太阳能电池

背景：随着我国的经济的快速发展和综合实力的崛起，对能源需求越来越大，传统的的石油，煤炭，天然气等不可再生能源终将枯竭。

能源危机将是不可避免的。

如果不作出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。

而且煤炭、石油的大量开发和利用是造成环境污染和气候变化的主要原因之一。

作为负责任的发展中国家，中国高度重视环境保护和全球气候变化，将保护环境作为一项基本国策，促进能源与环境协调发展，全面控制温室气体排放。

所以发展新型能源正时当务之急，太阳能电池因其光明的发展前景，正在原来越被人们所熟知。

但随着新型材料和器件的运用，其转换效率正在不断提高。

大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。

能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。

从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。

1太阳能及太阳能电池1.1太阳能的特点（1）普遍：太阳光普照大地,无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,都处处皆有，可直接开发和利用,且勿须开采和运输。

（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境,它是最清洁的能源之一,在环境污染越来越严重的今天,这一点是极其宝贵的。

（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤,其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

（4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是用之不竭的。

1.2太阳能的利用太阳能的利用有多种方式：（1）太阳热能的利用,比如太阳能热水器,目前就用的比较多也比较普及；（2）太阳能发电,是目前太阳能利用的重点研究领域,主要的普及障碍是：①用于完成光电转化的硅光电池成本太高、转化效率低、使用寿命短；②用于储存电能的蓄电池成本高、使用寿命有限、造成环境污染。

1.3太阳能电池的分类2.太阳能电池原理2.1无机太阳能电池的原理太阳能电池的工作原理是基于 P-N 结的光生伏打效应：当 N 型半导体与 P 型半导体通过适当的方法组合到一起时, 在二者的交界处就形成了P-N 结。

由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从n 型半导体指向p 型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移。

达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。

如果光照在p–n 结上，而且光能大于p–n 结的禁带宽度，则在p–n 结附近将产生电子-空穴对。

由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。

如果将p-n结和外电路相连，则电路中出现电流。

图1 太阳能电池的工作原理2.2有机太阳能电池的工作原理无机半导体是通过掺杂微量的杂质元素(如P、N等) ,改变载流子浓度,从而提高电导率。

而聚合物的导电机理则更为复杂,聚合物半导体的主要特征是存在共轭键,其中σ键定域性较强,而π键电子定域性较弱。

在掺杂原子(O、N、S、N等)作用下,π键分子轨道可发生简并,从而形成一系列扩展的电子状态,即能带。

π键轨道与π* 反键轨道分别与聚合物的价带和导带相对应,六噻吩的电子结构与导电机理示意图如图2所示。

无机太阳能电池在光照作用下产生电子- 空穴对,在p-n结附近形成的内电场的作用下,电子-空穴对被分离并分别传输到两极,在两极间产生电势,称为光伏效应,（如图3）所示。

对于绝大多数无机光电池而言,光生载流子的理论解释是基于半导体材料的能带理论。

图2 六噻吩的电子结构由于共轭有机半导体材料的导电机理与无机半导体有所不同,因此,有机太阳能电池与无机太阳能电池的载流子产生过程有所不同。

聚合物吸收光子产生激子,激子只有离解成自由载流子(电子和空穴)才能产生光电流。

一种被广泛接受的观点是,有机薄膜太阳能电池的作用过程由三个步骤:(1)光激发产生激子; (2)激子在给体/受体(D /A)界面的分裂; (3)电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。

器件的能量损失贯穿于整个过程: (1)光子损失; (2)激子损失; (3)载流子损失。

激子的离解有多种机制,可归结为激子的热电离或自由电离、激子与激子之间的碰撞电离、光致电离、激子与杂质或缺陷中心相互作用而电离等。

这样离解产生的自由载流子迁移率比较低,容易成对复合而损失,只有扩散到D /A界面的激子,被界面的内建电场离解才对光电流的产生有贡献。

（如图3）图3 界面的内建电场离解3有机太阳能电池分类3.1单质结结构有机太阳能电池单质结有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池。

其电池结构为: 玻璃/金属电极/染料/金属电极, 即为两种功函不同的电极之间为一单一的有机半导体层。

（如图4）图4 有机半导体层一般常用各种有机光伏材料均可被制成此类有机太阳能电池,如酞菁类化合物(phthalocyanine)、卜啉(porphyrin)、(cyanine)染料、叶绿素、导电聚合物等有机材料。

各类有机材料各有其优缺点:酞青类化合物具有良好的热稳定性及化学稳定性, 而卜啉具有良好的光稳定性, 同时也是良好的光敏化剂, 但具有较大的电阻; 青易于合成、价格便宜, 是良好的光导体并具有良好的溶解性, 但稳定性较差。

单质结有机太阳能电池工作原理是由于2 电极功函不同, 电子从低功函的金属电极穿过有机层到达高功函电极,而产生光电压形成光电流, 其光伏特性取决于载流子的浓度。

但由于电子与空穴在同一材料中传输因而复合几率较大, 所以单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率较低3.2 p-n 异质结结构有机太阳能电池p-n异质结结构有机太阳能电池电池结构为: 玻璃/ITO/n- 染料/p- 染料/金属电极。

由于其具有给体-受体异质结结构的存在, p-n异质结结构有机太阳能电池因存在D/A 界面使激子的分离效率提高, 同时电子和空穴分别在不同的材料中传输, 使得复合几率降低, 因而具有较高的光电转换效率。

