太阳能电池的原理及种类_许伟民

第二章太阳能电池原理及分类主要内容•半导体基本知识•太阳能电池原理•太阳能电池的几个基本参数•太阳能电池的分类2太阳能电池是以光伏效应为原理进行能量转换的光电元件，它经太阳光照射后，可以将光的能量转换成电能。

光生伏特效应(Photovoltaic effect)：半导体在受到光照射时产生电动势的现象32.1 半导体基础知识晶体硅的结构沿对角线平移1/4对角线套构而成硅的晶体结构：金刚石结构5半导体的导电特性7能带模型电子在共价键中的能量对应于其在价带的能量。

电子在导带中是自由运动的。

带隙的能量差反映了使电子脱离价带跃迁到导带所需的最小能量，只有电子进入导带才能产生电流，同时空穴在价带以相反于电子的方向运动，产生电流。

半导体的导电特性本征半导体本征半导体9杂质半导体杂质半导体1112以能级的观点而言，五价的磷原子占据了能级带隙中比较靠近导带的一个能级，因此只要微小的能量，就可使磷原子释放出电子到硅的导带上。

N 型半导体杂质半导体杂质半导体13杂质半导体14杂质半导体P型半导体以能级的观点而言，三价的硼原子占据了能级带隙中比较靠近价带的一个能级，因此只要微小的能量，就可使硼原子释放出空穴到硅的价带上。

15杂质半导体16P-N结18光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N 区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。

当光照射到P-N结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区；受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。

它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。

2.2 太阳能电池原理基本原理-光生伏特效应基本原理-光生伏特效应20由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1、半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量h ν大于或等于半导体材料的带隙Eg ，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。

太阳能电池的原理、种类与应用开门八极（闵大荒男子职业技术学院，上海）摘要：本文综述了三代典型太阳能电池的原理、种类剂应用。

其中第一代太阳能电池是硅太阳能电池，第二代为化合物薄膜太阳能电池，第三代以染料敏化太阳能电池为代表。

关键词：太阳能电池、Si、电子跃迁、薄膜、光伏发电、染料一.太阳能电池的原理太阳能电池都是利用太阳光的激发，在两个电极上分别产生异号光载流子，进而在两个极板间形成电势差。

由于太阳能电池种类存在差异，不同电池的工作原理不尽相同。

1.硅太阳能电池在超纯晶体硅的禁带宽度比绝缘体小。

在光照或者加热条件下，价带的电子容易激发到导带上去，而价带上留下空穴。

电子和空穴都是载流子，这两种能带都成了导带。

这种半导体成为本征半导体。

在纯硅中掺入杂质，将极大地影响其导电性。

若掺入P、As、Sb、Bi，多余的电子在靠近导带出处形成扽里的能级，容易进入导带。

这类半导体的载流子是电子，成为n型半导体。

反之，掺入B、Al、Ga、In，这类半导体的载流子是空穴，称为p型半导体。

将两种半导体结合和在一起，产生电势差，可将太阳能转变成电能。

[1]这种现象称为光生伏特效应2.化合物薄膜太阳能电池窗口层吸收层背接触层图1.化合物薄膜太阳能电池的结构图电池中的吸收层是薄膜电池的核心。

它主要由为砷化镓(GaAs)、铜铟硒(CuInSe) 碲化镉(CdTe)等半导体构成。

这种电池的原理与硅太阳能电池的原理非常类似，也涉及光电子在参数物质GaAs CuInSe2CdTe带隙/eV1.4 1.1 1.5 产业化平均效率/% 29.517.1 8~103. 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳电池(DSSC)的工作原理及工作过程包括：（1）阳光照射至UDSSC 电池的光阳极上，半导体薄膜上的染料会吸收光子的能量 染料分子会从基态(S O )跃迁至激发态(S *)，(2)染料处在不稳定的激发态变成氧化态(S +)，电子注入半导体的导带(CB)(3)注入到半导体导带中的e 一经扩散到达导电玻璃(4)处于氧化态(S+)的染料分子会与电解质中的厂离子发生氧化还原反应，染料从氧化态变回基态(5)流经外电路的电子，到达对电极与电解质中的‘发生氧化还原反应，电解质中的I 3-变回I -但在前述循环反应中，同时会发生两种电子复合反应，而由复合反应产生电流会形成暗电流，其中包括(1*)半导体导带中的e -与氧化态的染料复合(2*)半导体导带(CB)中的e 一与电解质中的I 3- 复合图3.几种染料的结构式导电TiO 2玻璃 +染料对电极负载图2.DSSC 简明结构图二.太阳能电池的种类如上面所说，太阳能电池分为硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池三种。

