太阳能是人类取之不尽的可再生能源。它还是清洁能源，不会产生任何环境污染。在太阳能的有效利用中，太阳能的光伏利用是近年来发展最快、最具活力的研究领域，也是最引人注目的项目之一。
太阳能是一种辐射能，只能通过能量转换器转换成电能。这种将太阳能(或其他光能)转化为电能的能量转换器被称为太阳能电池。
太阳能电池的基本工作原理
太阳能电池的工作原理是基于半导体pn结的光伏效应。所谓光伏效应，简单来说就是物体受光照射时，其体内电荷分布状态发生变化，从而产生电动势和电流的效应。
当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，产生电子-空穴对。在半导体中的P-N结附近产生的载流子没有被复合并到达空间电荷区。由于内部电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区。结果，N区存储了过量的电子，而P区具有过量的空穴。它们在pn结附近形成一个与势垒方向相反的光生电场。
光生电场除了部分抵消势垒电场外，还使P区带正电，N区带负电，N区和P区之间的薄层产生电动势，这就是光生电压效应。当能量加到纯硅上时(比如以热的形式)，会导致几个电子脱离它们的共价键，离开原子。
每个电子离开，留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格中四处游荡，寻找另一个空穴安家。这些电子被称为自由载流子，它们可以携带电流。
这个电场相当于一个二极管，允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧，而不是相反。当光以光子的形式击中太阳能电池时，其能量将释放电子-空穴对。每个具有足够能量的光子通常恰好释放一个电子，从而产生一个自由空穴。
如果这种情况发生在离电场足够近的地方，或者自由电子和自由空穴正好在其影响范围内，电场就会把电子送到N侧，把空穴送到P侧。这将导致电中性的进一步破坏。如果我们提供一个外部电流路径，电子将通过这个路径流向它们原来的一侧(P侧)，在那里与电场送来的空穴合并，在流动的过程中做功。从而形成从n型区到p型区的电流。然后在PN结中形成电位差，形成电源。
因为半导体不是电的良导体，如果电子通过pn结后在半导体中流动，电阻会非常大，损耗也会非常大。然而，如果上层完全被金属覆盖，阳光可以通过，电流可以不会被生成。因此，pn结(如梳状电极)一般用金属网覆盖，以增加入射光的面积。
另外，硅的表面很亮，会反射很多太阳光，不能用于电池。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，使反射损失降低到5%甚至更少。毕竟一块电池所能提供的电流和电压是有限的，所以人们将许多电池并联或串联起来，组成太阳能光伏板。
太阳能电池发电是根据特定材料的光电特性制成的。黑体(如太阳)辐射不同波长(对应不同频率)的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等。当这些射线照射到不同的导体或半导体上时，光子与导体或半导体中的自由电子相互作用，产生电流。
波长越短，频率越高，能量越高。比如紫外线的能量就比红外线的能量高很多。然而，并不是所有波长的辐射能都能转换成电能。值得注意的是，光电效应与
太阳能电池发电是一种可再生的环保发电方式，不会产生二氧化碳等温室气体，不会污染环境。
太阳能电池的类型
太阳能电池按形状可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池；按结晶状态可分为结晶薄膜型和非晶薄膜型两大类，而前者又分为单晶型和多晶型。材料可分为硅膜状、化合物半导体膜状和有机膜状。根据所用材料的不同，还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池。其中，硅太阳能电池是目前最成熟的一种，在应用中占据主导地位。
硅太阳能电池
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。
单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的结构主要包括前梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背电极等。单晶硅太阳能电池广泛应用于太空和地面。这种太阳能电池由高纯度单晶硅棒制成。单晶硅棒切割成块，通过一系列半导体工艺形成PN结。
然后用丝网印刷法制作栅线，用烧结工艺制作背电极，制成单晶硅太阳能电池单片。单体可以按照所需的规格串联和并联组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后，使用框架进行封装，将太阳能电池组件形成不同尺寸的太阳能电池阵列。
