太阳能电池的基本原理

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。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理：无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。

一、硅太阳能电池

硅太阳能电池的基本结构如图1所示，它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子•cm-3～1019个原子•cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子成键时缺少1个电子，它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅，例如掺入磷(107个原子•cm-3～1019个原子•cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子，成键后剩下1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是，P型和N型硅都是电中性的。

当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时，发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近，N区的自由电子较多空穴较少，P区则是空穴较多自由电子较少，这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N区，空穴从N区漂移到P区。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。

当具有一定能量的光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别拉向P区和N区，电子-空穴对被分离。空穴在P区积累，电子在N区积累，结果产生一个与内建电场方向相反的光生电场，在P区和N区之间形成与PN结电势反向的光生电势，这就是著名的光生伏特效应。该效应使PN结内部形成自N区向P区的光生电流(如图3所示)，当PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有电流源源不断地通过电路。

二、有机聚合物双层异质结太阳能电池

有机聚合物太阳能电池具有多种结构类型,但都呈夹心式,基本结构如图4所示。电池的顶部一般为透明的玻璃基底,上面镀有可透光的金属薄层作为前电极,一般为铟锡氧化物(ITO)。与前电极接触的是有机半导体层,它连接一层不透明的金属作为背电极。当外部负载通过金属导线与两个电极相连时,就形成一个太阳能电池,它的光伏效应区是有机半导体层。按照有机半导体层的结构,有机聚合物太阳能电池可以划分为三大类,即单层结构(单一有机或共轭聚合物材料)、双层异质结结构和体异质结结构。

对于聚合物双层异质结太阳能电池,其有机半导体双层由共轭聚合物(电子给体,类似于P型硅)和富勒烯或其衍生物(电子受体,类似于N型硅)构成,厚度常为100～200nm。常见的电子给体有聚噻吩、聚对苯乙烯撑及其衍生物,其中P3HT(聚3-己基噻吩)在目前应用最为普遍。常见的电子受体是PCBM,它是C60的一种可溶性衍生物。这两种物质的结构示于图5。通常,ITO电极和有机半导体层之间还夹一层透明导电聚合物修饰层,厚度为30～60nm,以提高电池的性能。

当光透过ITO电极照射到有机半导体层上时,层中的电子给体P3HT吸收光子,发生如图6所示的过程。在光子的激发下,P3HT最高占据轨道上的价电子跃迁到最低空轨道上,最高占据轨道留下空穴,形成电子空穴对。由于电子给体P3HT最低空轨道的能量比电子受体PCBM最低空轨道的能量高,所以跃迁电子从P3HT的最低空轨道转移到PCBM的最低空轨道上,最终被金属负极收集。同时,空穴向ITO正极转移,并被收集。这样就实现了电子和空穴的分离,产生光电流和光电压。

有机聚合物单层太阳能电池的结构,可以简单地看做是双层异质结太阳能电池除去电子受体层。与双层异质结太阳能电池相比,单层太阳能电池存在电子、空穴复合率更高等缺点,因此电池转化效率较低。

三、展望

目前,在各种形式的太阳能电池中,硅太阳能电池的光电转换效率最高,应用最广,但它也具有原料成本高,生产工艺复杂等缺点。有机聚合物双层异质结太阳能电池是利用电子给体和受体的能级差来最大限度地把它们分离成自由电子和空穴,具有结构设计性强、材料轻、成本低、加工性能好、便于制造等优点。但是它的一些缺点限制了其光电转化效率的进一步提高。例如,因为电子-空穴只能在界面附近分离,而双层异质结太阳能电池膜与膜之间的接触面积有限,在远离界面的区域产生的电子和空穴往往还没迁移到界面上就复合了。又如,电子和空穴在聚合物半导体材料中的迁移率通常很低,它们在界面上分离出来后,在向电极运动的过程中会大量损失。为了提高转换效率,科学家提出了体异质结太阳能电池,就是将给体、受体材料共混,形成一个连续、互相贯穿的网络结构。这种结构极大地增加了给体、受体材料的接触面积,缩短了电子和空穴的扩散距离,使它们可以更多地到达界面进行分离,因此能量转换效率得到较大提高。

至今,人们正在研究的太阳能电池已经远不止我们介绍的这几种,其他类型还有待同学们去了解。

参考文献

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