太阳能电池工作原理、极性以及分类

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，在近几年受到广泛的重视，对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。太阳能电池简单来说就是利用半导体光生伏特效应做成的半导体器件，也是一种电离辐射效应的应用。

太阳能电池工作原理

当太阳光照射在半导体时，能量大于半导体禁带宽度的光子会在半导体内激发出电子-空穴对。在电子-空穴对复合之前，若其能穿越耗尽层，便可以在结电压作用下分离，使原内建电场势垒降低，电子向n区移动而空穴向p区移动而产生光生电流。分离后的电子和空穴使得p区带正电而n区带负电，于是在n区和p区之间会产生电势差，这便是光生伏特效应，如图所示.开路电压(Voc)就是在外电路为开路状态时p-n结两端的电势差，也就是光生电压的最大值。而短路电流(Jsc)为外电路短路时流过p-n结两端的电流值。

太阳能电池极性

太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。在太阳光或其他照射时,太阳能电池输出电压的极性，P型一侧电极为正，N 型一侧电极为负。当太阳能电池作为电源与外电路连接时，太阳能电池在正向状态下工作。当太阳能电池与其他电源联合使用时,如果外电路的正极与电池的P电极连接，负极与电池的N 电极连接 ,则外电源向太阳能电池提供正向偏压；如果外电源的正极与电池的N电极连接，负极与P电极连接，则外电源向太阳能电池提供反向偏压。

太阳能电池的分类

1、晶体硅太阳能电池

(ⅰ)单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池非常普及，广泛应用于发电厂，道路照明系统，充电系统及分体式太阳能电源等，其光电转换效率高，稳定性好，使用年限长。目前单晶硅太阳能电池最高效率为25%。单晶硅电池禁带宽度1.1eV，理论上所得到的最大开路电压约为0.7V，相应的最高填充因子为0.84。

(ⅱ)多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池应用最为广泛，制作工艺与单晶硅太阳能电池相类似。虽然其成本低于单晶硅电池，但是其效率比单晶硅太阳能电池相差较大，目前最高达到21.3%，但对于单结太阳能电池来说，其理论效率约为30%，目前单晶硅太阳能电池已达到25%，进一步提高器件效率有一定难度，而多晶硅太阳能电池仍有进一步的提升空间。

2、薄膜太阳能电池

(ⅰ)非晶硅太阳能电池

在晶体硅太阳能电池之后，约在19世纪80年代开始出现非晶硅薄膜太阳能电池产品，由于非晶硅太阳能电池的制作方法与晶体硅太阳能电池完全不同，制作工艺简化，材料使用量减少，因此其成本下降较多，但是目前存在的主要问题是光电转化效率很低，最高效率约为13%，且稳定性较差，效率随着使用时间逐渐降低。

(ⅱ)化合物太阳能电池

化合物太阳能电池种类繁多，但尚未大批量生产，目前此类电池的研究主要集中在Ⅱ-Ⅵ族化合物如CdTe，Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物如CuInSe₂(CIS)及CuInSe₂掺Ga元素(CIGS)以及III-V族化合物如GaAs，InP和多结太阳能电池等。以下为化合物太阳能电池实验效率及未来发展状况。

3、新型太阳能电池

(ⅰ)有机太阳能电池

有机太阳能电池是以具有光敏性质的有机材料作为半导体的新型太阳能电池，第一个有机光电转化器件于1958年，由Kearns和Calvin两人制备而成，但是光电转换效率非常低而且开路电压也只有200mV。目前有机材料器件的最高效率为11.5%，还有很大的发展空间。

(ⅱ)染料敏化太阳能电池

染料敏化电池的材料种类繁多，早期所使用的材质均以液态电解质为主，近期在固态和胶态电解质也有所发展。目前染料敏化电池验证效率达到了11.4%，染料敏化电池制作简单，成本低，但是其稳定性及效率问题并不理想，因此始终无法投入大规模生产。

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