薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及原理分析

薄膜太陽(yáng)能電池概況

薄膜電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽(yáng)能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，同時(shí)它既是一種高效能源產(chǎn)品，又是一種新型建筑材料，更容易與建筑上乘結(jié)合。在國(guó)際市場(chǎng)硅原材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽(yáng)電池已成為國(guó)際光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)。

模塊結(jié)構(gòu)

薄膜太陽(yáng)能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導(dǎo)電層、電器功能盒、膠合材料、半導(dǎo)體層等所構(gòu)成的。

種類

非晶硅（Amorphous Silicon， a-Si）、微晶硅（Nanocrystalline Silicon，nc-Si，Microcrystalline Silicon，mc-Si）、化合物半導(dǎo)體II-IV 族［CdS、CdTe（碲化鎘）、CuInSe2］、色素敏化染料（Dye-SensiTIzed Solar Cell）、有機(jī)導(dǎo)電高分子（Organic/polymer solar cells） 、CIGS （銅銦硒化物）。。等

薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及原理分析

光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體技術(shù)，直接將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能是一種清潔、高效的可再生能源，能廣泛應(yīng)用于家庭發(fā)電系統(tǒng)和大型商業(yè)光伏項(xiàng)目等諸多領(lǐng)域。

晶體硅是太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)中*常用的原材料，通常包括單晶硅和多晶硅。目前晶體硅太陽(yáng)能電池約占整個(gè)太陽(yáng)能市場(chǎng)90%左右的市場(chǎng)份額。

在各類薄膜太陽(yáng)能電池中，預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的是硅基薄膜，CIS和CdTe，其中CIS薄膜太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中由于要用到稀有金屬硒，使得大規(guī)模的生產(chǎn)的成本比較高，而且CIS的生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，給大規(guī)模生產(chǎn)也造成了一定的困難，所以目前時(shí)機(jī)還未完全成熟。至于CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，由于其原材料中的“鎘”被證實(shí)是一種致癌物質(zhì)，所以與太陽(yáng)能電池的綠色能源特性有些許沖突，另外其原材料中的“碲”，價(jià)格也比較貴。所以相比來(lái)說(shuō)，硅基薄膜電池更適合大規(guī)模化生產(chǎn)。

光電池的工作原理及其特性

光電池的工作原理

在一塊N形硅片表面，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)，形成PN結(jié)，光這就是一塊硅光電池。當(dāng)照射在PN上時(shí)，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時(shí)，則價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。因?yàn)镻N結(jié)阻擋層的電場(chǎng)方向指向P區(qū)，所以，任阻擋層電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而在硅光電池與PN結(jié)平行的兩外表而形成電勢(shì)差，P區(qū)帶正電，為光電池的正極，N區(qū)帶負(fù)電，為光電池的負(fù)極。照在PN結(jié)上的光強(qiáng)增加，就有更多的空穴流向P區(qū)，更多的電子流向N區(qū)，從而硅光電池兩外側(cè)的電勢(shì)差增加。如上所述，在光的作用下，產(chǎn)生一定方向一定大小的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫作光生伏特效應(yīng)。

硅光電池特性

1.2.1 光照特性

不同強(qiáng)度的光照射在光電池上，光電池有不同的短路電流Isc和開(kāi)路電在Voc，如圖1所示。由圖1可知短路電流Isc—光強(qiáng)Ev特性是一條直線，即短路電流在很寬的光強(qiáng)范圍內(nèi)，與光強(qiáng)成線性關(guān)系，而開(kāi)路電壓是非線性的，而且，在當(dāng)光強(qiáng)較小，約20mW／cm2時(shí)，短路電壓就趨于飽和。因此，要想用光電池來(lái)測(cè)量或控制光的強(qiáng)弱，應(yīng)當(dāng)用光電池的短路電流特性。

1.2.2 硅光電池的光譜特性

如圖是硅光電池、硒光電池的光譜特性曲線。顯而易見(jiàn)，不同的光電池，光譜曲線峰值的位置不同，例如硅光電池峰值波長(zhǎng)在0.8μm左右，硒光電池在0.54μm左右。硅光電池的光譜范圍寬，在0.45～1.1μm之間，硒光電池的光譜范圍在0.34～0.75μm之間，只對(duì)可見(jiàn)光敏感。

值得注意的是，光電池的光譜曲線形狀，復(fù)蓋范圍，不僅與光電池的材料有關(guān)，還與制造工藝有關(guān)，而且還隨著環(huán)境溫度的變化而變化。

1.2.3 光電池的溫度特性

光電池的溫度特性如圖3所示。由圖可知，開(kāi)路電壓隨溫度的升高而快速下降，短流電流隨溫度升高而緩緩增加。所以，用光電池作傳感器制作的測(cè)量?jī)x器，即使采用Isc—Ev特性，在被測(cè)參量恒定不變時(shí)，儀器的讀數(shù)也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而漂移，所以，儀器必須采用相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施。;

硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

硅光電池是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)圖所示。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的半導(dǎo)體PN結(jié)。硅光電池的基體材料為一薄片P型單晶硅，其厚度在0.44mm以下，在它的表面上利用熱擴(kuò)散法生成一層N型受光層，基體和受光層的交接處形成PN結(jié)。在N型層受光層上制作有柵狀負(fù)電極，另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜，它是一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜，可以使電池對(duì)有效入射光的吸收率達(dá)到90%以上，并使硅光電池的短路電流增加25%-30%.

以硅材料為基體的硅光電池，可以使用單晶硅、多晶硅、非晶硅來(lái)制造。單晶硅光電池是目前應(yīng)用*廣的一種，它有2CR和2DR兩種類型，其中2CR型硅光電池采用N型單晶硅制造，2DR型硅光電池則采用P型單晶硅制造。

硅光電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在硅光電池的PN結(jié)區(qū)時(shí)，會(huì)在半導(dǎo)體中激發(fā)出光生電子空穴對(duì).PN結(jié)兩邊的光生電子空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，屬于多數(shù)載流子的不能穿越阻擋層，而少數(shù)載流子卻能穿越阻擋層。結(jié)果，P區(qū)的光生電子進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的光生空穴進(jìn)入P區(qū)，使每個(gè)區(qū)中的光生電子一空穴對(duì)分割開(kāi)來(lái)。光生電子在N區(qū)的集結(jié)使N區(qū)帶負(fù)電，光生電子在P區(qū)的集結(jié)使P區(qū)帶正電.P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)硅光電池接入負(fù)載后，光電流從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中即得到功率輸出。

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