【課堂】太陽能電池材料及半導(dǎo)體材料的介紹

太陽能發(fā)電作為清潔能源領(lǐng)域的“佼佼者”目前備受業(yè)界關(guān)注。如果對(duì)此感興趣，就帶你了解太陽能電池的構(gòu)成和相關(guān)的光伏材料。

　　太陽能發(fā)電裝置，通常被稱為太陽能電池，能夠直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能。在太陽能電池板中，太陽釋放的光子使半導(dǎo)體材料的外層電子脫離原子鍵的束縛。當(dāng)電子受迫在同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，便可以產(chǎn)生電流，為電子設(shè)備供電或向電網(wǎng)輸送電力。

　　自從法國物理學(xué)家Alexandre-EdmondBequerel首次將光伏發(fā)在1839年電技術(shù)理論化至今，光伏發(fā)電一直是科研領(lǐng)域的主題之一。目前，隨著美國、日本和歐洲的主要研究團(tuán)隊(duì)在加速推進(jìn)各自太陽能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化，光伏產(chǎn)業(yè)國際市場也持續(xù)擴(kuò)大。

　　光伏組件

　　雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成材料各異，但所有的組件都包括若干層從向光面到背光面的材料。太陽光首先穿過保護(hù)層（通常為玻璃），然后通過透明接觸層進(jìn)入到電池內(nèi)部。在組件的中心是吸附材料，這一層材料吸收光子，進(jìn)而完成“光生電流”。而其中的半導(dǎo)體材料取決于具體的光伏系統(tǒng)需求。

　　在吸附層材料下面是完成電路導(dǎo)通的背金屬層。復(fù)合薄膜層在背金屬層下面，其作用是使光伏組件防水絕熱。通常光伏組件背部會(huì)添加額外的保護(hù)層，保護(hù)層材料為玻璃、鋁合金或塑料。

　　半導(dǎo)體材料

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)中的半導(dǎo)體材料可以是硅、多晶薄膜或單晶薄膜。硅材料包括單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，它比多晶硅光電轉(zhuǎn)換率高。

　　非晶硅中的硅原子是隨機(jī)分布的，其光電轉(zhuǎn)換率也低于單晶硅，但是與晶體硅相比，它能捕捉到更多的光子，同時(shí)在非晶硅中添加鍺或碳進(jìn)行合金化可以增強(qiáng)其這一特性。

　　銅銦硒（Copperindiumdiselenide,CIS）、碲化鎘(cadmiumtelluride,CdTe)和薄膜硅都是常用的多晶薄膜材料，而光電轉(zhuǎn)換率較高的材料如砷化鎵（galliumarsenide，GaAs）也通常包含單晶硅薄膜材料。上述材料都因其獨(dú)特的性能而用于特定的光伏發(fā)電領(lǐng)域。這些特性包括結(jié)晶度、帶隙大小、吸收性能和加工難易程度。

　　外部因素對(duì)半導(dǎo)體的影響

　　晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列順序決定了半導(dǎo)體材料的結(jié)晶度，而太陽能電池的電荷傳輸、電流密度和能量轉(zhuǎn)換效率都要受到結(jié)晶度的影響。半導(dǎo)體材料的帶隙是使電子從束縛狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)（即允許電子傳導(dǎo)）所需的最小能量。帶隙大小通常以Eg表示，它描述的是價(jià)帶和導(dǎo)帶的能量差。半導(dǎo)體材料的價(jià)帶是低能級(jí)，導(dǎo)帶是高能級(jí)。吸收系數(shù)用于表征某特定波長的光子穿透介質(zhì)的距離，它決定了光子被介質(zhì)吸收的能力。吸收系數(shù)由電池材料和被吸收光子的波長決定。

　　各種半導(dǎo)體材料和器件的成本和加工難易程度取決于多種因素，包括材料的種類和使用規(guī)模，生產(chǎn)周期以及電池在沉積室內(nèi)的遷移特性。在具體的光伏發(fā)電需求中，每一個(gè)因素都將起到重要作用。