但由于有效的电荷分离只能发生在D/A界面处, 即在接近于激子扩散途径或空间电荷区域附近, 而在远离D/A界面处产生的激子就会先扩散到异质结界面处而复合掉。

同时电荷分离被限制在电池较小的区域, 从而使吸收光子的数量受到限制所以p- n 异质结结构有机太阳能电池较单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率要高, 因此成为后来研究的重点。

3.3 p-n本体异质结结构有机太阳能电池对由施主和受主对材料组成的高聚物体系而言, 在本质上可以获得象半导体一样的p-n结。

当光与施主分子相互作用, 电子就能够从低的分子轨道提升到高的分子轨道从而产生激子(比如电子- 空穴对)。

在没有外界影响下, 驰豫过程随后产生; 在此期间电子和空穴复合导致能量发射——通常是以比产生原跃迁波长更长的光的形式而发射。

但是如果受体存在, 电子就向受主传输从而发生电荷分离。

（如图5）图5 p-n本体异质结结构电子跃迁给体-受体结构。

受激发的电子给体吸收光子, 其HOMO 轨道上的一个电子跃迁到LUMO , 通常由于给体LUMO 的电离势比受体LUMO 的电离势低, 电子就由给体转移到受体, 完成了电子的转移。

激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上, 就形成了光电压。

3.4 染料敏化电池染料敏化太阳能电池(简称DSSC) 是20 世纪90 年代发展起来的一种新型太阳能电池,它具有工艺简单和生产成本低等优点,约为5～10 元/ W;同时它具有实用性强的特点,即可以通过适当选择染料和电介质的颜色及薄膜厚度来控制电池的透光率,这样可以把电池用作窗户玻璃,既透光又能作为电池使用。

染料敏化太阳能电池的基本结构包括三个部分染料敏化他二氧化钛的纳晶薄膜、工作电极由导电玻璃、纳米二氧化钛半导体薄膜和带有发色团的染料敏化剂组成、含有几犷的电解质和对电极图通常由于的禁带宽度较大(3.2eV),可见光不能将其直接激发, 因此在认表面上吸附了一层对可见光吸收性能良好的染料分子作为敏化剂, 这种染料分子带有发色团, 当光照射到染料分子,染料分子吸收光子后跃迁到激发态, 处在激发态的染料分子产生中心离子向配体的电荷转移, 电子通过配体很快注人到较低能级的二氧化钛导带上, 电子在导带基底上富集, 通过外电路流向对电极染料分子输出电子后成为氧化态, 它们随后被电解质中的还原而得以再生, 而氧化态的电解质卜一在对电极上得到电子被还原, 从而完成一个光电化学反应循环.理想的染料敏化剂要具有以下特点对可见光具有良好的吸收, 其吸收光能与太阳能光谱很好地匹配此外, 它能够牢固的联接到二氧化钛半导体的表面, 并且以一致的量子产率的方式将电子注入到导带上。

4太阳能电池器件改善研究4.1增加入射光，减少反射玻璃是太阳能电池的第一个器件，对其处理主要有两种。

一是对其表面形状处理。

采用特制的花辊，在超白玻璃的下表面压制特制的金字塔花纹，而在上表面压制特殊的绒面图案，通过特殊的压花花纹设计减少玻璃定向反射，增加内反射效应，促进其有效的吸收太阳光能，最大限度地提高太阳光线的透过率，提高发电效能，是太阳能电池不可或缺的重要组成部件之一，它具有高太阳能透过率、低反射率、低含特量、高机械强度、高平整度等优异特点。

（如图6）图6 表面形状处理另一种是镀膜。

它有两种途径。

一：玻璃表面镀增透膜优点：在硅太阳电池类金刚石增透膜的研制中，用类金刚石膜制作硅太阳电池的增透膜可以明显地改善它的光谱特性，实验表明，用类金刚石薄膜制作增透膜之后，硅太阳电池的短路电流增加38％，在较大的光谱范围内响应值增大，并且在650－750nm波长范围内有最大增透效应，在650－950nm波长范围内，量子效率接近1。

缺点：膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入玻璃。

二：镀低折射率薄膜对于它又有两种方法。

1：镀非均匀膜。

特点是折射率r随着深度d的变化而连续变化用低压反应离子镀（RLVIP）的方法在Ge基底上制备了Ge1-xCx单层非均匀增透薄膜。

随着沉积速率在0.05-0.4nm／s之间的变化，其折射率在2.31～3.42之间可变。

实验结果表明，镀制的Ge1-x C x单层非均匀增透保护薄膜均为无定形结构，并实现了从2000-8000nm的宽波段增透。

当沉积速率为0.1nm／s时，单面平均透过率从68.6％提高到了80.9％，比单面未镀膜时提高了17.9％。

通过对薄膜的稳定性和牢固度进行测试表明，制备的Ge1-xCx单层非均匀增透薄膜具有良好的性能。

2：用几种不同折射率的减反射膜，称为多层减反射膜。

现在的玻璃折射率为1.52的冕牌玻璃。

为了增加低反射区的宽度可以在基层上附加一层低折射率的半波长层通过研究：a类在900nm～1200nm的反射率几乎为0，但在700nm～900nm和1200nm～1400nm 时反射率较高，在0.05左右；b类在700nm～1400nm反射率在0.01左右；如果将a，b的优点和在一起，会使对700nm～1400nm反射率在0.01以下，这就要寻找介质折射率在1.905～2.13之间或者找到比1.38更低的物质，将放最上层，或许有意外收获。