电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。图光伏效应原理图结在同片半导体基片上，分别制造型半导体和型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了结。其中型区的电子和型区的空穴向对方扩散，直到所形成的电场阻止载流子进步扩散，从而形成内建电场。图结具有单向导电性结加上正向电压正向偏置的意思都是区加正区加负电压。结加上反向电压反向偏置的意思都是区加负区加正电压。光图结能带结构原子与原子结合形成晶体时，由于原子间的电予相互作用，使原来原子的各自分散能级形成能带。能带为彼此能量相差很小的准连续组。由于能带的结构不同，形成了金属半导体和绝缘体。图金属的能带相互搭接，只需很小的能量电子就可以自由流动。而在半导体和绝缘体中，电子必须具有超过的能量才能从稳定的价带到达导带。价带与导带之间的能带称为禁带，又叫带隙，这里没有电子可以存在的能级。绝缘体和半导体能带结构相似，只是禁带宽度较大，在正常条件下无法形成导电所需的载流子。导带价带导体漂移运动型半导体内电场型半导体扩散运动图导体绝缘体半导体能带示意图能带的结构是由物质组成所决定的，半导体的禁带出大小不同外，还分为直接禁带和间接禁带。以与吸收光子，电子产生跃迁为例。电子运动中要遵守能量守恒和动量守恒定理。当电子获得能量发生跃迁时，对这类直接禁带半导体而言，可直接到达导带，因其动量未发生变化但对这类间接禁带半导体而言，就必须吸收或放出个声子才能满足动量守恒。因此，间接禁带半导体中的电子跃迁，或从导带到价带的复合比直接禁带材料困难些。导带全空价带全满绝缘体价带半导体导带载流子的产生与复合半导体中的载流子分两种带负电荷的电子和带下电荷的空穴。半导体受光照射时会产生电子空穴对，此时载流子的浓度超过无照射时的浓度，如果去掉照射，光激发产生的载流子会很快被复合掉，载流子的浓度会衰减到平衡时的浓度，这个过程被称为复合过程。因此载流子的寿命很重要。载流子的寿命取决于复合机理。现在认为共有四种复合机理，即直接复合通过复合中心复合俄歇复合表面符合。直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的非平衡载流子的复合过程。非平衡载流子的寿命在小注入的情况下复合概率，对于特定的材料是特定的常数为平衡载流子的浓度。在小注入的情况下取决于复合概率。般而言带隙越小，温度越高，直接复合的概率越大，还与多数载流子的浓度成反比。通过复合中心复合半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成定的能级，有促进非平衡载流子复合的作用，使其寿命明显缩短，这种杂质或缺陷称为复合中心，非平衡载流子通过这种复合中心的复合称为通过复合中心复合，也叫间接复合。，分别为型和型半导体的载流子的寿命，为复合中心的俘获截面，为载流子的热运动的平均速度，为复合中心浓度。以上说明载流子的寿命与复合中心的种类有关，截面越大，说明越短，其寿命与复合中心的浓度成反比，与载流子的热运动的平均速度成反比。俄歇复合载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量传给另个载流子并使之激发到较高的能级上去，当他重新跃迁到较低的能级时，多余的能量以声子的形式释放。载流子的寿命随着掺杂浓度的增加而迅速减小。表面复合载流子的寿命在很大程度上受到半导体表面状态的影响，表面有促进复合的作用。表面的悬挂建，杂质及特有的缺陷等在禁带形成复合中心能级。就复合机制而言，表面复合仍是间接复合。太阳电池的特性参数短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势。转换效率转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻时，得到的最大能量转换效率，其定义为，电池的最大功率输出与入射功率之比。填充因子最大输出功率与极限功率之比太阳能电池的等效电路模型太阳能电池在有光照条件下，光生电流会流过负载，从而产生负载电压。这时太阳能电池的等效电路如图所示。太阳能电池可以看成能稳定地产生光电流的电流源只要光源稳定。其中，为串联电阻，它主要由电池的表面电阻体电阻电极与硅表面接触电阻减小结的接触电压损失，可以通过聚集太阳光增加穿过电池的光子密度来实现。还有种能量损失是低于禁带宽度的能量损失，能量小于禁带宽度的光子不能被吸收所造成的损失。通过以上分析提出了第三代太阳能电池的概念，第三代太阳能电池致力于减少热损失和低于禁带宽度的能量损失。新型太阳能电池传统太阳能电池的研究任务还没有结束，新型太阳能第三代太阳能电池的概念已经提出。目前第三代太阳能电池还在进行概念和简单的试验研究。已经提出的第三代太阳能电池主要有叠层太阳能电池多带隙太阳能电池和热载流子太阳能电池等。第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到，而目前标准太阳能电池的理论转换效率上限为，这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。叠层电池叠层式电池结构就是要使用不同的禁带宽度的材料来吸收不同波长的光子，这是通过使用多层电池实现的。