在硅太阳能电池系列中，单晶硅太阳能电池的转换效率最高，技术最成熟。高性能单晶硅电池是以优质单晶硅材料和相关的发热加工技术为基础的。
目前，单晶硅的电接地技术已接近成熟。在电池制造中，一般采用表面制绒、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沟槽埋栅电极单晶硅电池。
提高转换效率主要依靠单晶硅的表面微结构处理和分区掺杂工艺。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率在15%左右，实验室结果在20%以上。
单晶硅太阳能电池的特性
单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍然占据主导地位。虽然其转换效率高，但单晶硅太阳能电池的生产需要大量高纯硅材料，且工艺复杂，功耗受工艺影响大，太阳能电池组件平面利用率低，导致单晶硅成本和价格高。很难大幅降低其成本。
为了节约优质材料，寻找单晶硅电池的替代产品，薄膜太阳能电池得到了发展，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池是典型代表。
多晶硅太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池在低成本的衬底材料上生长多晶硅薄膜，使用相对较薄的晶体硅层作为太阳能电池的活性层，既保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性，又大大减少了材料用量，从而明显降低了电池的成本。多晶硅太阳能电池的工作原理和其他太阳能电池一样，都是基于太阳光和半导体材料的作用，形成光伏效应。
多晶硅太阳能电池芯片是一种具有光电效应的半导体器件。当半导体的PN结发光时，就会产生电流。当光线直射到太阳能电池芯片上时，一部分被反射，一部分被吸收。部分被吸收的光穿过电池c
太阳能电池使用的多晶硅材料大多是含有大量单晶颗粒的聚集体，或者将废弃的劣质单晶硅材料和冶金级硅材料熔融，然后注入石墨模具中，得到多晶硅锭。这种硅锭被铸造成立方体，这样就可以切片并加工成方形电池。
多晶硅太阳能电池板的制造工艺与单晶硅太阳能电池板类似，其光电转换效率约为12%，略低于单晶硅太阳能电池板。但材料制造简单，耗电省，生产总成本低，所以得到了很大的发展。
多晶硅太阳能电池的特性
1、具有稳定高效的光电转换效率。
2、镀深蓝色氮化硅增透膜，颜色均匀美观。
3、高品质的银和银铝浆确保良好的导电性、可靠的粘附性和良好的电极可焊性。
4、高精度丝网印刷图形和高平整度使电池易于自动焊接和激光切割。
硅太阳能电池
非晶硅太阳能电池由透明氧化膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)和背电极金属膜层组成。基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它完全不同于单晶硅和多晶硅太阳能电池的生产方式，硅料消耗更少，功耗更低。
制造方法有很多种，最常见的是通过辉光放电获得N型或P型非晶硅薄膜。基板通常由玻璃或不锈钢板制成。非晶硅太阳能电池非常薄，可以制成叠层或集成电路。可以同时制造多个串联电池以获得更高的电压。
非晶硅是一种具有非晶态晶体结构的半导体，其原子结构不像晶体硅那样规则排列。非晶硅是一种直接带材料，对太阳光的吸收系数很高。它只需要1微米厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。
薄膜非晶硅太阳能电池成本低，便于大规模生产。由于硅原料的短缺和价格的上涨，促进了硅的高效利用技术和非晶硅薄膜太阳能电池的发展。非晶硅电池的低成本弥补了其光电转换效率的不足，未来将在光伏发电中发挥越来越重要的作用。
然而，由于非晶硅中的许多缺陷，制备的太阳能电池效率较低，其效率也会随着光照而下降，这限制了非晶硅薄膜太阳能电池的应用。
目前非晶硅薄膜电池的主要研究方向是与微晶硅结合生成非晶硅/晶体硅异质结太阳能电池。这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，还可以延缓非晶硅电池随光照降低的效率。目前纯非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17 .4%。
薄膜非晶硅太阳能电池的特性
与晶体硅太阳能电池相比，非晶硅太阳能电池具有重量轻、工艺简单、成本低、能耗低、易于大规模生产等优点。因此，人们重视它们，并迅速发展。非晶硅薄膜太阳能电池最早商业化，也是目前业界最大的薄膜电池。
尽管非晶硅薄膜太阳能电池已经被广泛研究和应用。然而，仍有许多问题有待解决：
1、y光学带隙宽度为1.7 eV，使材料对太阳辐射光谱的长波吸收不敏感，限制了其光电转换效率；
