太陽能電池的基本原理

陳 豪 王明召

太陽能電池的基本原理

陳 豪 王明召

光-電直接轉化是目前將太陽能轉化為電能的最佳途徑,它是將太陽輻射的光能直接轉化為電能,實現這種轉化的裝置稱為太陽能電池。太陽能電池具有清潔性和靈活性等優點,它可大到百萬千瓦的中型電站,也可小到只供一家之需的電池組,這是其他電源很難做到的。本文舉例介紹兩類太陽能電池的基本結構及原理：無機硅太陽能電池和有機聚合物雙層異質結太陽能電池。

一、硅太陽能電池

硅太陽能電池的基本結構如圖1所示，它的核心結構是N型硅/P型硅構成的活性層。通過特殊工藝向硅晶體中摻入少量的三價硼(一般107個原子?cm-3～1019個原子?cm-3)就可以構成P(positive)型硅。未摻雜的硅晶體中，每個硅原子通過共價鍵與周圍4個硅原子相連。摻入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在這些硅原子的位置上也與周圍4個硅原子形成共價鍵。因為硼原子只有3個價電子，與周圍4個硅原子成鍵時缺少1個電子，它需要從硅晶體中獲取1個電子才能形成穩定結構。結果，硼原子變成負離子，硅晶體中形成空穴(空穴帶一個單位的正電荷)。如果向硅晶體中摻入少量五價磷或者砷就構成了N(negative)型硅，例如摻入磷(107個原子?cm-3～1019個原子?cm-3)。摻入的磷原子同樣取代硅原子的位置，并與周圍的4個硅原子形成共價鍵。因為磷原子有5個價電子，成鍵后剩下1個價電子，這個電子受到的束縛力比共價鍵上的電子小得多，很容易脫離磷原子，成為自由電子，結果該磷原子成為正離子。需要說明的是，P型和N型硅都是電中性的。

圖1 硅太陽能電池的基本構造示意圖

當把P型硅與N型硅通過一定方式結合在一起時，發生如圖2所示的PN結形成過程。在N區(N型硅一側)與P區(P型硅一側)的交界面附近，N區的自由電子較多空穴較少，P區則是空穴較多自由電子較少，這樣在P區和N區之間出現空穴和自由電子的濃度差。濃度差導致空穴從P區向N區擴散，自由電子從N區向P區擴散，二者在界面附近復合。P區界面附近帶正電荷的空穴離開后，留下帶負電荷的硼，因此形成1個負電荷區。同理，在N區界面附近出現1個正電荷區。通常把交界面附近的這種正、負電荷區域叫做空間電荷區。空間電荷區中的正、負電荷產生1個由N區指向P區的內建電場。在內建電場的作用下，空穴和電子發生漂移，方向與它們各自的擴散方向相反，即電子從P區漂移到N區，空穴從N區漂移到P區。顯然，內建電場同時又起著阻礙電子和空穴繼續擴散的作用。隨著擴散的進行，空間電荷逐漸增多，內建電場逐漸增強，空穴和電子的漂移也逐漸增強，但空穴和電子的擴散卻逐漸變弱。無外界影響時，空穴和電子的擴散和漂移最終達到動態平衡。此時，空間電荷的數量一定，空間電荷區不再擴展，內建電場的大小就確定下來。

圖2 PN結的形成過程

當具有一定能量的光子入射到PN結表面時，光子在硅表面及體內激發產生大量的電子-空穴對。由于入射光的強度因材料的吸收而不斷衰減，因而沿著光照方向，材料內部電子-空穴對的濃度逐漸降低，這導致電子–空穴對向內部擴散。當電子-空穴對擴散到PN結邊界時，在內建電場的作用下，空穴、電子被分別拉向P區和N區，電子-空穴對被分離。空穴在P區積累，電子在N區積累，結果產生一個與內建電場方向相反的光生電場，在P區和N區之間形成與PN結電勢反向的光生電勢，這就是著名的光生伏特效應。該效應使PN結內部形成自N區向P區的光生電流(如圖3所示)，當PN結與外電路接通，只要光照不停止，就會有電流源源不斷地通過電路。

