太阳能电池的工作原理及种类

太阳能电池的工作原理及种类

摘要该文从能源角度入手分析了太阳能电池对未来社会发展

的重要性，指出了太阳电池的发展历程，工作原理和分类，着重介绍了硅基太阳电池，薄膜太阳电池和新型太阳电池各自的优缺点。关键词新能源；太阳电池；原理；种类

中图分类号 tm615 文献标识码 a 文章编号 1673-9671-（2013）011-0166-03

1 太阳电池概述

进入21世纪，环境和能源问题是当前整个国际社会所共同面临的两大问题。随着世界人口增长、经济发展，人类社会活动对能源的需求越来越大。根据国际能源署的预测，在未来的近30年间，全球一次能源需求年平均增幅达到1.7%，到2030年时，年需求量将达到153亿吨石油当量。特别是近几年来，能源，特别是石油短缺问题越来越突出，由此引发了许多国际和社会争端。为了保持整个社会生产的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上。

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等。而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源。有人将原子核能和太阳能称为2l世纪的能源。利用太阳能进行光热、光电转换，开发太阳电池成为解决世界范围内的能源危

机和环境污染的重要途径。制造出廉价、高效、低成本的太阳电池，大规模利用太阳能一直是科学家追求的目标。

太阳能是来自于太阳内部核聚变所释放的能量。据粗略统计，太阳的发光度，即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4×1026j/s。其中向地球输送的光和热可达2.5×1018 cal/min，相当于燃烧4×108 t烟煤所产生的能量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。所以，如何高效并且低成本的利用太阳能一直是近年来的研究热点。

1.1 太阳电池的工作原理

太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能后发生光电子转换，然后在pn结作用下产生电动势，输出电能。电池器件其实就是一个大面积的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，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的内建电场，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（图2）。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光子在pn结两边的p区和n区发生本征吸收，从而激发产生很多的电子-空穴对即光生载流子，pn结界面附近的电子和空穴在复合

之前，将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的n区运动使得n区电子富集，空穴向带负电的p区运动使得p区空穴富集。整个pn结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当pn结材料两端连接成回路时，电路中出现电流（图3）。通过光照产生的电动势越大，回路中电流越大。

1.2 太阳电池发展历程

太阳电池的发展历程可追溯到19世纪30年代，1893年法国实验物理学家e.becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1883年美国发明家charles fritts描述了第一块硒太阳电池的原理，他在一个金属衬底上先将se膜融化成片，再将au片作顶电极压在se片上，制出了第一个大面积（30 cm2）的太阳电池。1930年朗格（longer）首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。

1954年对于太阳电池的发展是划时代的一年。这一年美国贝尔实验室皮尔森（pearson）偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅pn 结会产生一个电压的物理现象。经过对这种光伏现象的研究，1954年底首次发表单晶硅太阳电池效率达6%的报道，开启了“pn”结型电池的新时代，直至今日“pn”电池仍然占据光伏事业的绝对地位。1958年美国信号部队的t.mandelkorn制成pn型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；同年，hoffman 电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100 cm2，0.1 w，为一备用的5 mw话筒供电。

1959年hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳电池列阵，每片2 cm2，共20 w。1980年第一个效率大于10%的cuinse电池在美国制出；效率达8%的非晶硅太阳电池由rca的carlson研制出来，树立了非晶硅电池的里

程碑。

1985年是高效si电池的大年：由澳大利亚新南威尔士大学（unsw）报道了在一个标准太阳下si电池效率大于20%，美国stanford大学给出了在200个太阳下聚光电池效率大于25%的报道。1994年美国nrel发布gainp/gaas两端聚光多结电池效率大于30%。1996年瑞士诺桑gratzel的“染料敏化”固/液电池效率达11%。1998年美国nrel宣称薄膜cuinse电池效率达19%，第一个gainp/gaas/ge 三结聚光电池宣布在1号空间站上应用。

进入21世纪以来，单晶硅电池的效率增长缓慢，最高纪录徘徊在25%上下。这个时候，澳大利亚新南威尔士大学的马丁·格林（martin green）教授提出了“第三代”电池的理念。要用全新的概念，采用清洁的、绿色环保技术的制造技术，达到电池的高效率与新概念、新材料、新技术并举。一种量子点型的太阳电池理论转换效率可达60%以上，是备受瞩目的未来高效太阳电池的候选技术之一。

真正意义上的光伏时代源于1954年贝尔实验室发明的pn结太阳电池。2002年世界累计建立光伏电站达2 gw。从1954年光伏电池