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）011-0166-031 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年光伏电池出现，第一个累计1 gw电站的建立，前后花了25年的时间，而第二个1 gw，仅用了3年时间。

预计今后10年，太阳能光电工业还将以20%-30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。

2 太阳电池的种类一般来说太阳电池可分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，新型太阳电池。

2.1 硅基太阳电池这一代电池发展最长久技术也最成熟，具体又可分为，单晶硅太阳电池（monocrystalline silicon）、多晶硅太阳电池（polycrystalline silicon）。

2.1.1 单晶硅太阳电池硅基太阳电池中，单晶硅大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量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。

现在单晶硅电池工艺已近成熟，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。

在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。

该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构；并在表面把厚度为13 nm的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合；同时改进了的电镀过程，增加栅极的宽度与高度的比率，通过以上工艺制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23.3%。

kyocera公司制备的大面积（225 cm2）单晶太阳电池转换效率为19.44%。

国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2 cm×2 cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5 cm×5 cm）转换效率达8.6%。

单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的，已经接近它的理论值。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅电池成本居高不下，要想大幅度降低其成本现在是非常困难的。

2.1.2 多晶硅太阳电池多晶硅是单质硅的一种形态。

熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

多晶硅太阳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，其转换效率一般目前为15%-17%，据悉在snec第四届（2010）国际太阳能光伏大会暨（上海）展览会上，无锡尚德展出的多晶硅太阳电池的效率已达到17.5%，这稍低于单晶硅太阳电池，但其没有明显效率衰退问题，并且能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。

单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中已超二分之一。

对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（100）表面制作金字塔状的绒面结构，降低表面光反射。

但多晶硅晶向偏离（100）面，采用上面的方法无法做出均匀的绒面。

2.2 薄膜太阳电池薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体太阳电池具有更大的优势：一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序。

薄膜太阳电池按材料可分为薄膜硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池。

其中薄膜硅太阳电池主要有非晶硅（a-si）、微晶硅（μc-si：h）和多晶硅（p-si）薄膜太阳电池；新型无机多元化合物薄膜太阳电池材料主要包括砷化镓（gaas）ⅲ—ⅴ族化合物、硫化镉（cds）、碲化镉（cdte）及铜铟硒薄膜电池[7]等。

本文主要介绍几种主要的薄膜太阳电池。

2.2.1 非晶硅薄膜太阳电池非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。

非晶硅薄膜太阳电池于1976年问世，其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。

非晶硅属于直接带系材料，它具有较高的光吸收系数，在0.4-0.75μm的可见光波段，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收约80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用中对低光强有较好的适应，特别适用于制作室内用的微低功耗电源，这些都是非晶硅材料重要的特点，也是它能够成为低价太阳电池的重要因素。

非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，在较低的温度（200℃左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单，单片电池面积大，便于工业化大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成本。