圖3 硅太陽能電池中光生電流的形成過程

二、有機聚合物雙層異質結太陽能電池

有機聚合物太陽能電池具有多種結構類型,但都呈夾心式,基本結構如圖4所示。電池的頂部一般為透明的玻璃基底,上面鍍有可透光的金屬薄層作為前電極,一般為銦錫氧化物(ITO)。與前電極接觸的是有機半導體層,它連接一層不透明的金屬作為背電極。當外部負載通過金屬導線與兩個電極相連時,就形成一個太陽能電池,它的光伏效應區是有機半導體層。按照有機半導體層的結構,有機聚合物太陽能電池可以劃分為三大類,即單層結構(單一有機或共軛聚合物材料)、雙層異質結結構和體異質結結構。

圖4 有機聚合物太陽能電池基本結構圖

對于聚合物雙層異質結太陽能電池,其有機半導體雙層由共軛聚合物(電子給體,類似于P型硅)和富勒烯或其衍生物(電子受體,類似于N型硅)構成,厚度常為100～200nm。常見的電子給體有聚噻吩、聚對苯乙烯撐及其衍生物,其中P3HT(聚3-己基噻吩)在目前應用最為普遍。常見的電子受體是PCBM,它是C60的一種可溶性衍生物。這兩種物質的結構示于圖5。通常,ITO電極和有機半導體層之間還夾一層透明導電聚合物修飾層,厚度為30～60nm,以提高電池的性能。

圖5 P3HT和PCBM的結構

當光透過ITO電極照射到有機半導體層上時,層中的電子給體P3HT吸收光子,發生如圖6所示的過程。在光子的激發下,P3HT最高占據軌道上的價電子躍遷到最低空軌道上,最高占據軌道留下空穴,形成電子–空穴對。由于電子給體P3HT最低空軌道的能量比電子受體PCBM最低空軌道的能量高,所以躍遷電子從P3HT的最低空軌道轉移到PCBM的最低空軌道上,最終被金屬負極收集。同時,空穴向ITO正極轉移,并被收集。這樣就實現了電子和空穴的分離,產生光電流和光電壓。

圖6 有機聚合物雙層異質結太陽能電池中電子—空穴的分離原理示意圖

有機聚合物單層太陽能電池的結構,可以簡單地看做是雙層異質結太陽能電池除去電子受體層。與雙層異質結太陽能電池相比,單層太陽能電池存在電子、空穴復合率更高等缺點,因此電池轉化效率較低。

三、展望

目前,在各種形式的太陽能電池中,硅太陽能電池的光電轉換效率最高,應用最廣,但它也具有原料成本高,生產工藝復雜等缺點。有機聚合物雙層異質結太陽能電池是利用電子給體和受體的能級差來最大限度地把它們分離成自由電子和空穴,具有結構設計性強、材料輕、成本低、加工性能好、便于制造等優點。但是它的一些缺點限制了其光電轉化效率的進一步提高。例如,因為電子-空穴只能在界面附近分離,而雙層異質結太陽能電池膜與膜之間的接觸面積有限,在遠離界面的區域產生的電子和空穴往往還沒遷移到界面上就復合了。又如,電子和空穴在聚合物半導體材料中的遷移率通常很低,它們在界面上分離出來后,在向電極運動的過程中會大量損失。為了提高轉換效率,科學家提出了體異質結太陽能電池,就是將給體、受體材料共混,形成一個連續、互相貫穿的網絡結構。這種結構極大地增加了給體、受體材料的接觸面積,縮短了電子和空穴的擴散距離,使它們可以更多地到達界面進行分離,因此能量轉換效率得到較大提高。

至今,人們正在研究的太陽能電池已經遠不止我們介紹的這幾種,其他類型還有待同學們去了解。

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稿件編號：P1104139

陳豪,在讀碩士研究生。王明召,博士,副教授。

北京師范大學化學學院。

國家級化學實驗教學團隊建設項目,教育部實驗室共建項目,北京市教育委員會共建項目,北京師范大學教學建設與改革項目。