(4)持久 只要太阳存在，太阳能就一直存在。根据天文学的研
究结果，太阳系已存在约50亿年。根据目前太阳辐射的总功率以及 太阳上氢的总含量进行估算，尚可继续维持大约1011年之久，可谓 “取之不尽、用之不竭”的，因此，开发利用太阳能将是人类解决 常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。
我国太阳能的资源状况分析： 中国绝大多数地区太阳能资源相当丰富，年日照时数大于
2200h，太阳年辐射总量高于586kJ/m2。富太阳能地区占国土面 积的2/3以上，具有很高的利用价值，因此中国发展太阳能的前景 十分光明。
总之，太阳能以其安全可靠、无污染、可再生、无须消耗燃料、 无机械运动部件等诸多优点，尤其可以与建筑物相结合，构成光 伏屋顶发电系统，已经成为可再生能源中最重要的部分之一，是 近年来发展最快、最有活力的研究领域。
(1) 硅太阳能电池 以硅为主体的太阳能电池，包括单晶硅太阳 能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。
(2) 化合物半导体太阳能电池 化合物半导体太阳能电池是另 一大类太阳能电池 。研究应用较多的是砷化镓 (GaAs)、铜铟锡 (CuInSe2)、碲化镉(CdTe)、磷化铟（InP）等太阳能电池。由于多 数化合物半导体有毒性，易对环境造成污染，目前它们只用在一些 特殊场合。
单晶硅的结构
单晶硅中的硅与硅之间具有4个共价键，具有特有的金刚石结 构。晶体中每个Si原子的配位数为4，形成4个Si-Si单键，体对角线 的两个原子和六个面心原子构成棱立方，其内包含一个距顶角1/4体 对角线的原子，硅晶体结构中的金刚石晶格常数a为0.543 nm。如果 使用硬球模型(硅原子的半径是0.118nm)，最近的两个相邻原子间的 距离为0.235 nm，如下图所示。
(3) 敏化纳米晶太阳能电池 以TiO2、ZnO、SnO2等宽禁带的氧 化物型纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带宽度半导 体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以 及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。
(4) 有机化合物太阳能电池 以酞菁、卟啉、叶绿素等为基体 材料的太阳能电池，如有机p-n 结电池、有机肖特基型太阳能电 池等。
半导体太阳能电池将光能转变为电能的过程：(1) 电池吸收一 定能量的光子后，产生电子-空穴对（称为“光生载流子”)；(2) 电 性相反的光生载流子被半导体p-n结所产生的静电场分开；(3) 光生 载流子被太阳能电池的两极所收集，并在外电路中产生电流，从而 获得电能。
太阳能电池的分类
按照材料的不同，太阳能电池可分为如下几类：
(5) 塑料太阳电池 如聚乙炔太阳能电池、共轭聚合物/C60复合 体系电池等。
在太阳能应用中，90%由硅太阳能电池占据，其中转换效率最 高，技术最成熟的是单晶硅太阳能电池，目前其光电转化效率最高 达到了24%，但其改性研究仍有很大的开发空间。
本章重点是关于单晶硅太阳能电池
单晶硅概述
高纯的单晶硅是很好的半导体材料, 其本征电导率为4.3×10-6 Ω-1•cm-1，300K时的禁带宽度为1.12 eV。单晶硅不仅是现代信息产 业的基础材料，也是最重要的太阳电池材料。自太阳电池问世以来, 晶体硅就作为电池材料一直保持着统治地位，预计在很长的一个时 期仍将继变为电能的过程：
光生伏打效应：用适当波长的光照射到某些物质上时，该物 质吸收光能会产生电动势，称为光生伏打效应。
光生伏打效应在固体与液体中均可以产生，但是只有在固体中， 尤其是在半导体中，该效应才能有较高的能量转换效率。
太阳能电池是一种利用光生伏打效应把太阳能转变为电能的器 件，是太阳能光伏发电的基础和核心。
当太阳照射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n型区，空穴被驱向p型区，从而使n区有过剩 电子，p区有过剩空穴；于是，就在p-n结附近形成了与势垒电 场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其 余部分使p型区带正电、n型区带负电。于是，就使得在n区与p 区之间的薄层产生电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路 时便有电能输出。这就是p-n结接触型单晶硅太阳能电池发电的 基本原理。
单晶硅的光电转化原理
纯的硅晶体总体显电中性(如图1-2），自由电子和空穴的数目 是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等 杂质元素，那么它就成了空穴型半导体，简称p(positive)型半导体 （如图1-3）。如在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷等杂质元素， 那么它就成了电子型半导体，简称n(negative)型半导体（如图1-4）。 当p型和n型半导体结合在一起时，在交界面处便会形成一个特殊的 薄层，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。这样原 本呈电中性的界面变成了n区带正电、p区带负电，一个由n指向p的 “内电场”（如图1-5），从而阻止扩散进行，所以内电场又叫势垒 电场。
图1-1 单晶硅结构示意图
在电子工业中使用的硅材料通常需要掺杂来增加电导率。作 为硅的常见施主是P、As和Sb，受主是B、Al和Ga。它们是取代 杂质，其离子化电位在 0.04～0.07eV的范围内。
对于单晶硅来说，表面性质取决于其晶格取向。其三种主要 晶面分别是(111)、(100)和(110)。(111) 晶面具有最高的原子密度 和最低的表面能；(100)晶面具有最低的原子密度和最高的表面能， 并具有最高的表面键密度，而(110)面具有最高的总的键密度。
图 1-2 纯的硅晶体电中性示意图 图1-3 p型单晶硅电性示意图
图 1-4 n型单晶硅电性示意图
图 1-5 单晶硅内电场示意图
通常对于p型单晶硅，当其与外界物质相接触时，所形成的空间 电荷区为耗尽层，所形成的表面带弯向下，自建电场的方向由样品 的表面到体相。当受光激发后，光生载流子在自建电场的作用下定 向运动，光生空穴向体相运动，光生电子向表面扩散，导致表面正 电荷减少，产生正的光电压。当在样品表面垂直施加一正电场，由 于自建电场的方向与正电场的方向一致，二者叠加的结果使表面带 弯向下增大，从而增加光生电子-空穴对的分离，导致光伏响应降低。 从而减少光生载流子的复合几率，到达表面的在样品上的