太阳能电池的工作原理及种类
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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NRELGaInP/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。