化学：晶体硅制光电池的原理是什么？

Question

如题所述

Answer 1

光电池（photovoltaic cell，注意photocell一般指光敏电阻），是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。它是是能在光的照射下产生电动势的元件。用于光电转换、光电探测及光能利用等方面

光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光

电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地球卫星、灯塔、无人气象站等处
光伏发电是利用半导体pn结（pn junction）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉
工作原理
向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。

Answer 2

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。
应用
光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。目前半导体光敏传感器在数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现代科技发展中起到了十分重要的作用。
能源--硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。
光电检测器件--用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光增加准直、电影还音等设备的光感受器。
硅光电池优质推荐OTRON品牌。
光电控制器件--用作光电开关等光电控制设备的转换器件。
类别编辑

晶体硅
晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷 光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为Φ10至20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24%，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5?18%，地面用大量生产的在AM1条件下多在11?18%之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，切磨抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%。

非晶硅
a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化 （0.5m×1.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层p in 等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。其商品化产量连续增长，年产能力45MW/a，10MW生产线已投入生产，全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。发展集成型a-Si光电池组 件，激光切割的使用有效面积达90%以上，小面积转换效率提高到14.6%，大面积大量生产的为8-10%，叠层结构的最高效率为21%。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。

多晶硅
p-Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p-Si光电池转 换效率为15.3%，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制备的转换效率约为 12.6-17.3%。采用廉价衬底的p-Si薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对a-Si：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8%和9.2%的无退化电池。微晶硅薄膜生长与a-Si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7%。大面积低温p-Si膜与-Si组成叠层电池结构，是提高a-S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28%以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。铜铟硒光电池
CIS（铜铟硒）薄膜光电池已成为国际光伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7%），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到2?3μm，吸收层CIS膜对电池性能起着决定性作用。现已开发出反应共蒸法和硒化法（溅射、蒸发、电沉积等）两大类多种制备方法，其它外层通常采用真空蒸发或 溅射成膜。阻碍其发展的原因是工艺重复性差，高效电池成品率低，材料组分较复杂，缺乏控制薄膜生长的分析仪器。CIS光电池正受到产业界重视，一些知名公司意识到它在未来能源市场中的前景和所处地位，积极扩大开发规模，着手组建中试线及制造厂。

碲化镉
CdTe（碲化镉）也很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30%，是非常理想的光伏材料。可采用升华法、电沉积、喷涂、丝网印刷等10种较简便的加工技术，在低衬底温度下制造出效率12%以上的CdTe光电池，小面积CdTe光电池的国际先进水平光电转换率为15.8%，一些公司正深入研究与产业化中试，优化薄膜制备工艺，提高组件稳定性，防范Cd对环境污染和操作者的健康危害。

砷化镓
GaAs（砷化镓）光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高 达29.5%（一般在19.5%左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，用MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。

其它材料
InP（磷化铟）光电池的抗辐射性能特别好，效率达17%到19%，多用于空间方面。采用SiGe单晶衬底，研制出在AM0条件下效率大于20%的GaAs/Si异质结外延光电池，最高效率23.3%。Si/ Ge/GaAs结构的异质外延光电池在不断开发中，控制各层厚度，适当变化结构，可使太阳光中各 种波长的光子能量都得到有效利用，GaAs基多层结构光电池效率已接近40%。