每层电池的能带都不同，最高能带的电池位于最高位置，往下能带依次减小，能量高的光子被能带高的电池吸收，能量低的光子被能带低的电池吸收，减少了载流子能带内的能量释放，从而大幅的提高了太阳能电池的效率。理论上，无限增加太阳能电池的层数，可以获得的极限效率为。叠层电池的个改进方法是把每个电池分离成几个具有相同带宽的更薄些的子电池，子电池上分别加上偏压，称为超叠层电池。增加的优化参数可以使超串联电池获得高于的转换效率。当子电池上所加偏压与原电池相等时，可获得最优的效率。理论上，在使用光环形器的前提下，超叠层电池无限叠加可以获得高达的极限效率。图叠层电池及改进多能带电池标准电池材料的光伏效应基于载流予在价带和导带之间的激发近年来有所谓多能带结构被提出，就是在导带与价带之间引进额外的能带。多能带电池可以获得比单结电池大的多的转换效率，以能带电池为例，中间能带可以使那些能量小于两条主能带之间带隙的部分光子被吸收，激发载流子。基本原理如图所示。不同能量的光子被吸收后可以将电子激发到不同的能带，从而有效的利用了太阳光子的能量。图三能带电池另方面使用材料的量子结构，如量子阱量子线量子点超晶格和纳米颗粒更是可以提供额外能级或能带的方法。多次激发电子空穴对如果，高能电子空穴对不是把多余的热量以热能的形式释放出去，而是将这部分能量利用起来去冲击别的电子，以产生更多的电子空穴对，就有可能获得高的转换效率，也称为冲击离子化电池。以量子点为例，它不仅能提供额外的能级，增加不同波长的光吸收，而且它本身的能级结构就会大幅的抑制载流子在能级间进行放射声子的能量释放，如此来更可以增加载流子通过冲击离子化的几率，产生额外的电子空穴对。美国化学会通讯杂志月号个研究组发表的文章中，表明他们发现微小的称为量子点的纳米晶体中可由个高能太阳光子产生个电子之多。能带能带能带热载流子电池热载流子电池的概念是在光生载流子与晶格相互作用释放热能通过声子散射之前收集载流子。热载流子太阳能电池主要有五个部分光吸收器电子能量带通选择器空穴能量带通选择器低功函数的金属接触和高功函数的金属接触。其运作原理是光吸收器吸收入射光产生电子空穴对，不同功函数的金属接触两端电极提供内建电场，在电子空穴对复合前将他们分离。其中高能量的热电子通过电子能量带通选择器的筛选到达低功函数的金属接触端的负电极。同样的，高能量的热空穴通过空穴能量带通选择器的筛选，到达高功函数的金属接触端的正电极，这样就是所谓的热载流子电池。对热载流子电池金属接触的主要要求是在非常窄的能量范围内收集载流子，这样有助于抑制金属接触上的能量损失。图热载流子电池热光伏效应和热声子器件热光伏效应是建立在光伏效应上的个分支，它的光源来自高温热源产光吸收器低功函数金属接触能量带通选择器高功函数金属接触生的光辐射而不是太阳辐射。理论上，只要能有效的抑制太阳能电池内载流子和声子的能量交换，就能有效的避免太阳能电池内无用的热能产生。但是实际上晶体内的任何缺陷或杂质都会辅助声子的放射而让电子空穴对复合。所以载流子无可避免的要传递能量给声子，而造成元件的发热。热光伏器件，就是要将这原本浪费的热能，转换成光让太阳能电池元件再次吸收达到热能循环使用的效果。热光伏器件的高温发射器可以被任何热源加热，包括太阳光。高温发射器向太阳能电池发出光辐射，高于禁带宽度的辐射可以被转换成电能。热光伏器件的转换效率依赖于窄禁带宽度的太阳能电池和个几乎完美的过滤器或者选择发射器来收集或者抑制低于禁带宽度的光子。但是热光伏器件很难完全的收集和抑制能量低于带隙的光子辐射，所以达到高效率是比较困难的。热声子器件是最近从热光伏器件的概念上发展起来的，在热声子器件中，用个正偏的发光二极管代替了过滤器，这样就避免了构造个完美的过滤器。在正偏压下，二极管发射出的近似于单色光的光辐射能够很有效的被太阳能电池接收转换为电能。第五章总结光伏领域中对于太阳能电池发展历程普遍接受的划分方法是三代太阳能电池即第代晶体硅太阳能电池以单晶硅片多晶硅片为基础的，第二代异质衬底上的薄膜太阳能电池例如玻璃衬底上的多晶硅薄膜太阳能电池和第三代高效太阳能电池。晶体硅太阳能电池对材料的需求限制了成本降低的潜力，长期以来人们直试图用薄膜太阳能电池取代第代电池。许多人曾认为将很快发生第代到第二代电池的变革，但是由于第代电池市场份额迅速扩大，工艺日趋成熟，转换效率较高产业化水平投资风险较小，且由于规模化生产经济性的影响，使这变革至今尚未实现。提高薄膜太阳能电池的转换效率是解决的主要问题。此外，薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须达到大规模应用的要求。目前从材料工艺与理论研究等方面来看，太阳能电池的光电转换效率还可以有很大的提高，薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。为此，新型第三代光电转换技术概念应运而生，实现这概念的工艺方法也成为当前的热点研究问题。参考文献﹠,杨德仁太阳能电池材料，毕业论文题目新型太阳能电池的研究学院物理化学学院目录目录摘要第章引言概述太阳能光伏发电的研究意义第二章太阳能基本知识太阳能的特点太阳能电池基本原理结能带结构载流子的产生与复合太阳电池的特性参数太阳能电池的等效电路模型第三章太阳能电池的发展与分析第代太阳能电池第二代太阳能电池第三代太阳能电池第四章新型太阳能电池能