太陽能電池主要分為以下三類：

(1)  第一代太陽能電池：主要包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及其與非晶硅復(fù)合的太陽能電池。第一代太陽能電池因其制備工藝發(fā)展完善、轉(zhuǎn)換效率較高被廣泛應(yīng)用于人類的日常生活中，占據(jù)著光伏市場(chǎng)絕大部分的份額。同時(shí)，硅基太陽能電池組件的壽命可以確保在 25 年后其效率依然能保持在原始效率的 80  %，因此到目前為止晶硅太陽電池是目前光伏市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

(2)  第二代太陽能電池：主要以銅銦稼硒(CIGS)、銻化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)等材料為代表。與第一代相比，第二代太陽能電池因吸光層較薄使得所需成本顯著降低，在晶體硅價(jià)格昂貴的時(shí)候被認(rèn)為是非常具有潛力的光伏發(fā)電的材料。

(3)  第三代太陽能電池：主要包括鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、量子點(diǎn)太陽能電池等。上述電池因其高效，先進(jìn)，已成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。其中，鈣鈦礦太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率己經(jīng)高達(dá) 25.2 %。

綜合來看，晶硅太陽電池仍是目前光伏市場(chǎng)上應(yīng)用最廣、商業(yè)價(jià)值最高的主流產(chǎn)品，其中，多晶硅電池價(jià)格優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，但其光電轉(zhuǎn)換效率不佳，單晶硅電池造價(jià)較高，但其效率顯著優(yōu)于多晶硅電池。不過，伴隨著新一代技術(shù)革新，單晶硅片的成本正在不斷降低，且目前市場(chǎng)對(duì)于高轉(zhuǎn)換效率的高端光伏產(chǎn)品的需求量只增不減，因此，對(duì)單晶硅電池的研究和改進(jìn)成為光伏研究領(lǐng)域的重要方向。

 

晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)

晶硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示，其通常采用 P 型硅作為襯底，通過磷擴(kuò)散將上表面的 p 型硅轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型硅，從而形成一個(gè)簡單的 p-n 結(jié)，隨后利用化學(xué)氣相沉 積法(Chemical  vapor deposition,  CVD)在擴(kuò)散層的上方沉積一層 SiN _x 減反射膜， 除了可以有效實(shí)現(xiàn)表面鈍化，增長少子壽命，其還能夠降低入射光的反射率。最后，由絲網(wǎng)印刷將漿料分別印刷在硅片的上下表面，作用為有效收集和導(dǎo)出電流。

 

 

晶硅太陽能電池工作機(jī)理 

晶硅太陽能電池的核心是 p-n 結(jié)。當(dāng)通過擴(kuò)散形成 p-n 結(jié)后，由于 p-n 結(jié)兩邊的電子和空穴濃度不同，載流子會(huì)自發(fā)地在有濃度梯度的地方移動(dòng)。電子離開 n 區(qū)后，不能運(yùn)動(dòng)的摻雜離子依然停留在原地，在 n 區(qū)形成正電荷區(qū)域。同理，空穴離開后，p 區(qū)形成負(fù)電荷區(qū)域。如圖 1.4(a)所示，形成了 p-n 結(jié)附近的空間電荷區(qū)。由于耗盡區(qū)兩邊電荷的極性差異較大，p-n 結(jié)之間會(huì)形成一個(gè)勢(shì)壘電場(chǎng)。由于勢(shì)壘電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散方向不同，所以在此電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子和空穴將向原本擴(kuò)散方向的反方向移動(dòng)。最終這兩種運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到平衡。如圖 1.4(b)所示為 p-n 結(jié)在動(dòng)態(tài)平衡下的能帶結(jié)構(gòu)圖。

 

太陽能電池依賴于光伏效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)光子擊中太陽能電池表面時(shí)，所攜帶的能量大于或等于硅的禁帶寬度的光子會(huì)引發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生光生載流子對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向正極(n 區(qū))運(yùn)動(dòng)，而空穴向反方向運(yùn)動(dòng)。  

 

 

晶硅太陽能電池表征參數(shù) 

如圖 1.6 所示為晶硅太陽能電池的等效電路。太陽能電池可用一個(gè)電流大小為 I_L 恒流源與二極管并聯(lián)來等效表示。流經(jīng)負(fù)載 R_L的電流為 I，流經(jīng)二極管的暗電流為 I_D，此外，考慮到實(shí)際電池中基底材料的缺陷以及材料的電阻率，通常還存在一個(gè)串聯(lián)電阻R _s，而因?yàn)殡姵乇砻媛╇姷仍蜻€存在一個(gè)并聯(lián)電阻 R _sh 。

 

由等效電路可得到以下計(jì)算公式：  

 

將公式 1.2 帶入 1.1 可得流經(jīng)負(fù)載的電流為：

 

其中，q 為電子電量，k 為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度， V 為負(fù)載兩端的電壓。當(dāng)負(fù)載被短路時(shí)，V = 0，可得短路電流 I_sc ：

 

當(dāng)電路處于開路時(shí)，I = 0，此時(shí)開路電壓 U_oc ：

 

常用的太陽能電池性能表征參數(shù)基本都可從伏安特性曲線得到，如圖 1.7 所示。

(1)  短路電流 I_sc  

短路電流是指在輸出端短路時(shí)的電流，短路電流源于光照下電池中光生載流子的產(chǎn)生和收集。在理想情況下，串聯(lián)電阻 R_s =0，R_sh趨向于無窮，此時(shí)，I _sc =I_L。I_sc 的主要影響因素為可影響光生載流子產(chǎn)生和收集的因素，包括入射光的光譜和強(qiáng)度，太陽能電池實(shí)際可接受光的表面積以及電極接觸等。

 

(2)  開路電壓 U_oc 

開路電壓是指外電路處于開路狀態(tài)時(shí)電路兩端的電壓。由式 1.4 可得，U_oc 的大小取決于太陽能電池光生電流的大小和飽和電流的大小。而實(shí)際情況中 U_oc主要由飽和電流來影響，即主要和電池的復(fù)合效應(yīng)有關(guān)。

(3)  填充因子 FF

填充因子是表征太陽能電池的關(guān)鍵參數(shù)之一，填充因子 FF 被定義為 P_m 與 U_oc和 I _sc乘積的比值，最大輸出功率為  P_m   =  V_m   ×  I_m  ，即：

 

填充因子 FF 的數(shù)值越大表明太陽能電池的輸出特性越好，但是由于能量轉(zhuǎn)換過程中會(huì)存在一定的損失，所以填充因子總是小于 1，填充因子的大小受 R_s 和 R_sh以及電荷的遷移率等因素影響。

 

(4)  轉(zhuǎn)換效率 E_ta 

轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池質(zhì)量好壞最直觀的表征參數(shù)，是太陽能電池最大的能量轉(zhuǎn)換情況：

 

由式子 1.6 可知，轉(zhuǎn)換效率與 I _sc ，U _oc ，F(xiàn)F 均成正比，所以要想提升電池的轉(zhuǎn)換效率，就要改進(jìn)這三個(gè)參數(shù)。提高I _sc 需要增強(qiáng)光譜響應(yīng)，提高 U _oc 需要減小 I ₀ ，提高 FF 則需要減小串聯(lián)電阻，提高并聯(lián)電阻，即想要獲得高的 E _ta 需要對(duì)電池進(jìn)行全面且系統(tǒng)的優(yōu)化。