2、光电转换效率随着光照时间的增加而降低，即所谓的光致衰减(S W)效应，使电池性能不稳定；
3、制备过程中，非晶硅沉积速率低，影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产。
4、电池组件后续加工难度大，如Ag电极的处理；
当前位置有很多负面影响
化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉、铜铟硒薄膜电池。硫化镉和碲化镉多晶薄膜电池的效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，成本低于单晶硅电池，易于大规模生产。但镉有剧毒，会对环境造成严重污染。
因此，它不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓(GaAs)-族化合物电池的转换效率可达28%。GaAs化合物材料具有理想的光学带隙，吸收效率高，抗辐射能力强，对热不敏感，适合制造高效率的单结电池。然而，GaAs材料的价格昂贵，这在很大程度上限制了GaAs电池的普及。
顺式铟硒薄膜电池(CIS)适合光电转换，不存在光致退化问题。转换效率与多晶硅相同。具有价格低、性能好、工艺简单等优点，将成为未来发展太阳能电池的重要方向。唯一的问题是材料的来源。因为铟和硒是稀有元素，这类电池的发展必然受到限制。
多层聚合物修饰电极型太阳能电池
在太阳能电池中用聚合物代替无机材料是太阳能电池制造的一个新的研究方向。其原理是利用不同氧化还原聚合物的不同氧化还原电位，在导电材料(电极)表面进行多层复合，制成类似无机P-N结的单向导电器件。
一个电极的内层被还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物还原电位较高，所以电子转移方向只能从内层转移到外层。另一个电极的修饰正好相反，两种聚合物在第一个电极上的还原电位高于后者。
当将两个修饰电极置于含有光敏剂的电解波中时，光敏剂吸收光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，在还原电位较低的电极上积累的电子不能转移到外层聚合物上，只能通过还原电位较高的电极通过外电路回到电解液中，因此在外电路中产生了光电流。
由于有机材料具有柔韧性好、易于制造、材料来源广、成本低等优点，因此大规模利用太阳能并提供廉价电能具有重要意义。然而，对有机材料制成的太阳能电池的研究才刚刚开始，其使用寿命和电池效率可以不可与无机材料相比，尤其是硅电池。能否开发成实用产品，还需要进一步的研究和探索。
纳米晶体太阳能电池化学
在太阳能电池中，硅基太阳能电池无疑是最成熟的，但由于成本较高，远远达不到大规模推广应用的要求。为此，人们一直在探索电池的技术、新材料、薄膜等，其中新开发的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池引起了国内外科学家的关注。
纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是通过修饰一种带隙半导体材料并将其组装在另一种大带隙半导体材料上而形成的。窄带隙半导体材料由过渡金属Ru、Os等有机化合物敏化染料制成，大带隙半导体材料由纳米多晶TiO2制成并制成电极。此外，NPC电池还使用适当的氧化还原电解质。
纳米晶TiO2的工作原理：染料分子吸收太阳能，跳到激发态，不稳定。电子快速注入相邻的TiO2导带，染料中损失的电子快速从电解质中得到补偿。进入TiO2导带的电最终进入导电膜，然后通过外部电路产生光电流。
纳米晶二氧化钛太阳能电池的优势在于成本低、工艺简单、性能稳定。它的ph值
2015年，日本、中国和瑞士的研究人员通过薄膜掺杂技术制作了一块面积为1cm2的钙钛矿太阳能电池，公证效率为15%。研究人员在钙钛矿太阳能电池的无机界面层中大量掺杂锂和镁，使其电导率增加了约10倍。
钙钛矿型太阳能电池是以钙钛矿型有机金属卤化物半导体为吸光材料的太阳能电池，即染料敏化太阳能电池中的染料被相应取代。
如图所示，钙钛矿太阳能电池从上到下依次是玻璃、FTO、电子传输层(ETM)、钙钛矿光敏层、空穴传输层(HTM)、金属电极。
其中，电子传输层一般是致密的TiO2纳米颗粒，以防止钙钛矿层中的载流子与FTO中的载流子复合。通过调整TiO2的形态、掺杂元素或使用其他N型半导体材料如ZnO，可以提高该层的导电性，从而提高电池的性能。
下图显示了钙钛矿太阳能电池的结构及其载流子传输机制。
钙钛矿太阳能电池中的物理过程
当暴露在阳光下时，钙钛矿层首先吸收光子，产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料激子结合能的不同，这些载流子要么成为自由载流子，要么形成激子。而且由于这些钙钛矿材料往往载流子复合几率低，载流子迁移率高，载流子的扩散距离和寿命更长。这是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。
