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(zhuǎn)化是目前將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的最佳途徑,它是將太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn),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(jié)構(gòu)及原理：無機(jī)硅太陽能電池和有機(jī)聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池。

一、硅太陽能電池

硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的核心結(jié)構(gòu)是N型硅/P型硅構(gòu)成的活性層。通過特殊工藝向硅晶體中摻入少量的三價(jià)硼(一般107個(gè)原子?cm-3～1019個(gè)原子?cm-3)就可以構(gòu)成P(positive)型硅。未摻雜的硅晶體中，每個(gè)硅原子通過共價(jià)鍵與周圍4個(gè)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(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。因?yàn)榕鹪又挥?個(gè)價(jià)電子，與周圍4個(gè)硅原子成鍵時(shí)缺少1個(gè)電子，它需要從硅晶體中獲取1個(gè)電子才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)果，硼原子變成負(fù)離子，硅晶體中形成空穴(空穴帶一個(gè)單位的正電荷)。如果向硅晶體中摻入少量五價(jià)磷或者砷就構(gòu)成了N(negative)型硅，例如摻入磷(107個(gè)原子?cm-3～1019個(gè)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(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。因?yàn)榱自佑?個(gè)價(jià)電子，成鍵后剩下1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)電子受到的束縛力比共價(jià)鍵上的電子小得多，很容易脫離磷原子，成為自由電子，結(jié)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(gòu)造示意圖

當(dāng)把P型硅與N型硅通過一定方式結(jié)合在一起時(shí)，發(fā)生如圖2所示的PN結(jié)形成過程。在N區(qū)(N型硅一側(cè))與P區(qū)(P型硅一側(cè))的交界面附近，N區(qū)的自由電子較多空穴較少，P區(qū)則是空穴較多自由電子較少，這樣在P區(qū)和N區(qū)之間出現(xiàn)空穴和自由電子的濃度差。濃度差導(dǎo)致空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，二者在界面附近復(fù)合。P區(qū)界面附近帶正電荷的空穴離開后，留下帶負(fù)電荷的硼，因此形成1個(gè)負(fù)電荷區(qū)。同理，在N區(qū)界面附近出現(xiàn)1個(gè)正電荷區(qū)。通常把交界面附近的這種正、負(fù)電荷區(qū)域叫做空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷產(chǎn)生1個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場。在內(nèi)建電場的作用下，空穴和電子發(fā)生漂移，方向與它們各自的擴(kuò)散方向相反，即電子從P區(qū)漂移到N區(qū)，空穴從N區(qū)漂移到P區(qū)。顯然，內(nèi)建電場同時(shí)又起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，空間電荷逐漸增多，內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng)，空穴和電子的漂移也逐漸增強(qiáng)，但空穴和電子的擴(kuò)散卻逐漸變?nèi)?。無外界影響時(shí)，空穴和電子的擴(kuò)散和漂移最終達(dá)到動態(tài)平衡。此時(shí)，空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)不再擴(kuò)展，內(nèi)建電場的大小就確定下來。

圖2 PN結(jié)的形成過程

當(dāng)具有一定能量的光子入射到PN結(jié)表面時(shí)，光子在硅表面及體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對。由于入射光的強(qiáng)度因材料的吸收而不斷衰減，因而沿著光照方向，材料內(nèi)部電子-空穴對的濃度逐漸降低，這導(dǎo)致電子–空穴對向內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)電子-空穴對擴(kuò)散到PN結(jié)邊界時(shí)，在內(nèi)建電場的作用下，空穴、電子被分別拉向P區(qū)和N區(qū)，電子-空穴對被分離?？昭ㄔ赑區(qū)積累，電子在N區(qū)積累，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，在P區(qū)和N區(qū)之間形成與PN結(jié)電勢反向的光生電勢，這就是著名的光生伏特效應(yīng)。該效應(yīng)使PN結(jié)內(nèi)部形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流(如圖3所示)，當(dāng)PN結(jié)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(jī)聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池

有機(jī)聚合物太陽能電池具有多種結(jié)構(gòu)類型,但都呈夾心式,基本結(jié)構(gòu)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(jī)半導(dǎo)體層,它連接一層不透明的金屬作為背電極。當(dāng)外部負(fù)載通過金屬導(dǎo)線與兩個(gè)電極相連時(shí),就形成一個(gè)太陽能電池,它的光伏效應(yīng)區(qū)是有機(jī)半導(dǎo)體層。按照有機(jī)半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu),有機(jī)聚合物太陽能電池可以劃分為三大類,即單層結(jié)構(gòu)(單一有機(jī)或共軛聚合物材料)、雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖4 有機(jī)聚合物太陽能電池基本結(jié)構(gòu)圖

對于聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池,其有機(jī)半導(dǎo)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(gòu)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(yīng)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(zhì)的結(jié)構(gòu)示于圖5。通常,ITO電極和有機(jī)半導(dǎo)體層之間還夾一層透明導(dǎo)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(jié)構(gòu)

當(dāng)光透過ITO電極照射到有機(jī)半導(dǎo)體層上時(shí),層中的電子給體P3HT吸收光子,發(fā)生如圖6所示的過程。在光子的激發(fā)下,P3HT最高占據(jù)軌道上的價(jià)電子躍遷到最低空軌道上,最高占據(jù)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(zhuǎn)移到PCBM的最低空軌道上,最終被金屬負(fù)極收集。同時(shí),空穴向ITO正極轉(zhuǎn)移,并被收集。這樣就實(shí)現(xiàn)了電子和空穴的分離,產(chǎn)生光電流和光電壓。

圖6 有機(jī)聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池中電子—空穴的分離原理示意圖

有機(jī)聚合物單層太陽能電池的結(jié)構(gòu),可以簡單地看做是雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池除去電子受體層。與雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池相比,單層太陽能電池存在電子、空穴復(fù)合率更高等缺點(diǎn),因此電池轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率最高,應(yīng)用最廣,但它也具有原料成本高,生產(chǎn)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。有機(jī)聚合物雙層異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)、材料輕、成本低、加工性能好、便于制造等優(yōu)點(diǎn)。但是它的一些缺點(diǎn)限制了其光電轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提高。例如,因?yàn)殡娮?空穴只能在界面附近分離,而雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池膜與膜之間的接觸面積有限,在遠(yuǎn)離界面的區(qū)域產(chǎn)生的電子和空穴往往還沒遷移到界面上就復(fù)合了。又如,電子和空穴在聚合物半導(dǎo)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(yùn)動的過程中會大量損失。為了提高轉(zhuǎn)換效率,科學(xué)家提出了體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,就是將給體、受體材料共混,形成一個(gè)連續(xù)、互相貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)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(kuò)散距離,使它們可以更多地到達(dá)界面進(jìn)行分離,因此能量轉(zhuǎn)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(jīng)遠(yuǎn)不止我們介紹的這幾種,其他類型還有待同學(xué)們?nèi)チ私狻?/p>

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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(xué)化學(xué)學(xué)院。

國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目,教育部實(shí)驗(yàn)室共建項(xiàng)目,北京市教育委員會共建項(xiàng)目,北京師范大學(xué)教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目。