太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种将太阳光直接转化为电能的装置。

它是由多个光电效应相互连接而成的半导体晶体。

典型的太阳能电池是由硅材料制成的，其中掺杂了两种不同类型的杂质。

太阳能电池的工作原理可以简述为以下几个步骤：
1. 光吸收：当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子与半导体晶体中原子相互作用，吸收光能，并将其传递给半导体晶格的电子。

2. 电子激发：被吸收的光子能量使得半导体晶体中的电子激发到较高的能级，从而形成光生电子-空穴对。

3. 分离电荷：经过激发的电子和产生的正空穴分别在半导体晶体的n区和p区积累，并且在两个区域之间形成电势差。

4. 电流流动：由于n区和p区之间的电势差，电子和正空穴开始从n区和p区流动，形成电流。

这个电流可以在外部电路中推动电子流动，并产生实际可用的电能。

需要注意的是，太阳能电池的效率取决于吸收太阳能光谱的范围。

目前，太阳能电池的效率仍然相对较低，因此科学家一直在研究和改进太阳能电池的设计和制造方法，以提高其效率并降低制造成本，以便更广泛地应用于能源产业中。

太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种能够将太阳光直接转换为电能的装置。

它的工作原理基于光
电效应，通过将光能转化为电能，实现了可再生能源的利用。

太阳能电池的工作原理主要包括光的吸收、电子的激发和电子的流动三个过程。

首先，太阳能电池的工作原理是基于光的吸收。

太阳能电池的表面覆盖着一层
光敏材料，通常是硅。

当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子会被光敏材料吸收。

光子的能量会激发光敏材料中的电子，使得电子跃迁到导带中，形成电子-空穴对。

其次，太阳能电池的工作原理还涉及电子的激发过程。

激发后的电子会在光敏
材料中形成电子-空穴对。

这些电子-空穴对的形成使得光敏材料中产生了电荷分离，即正电荷集中在光敏材料的一侧，负电荷则集中在另一侧。

这种电荷分离产生了电势差，形成了光生电动势。

最后，太阳能电池的工作原理还包括电子的流动过程。

在电势差的作用下，正
电荷和负电荷分别向两侧移动，形成电流。

这样，光能就被转化为了电能。

通过连接外部电路，太阳能电池就可以输出电能，用于驱动电器设备或者储存起来供以后使用。

总的来说，太阳能电池的工作原理是基于光电效应的。

光子被吸收后激发了电子，形成了电子-空穴对，进而产生了电荷分离和电势差，最终实现了光能到电能
的转换。

太阳能电池作为一种清洁能源装置，具有环保、可再生的特点，对于解决能源短缺和环境污染问题具有重要意义。

随着科技的不断进步，太阳能电池的效率和成本都在不断提高和降低，相信太阳能电池将会在未来得到更广泛的应用。

太阳能电池分类及其原理太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

在太阳能电池中，硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于材料与生产成本居高不下，因此很难大规模推广、应用。

随着新材料的不断开发和相关技术的发展，多种以硅为基础的硅系太阳能电池相继出现，提高和完善晶体硅太阳能电池的性能。

1 太阳能电池的分类1.1 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是硅系太阳能电池中发展最快、技术最成熟、产量最高的一种电池。

这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度达到99.999%。

目前，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率已达25％，而规模生产的单晶硅太阳能电池其效率为15％。

高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺的基础上。

单晶硅具有完整的金刚石结构，通过掺杂得到N、P型单晶硅，进而制备出P-N结，从而使硅材料有了真正的用途——实现光-电转换，制成太阳能电池。

1.2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池。

多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为20.4％，工业规模生产的转换效率为12％～14％，稍低于单晶硅太阳能电池但高于非晶硅太阳能电池。

目前，太阳能多晶硅主要有三个来源，一是半导体多晶硅的碎片，二是半导体多晶硅的副产品，三是半导体多晶硅厂商用多余的产能生产的太阳能多晶硅。

因此，多晶硅太阳能电池具有成本低，制备简单的特点，并且多晶硅工艺能与传统的硅工艺技术相容，在一些场合已成为单晶硅的替代品，只是多晶硅太阳能电池具有宽阔的发展空间。

1.3 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳电池是一种新兴的太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。

但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

太阳能电池的原理及种类作者：解占壹来源：《世界家苑》2017年第01期摘要：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。

本文对太阳能电池的原理及种类作-概括的介绍。

关键词：原理；电池种类1 太阳能电池发电原理太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应；值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。

能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。

太阳电池是一种可以将太阳能转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。

半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N 型半导体，再利用P型半导体有个电子空穴与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。

此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

2 太阳能电池的种类2.1硅系太阳能电池（1）单晶硅太阳能电池硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

高性能单晶硅电池是建立在高质星单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。

现在单晶硅的电地工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，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。

提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

（2）多晶硅薄膜太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350 ～450um的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。