然后，这些未结合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到TiO2等电子传输层，最终被FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，并最终被金属电极收集。
当然，这些过程总是伴随着一些载流子的损失，例如电子传输层中的电子与钙钛矿层中的空穴的可逆复合，电子传输层中的电子与空穴传输层中的空穴的复合(当钙钛矿层不致密时)，钙钛矿层中的电子与空穴传输层中的空穴的复合。为了提高电池的整体性能，应该使这些载流子的损失最小化。最后，连接FTO和金属电极的电路产生光电流。
薄膜太阳能电池
薄膜太阳能电池是根据其厚度特性来定义的。硅太阳能电池有大约350微米厚的光吸收层，但薄膜太阳能电池只有1微米厚的光吸收层。
薄膜太阳能电池的生产商开始减少光吸收材料的层数，如衬底上的半导体和镀膜玻璃。用作半导体的材料不它们不需要很厚，因为它们吸收太阳能的效率很高。因此，薄膜太阳能电池轻便、耐用、简单。
根据使用的半导体类型，薄膜太阳能电池主要有三种：非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。
它是传统非晶硅太阳能电池的改进版本，广泛应用于太阳能电子器件，但非晶硅也有一些缺点。
非晶硅太阳能电池的最大问题之一是其半导体中使用的材料。硅在市场上不好找，经常供不应求。并且非晶硅的效率不够高。所以这种电池正在经历明显的下滑。
较薄的非晶硅电池克服了这一缺点，但厚度减小的电池吸收光能的效率较低。非晶硅电池适用于小型设备，如计算器，但不适用于大型设备，如太阳能供电的建筑物。
无硅薄膜光电技术的良好发展开始克服非晶硅的问题，如碲化镉电池、铜铟镓硒电池等。
基于玻璃的铜铟镓硒太阳能电池
基于谷壳的铜铟镓硒太阳能电池
薄膜太阳能电池背后的基本科学知识和传统的硅晶体电池是一样的。光电转换电池需要依靠半导体。半导体纯的时候是绝缘体，但是加热或者和其他材料结合可以导电。当半导体材料混合或掺杂磷时，有额外的自由电子，这就是所谓的N型半导体。当半导体掺杂其他材料(如硼)时，会有多余的空位来接收电子，这种半导体称为P型半导体。
薄膜太阳能电池通过一层薄膜将N型半导体和P型半导体连接起来，这一层薄膜就是连接面。即使在没有光的情况下，少量电子也可以通过连接表面从N型半导体到达P型半导体，从而产生小电压。在有光的条件下，光子可以敲出大量的电子，电子流经连接面形成电流。
传统太阳能电池在P型半导体和N型半导体中加入硅，而最新一代的薄膜太阳能电池用碲化镉或铜铟镓硒薄层代替硅。铜、铟、镓、硒四种元素以纳米颗粒的形式自组装在一个均匀分布的系统中，以确保这四种元素的比例总是正确的。
铜铟镓硒太阳能电池有两种基本形状。玻璃电池的正极需要用钼做，而箔片电池不需要薄的钼层，因为箔片可以做电极。氧化锌薄膜在铜铟镓硒电池中起着另一个电极的作用。半导体材料和硫化镉插在正电极和负电极之间。这两个薄层起着N型半导体和P型半导体的作用，用来传输电极之间产生的电流。
碲化镉电池和铜铟镓硒电池结构相似。它的一个电极由一层渗有铜的碳胶制成，另一个电极由氧化锡或锡酸镉制成。使用的半导体是碲化镉，和硫化镉一起起到N型半导体和P型半导体的作用。
太阳能电池的未来发展方向
薄膜太阳能电池是最有前景的下一代太阳能电池技术，它节省了硅原料的使用和硅片的制造工艺。与目前常见的硅片太阳能电池相比，硅薄膜太阳能电池的硅耗仅为前者的1%左右，可将太阳能电池的每瓦成本从2.50美元降至1.20美元。此外，这种新的高科技产品可以与玻璃幕墙等建筑屋顶墙体材料相结合，可以并网发电，节省建筑材料，美化环境。
第三代聚光太阳能(CPV)发电模式正逐渐成为太阳能领域的焦点。光伏发电经历了第一代晶体硅电池和第二代薄膜电池，产业化进程正逐渐转向高效CPV系统发电。
与前两代电池相比，CPV采用多结III-V族复合电池，具有光谱吸收大、转换效率高的优点。而且所需的电池面积也不大，因此相对便宜的聚光装置可以替代昂贵的半导体材料，大规模应用于发电时可以有效降低成本和生产能耗。
太阳能作为一种持久而普遍的能源，可以说是取之不尽用之不竭的。与其他能源相比，太阳能的使用清洁无污染，使用太阳能不会污染生态环境。当人类面临能源和环境危机时，迫切需要找到一种清洁、高效、相对充足的能源来满足社会和经济的发展，而太阳能是最佳选择之一。
目前太阳能的发展方式主要是太阳能电池的情况。经过短短几十年的发展，太阳能电池已经拥有了相当成熟的技术，并且已经应用到人们的方方面面的生产和生活。相信随着技术水平的不断提高，太阳能电池会得到更大的发展，造福人类社会。
标签：电池太阳能材料