了“调谐”。

一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。

带隙较高的材料放在表面，吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。