太阳能电池工作原理太阳能电池是一种将太阳光转化为电能的装置，被广泛应用于各个领域，如家庭用电、交通工具、航空航天等。

它的工作原理是基于光电效应，通过光子与材料的相互作用，产生电荷转移，最终形成电流。

本文将详细介绍太阳能电池的工作原理及其相关知识。

1. 光电效应光电效应是指光子与物质之间发生相互作用，使得物质中的电子被激发并跃迁到导带中，从而形成电流。

这一过程是通过光子的能量将电子从价带中提升到导带中完成的。

光电效应的发现为太阳能电池的研究奠定了基础。

2. 太阳能电池的结构太阳能电池通常由多个薄片组成，每个薄片都是由半导体材料制成。

常见的半导体材料有硅、镓、砷化镓等。

这些材料在特定条件下能够吸收光子并产生电荷转移。

太阳能电池的结构主要包括P型半导体、N型半导体和PN结。

其中，P型半导体中的杂质含有三价离子，导致半导体中存在空穴。

而N型半导体中的杂质含有五价离子，导致半导体中存在自由电子。

当P型半导体与N型半导体相接触时，形成PN结。

3. PN结的作用PN结是太阳能电池的核心部分，它在太阳光照射下起到关键的作用。

当太阳光照射到PN结上时，光子的能量被半导体材料吸收，使得PN结的电子和空穴被激发。

在PN结的界面处，由于P型半导体和N型半导体的材料特性不同，形成了电势差。

这个电势差导致了电子和空穴的运动方向不同，电子向N型半导体运动，而空穴向P型半导体运动。

这种运动形成了电流。

4. 光伏效应光伏效应是太阳能电池工作的关键机制之一。

当光子进入太阳能电池时，它们与半导体材料相互作用，将能量传递给半导体中的电子和空穴。

这个过程中，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带中，形成电流。

5. 太阳能电池的效率太阳能电池的效率是指太阳能转化为电能的比例。

目前，太阳能电池的效率已经有了显著的提升，最高可以达到30%左右。

提高太阳能电池的效率是科学家们一直努力的方向，通过改进材料、结构和工艺等方面的研究，不断提高太阳能电池的转化效率。

太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种利用光能直接转换为电能的器件，它是利用光生电压效应将太阳光转化为电能的装置。

太阳能电池的工作原理主要是通过光生电压效应和PN结的作用来实现的。

首先，让我们来了解一下光生电压效应。

当光线照射到半导体材料上时，光子会激发半导体中的自由电子，使其跃迁到导带中，同时在价带中留下一个空穴。

这样就形成了电子-空穴对。

当这些电子-空穴对被电场分离时，就会产生电压，这就是光生电压效应。

这个电压就是太阳能电池的输出电压。

其次，我们来看一下太阳能电池的结构。

太阳能电池的主要结构是PN结。

PN结是由N型半导体和P型半导体组成的，它们之间形成了一个电场。

当太阳能电池受到光照时，光子激发了半导体中的电子-空穴对，这些电子-空穴对会被电场分离，形成电压，从而产生电流。

最后，让我们来看一下太阳能电池的工作过程。

当太阳能电池受到光照时，光子激发了半导体中的电子-空穴对，这些电子-空穴对被电场分离，形成电压和电流。

这样就实现了将太阳能转化为电
能的过程。

总的来说，太阳能电池的工作原理是利用光生电压效应和PN结的作用来将太阳能转化为电能。

通过光子激发产生的电子-空穴对在电场的作用下形成电压和电流，从而实现了太阳能电池的工作。

这种利用光能转化为电能的技术不仅具有环保、可再生的特点，而且在未来的能源领域有着广阔的应用前景。

太阳能电池的工作原理和应用摘要：介绍了太阳能电池的种类和工作原理，列举了太阳能电池的一些应用例子。

关键词：太阳能电池；种类；原理；应用太阳能一般指太阳光的辐射能量。

太阳能电池是指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.太阳能电池的种类根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池等，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【1】。

1.1.硅太阳能电池硅太阳能电池又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，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

由于单晶硅太阳能电池的成本较高，为了节省高质量材料，薄膜太阳能电池就成了单晶硅电池的替代产品，其中以多晶硅薄膜太阳能电池和非晶体硅薄膜太阳能电池为典型代表【2】。

1.2.多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，主要有砷化镓III-V族化合物电池、硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池和铜铟硒薄膜电池。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶体硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，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。

GaAs属于III-V族化合物半导体材料，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，转换效率可达28%，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GaAs电池的普及。

CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好、工艺简单和不存在光致衰退问题等优点，将成为今后太阳能电池发展的一个重要方向，唯一的是材料的来源问题，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展必然受到限制【2】。

1.3.纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于其廉价的成本、简单的工艺及稳定的性能，其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10，寿命能达到20年以上【2】。