太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓iii-v化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。 一、硅太阳能电池 1．硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： ??? 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成p（positive）型半导体。??? 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成n（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 ??? ??? n型半导体中含有较多的空穴，而p型半导体中含有较多的电子，这样，当p型和n型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是pn结。 ??? 当p型和n型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的p型一侧带负电，n型一侧带正电。这是由于p型半导体多空穴，n型半导体多自由电子，出现了浓度差。n区的电子会扩散到p区，p区的空穴会扩散到n区，一旦扩散就形成了一个由n指向p的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是pn结。 ??? 当晶片受光后，pn结中，n型半导体的空穴往p型区移动，而p型区中的电子往n型区移动，从而形成从n型区到p型区的电流。然后在pn结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示） ??? 由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。 2．硅太阳能电池的生产流程 ??? 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 ??? 上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（lpcvd）和等离子增强化学气相沉积（pecvd）工艺。此外，液相外延法（lppe）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 ??? 化学气相沉积主要是以sih2cl2、sihcl3、sicl4或sih4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用si、sio2、si3n4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 lpcvd在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。 ? 三、纳米晶化学太阳能电池 ??? 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米tio2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。 ??? 以染料敏化纳米晶体太阳能电池（dsscs）为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 ?????? ? ????? ????? 阳极：染料敏化半导体薄膜（tio2膜） ????? 阴极：镀铂的导电玻璃 ????? 电解质：i3-/i- ? ??? 如图所示，白色小球表示tio2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的tio2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入tio2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。 ??? 纳米晶tio2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。 ? 四、染料敏化tio2太阳能电池的手工制作 1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 ? ??? (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜 ? ??? (3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却??? 2.利用天然染料为二氧化钛着色 ??? 如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。 3.制作正电极 ??? 由染料着色的tio2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的sno2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘ ’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 ??? 4.加入电解质 ??? 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 ??? 5.组装电池 ??? 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。 ??? 6.电池的测试 ??? 在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。??? ???
薄膜层结构配以强吸收材料，如铜铟硒化镓(cigs)，已经成为太阳能电池和光伏应用的稳定技术约30年。为了确保尽可能高的效率，光学工程师应该优化电池层使用的材料和厚度。为了帮助完成这项任务，快速物理光学建模和设计软件virtuallab fusion提供了各种工具，如分层介质组件，这使得图层系统的配置易于使用，并且可以通过我们的全面内置数据库选择涂层的材料，或指定其光学特性，如折射率和吸收系数的实部。
在这篇简报中，我们分享了分层介质组件的介绍，以及基于cigs的太阳能电池的模拟设置。
cigs太阳能电池中的吸收 ?
模拟了基于铜铟镓硒(cigs)的太阳能电池，并计算了cigs层中的吸收。
分层介质组件
此使用案例介绍了分层介质组件，并概述了其选项、设置和电磁场解算器。
一、简答
1.描述pn结的形成
激发使“电子-空穴对”增加，复合使“电子-空穴对”减少，一定温度下，这两种过程最终达到动态平衡，形成pn结。在动态平衡状态下，单位时间内激发产生的载流子数目等于因符合消失的载流子数目，因而自由电子（或空穴）的浓度不再发生变化。
2.材料带隙宽度对太阳电池效率的影响/宽窄带隙的优缺点
小的带隙宽度可以拓宽电池对太阳光谱的吸收，但eg的减小使本征载流子浓度ni指数地增加，其结果是大大提高反向饱和电流，使开路电压降低，因此小的带隙宽度引起输出电压的减少。
虽然宽的带隙宽度有利于voc的提高，但过高的带隙宽度使材料的吸收光谱变窄，降低了载流子的激发，减少光电流。
因此，比存在优化的eg值。
3.达到最佳转换效率的因素/提高电池效率的方法（光 电）
（1）硅表面反射率在35%，要减少光的反射损失：最佳减反射的表面织构化技术；最佳前表面减反射涂层技术；最佳后表面反射涂层；最小的栅线遮挡面积。
（2）完美的晶体结构（高纯度、零缺陷）基板应具有很好的结晶完美性、最低的杂质污染率。
（3）理想pn结技术
（4）理想钝化技术：钝化理论：使器件表面或体内晶界的光生载流子复合中心失去复合活性。（钝化技术：二氧化硅，碳化硅etc）
（5）最小接触电阻：se技术。
（6）最大并联电阻，抑制载流子复合。任何形式的复合都会使填充因子ff变小，并联电阻下降。
（7）最佳前场和背场。
4.se结构的优缺点
（1）降低串联电阻，提高填充因子。
（2）减少载流子复合，提高表面钝化效果。
（3）增强电池短波光谱响应，提高短路电流和开路电压。
5.cigs薄膜太阳电池的优点与劣势
（1）材料吸收率高，吸收系数高达10 5量级，直接带隙，适合薄膜化，电池厚度可以做到2-3um，cigs电池采用廉价的soda-lime玻璃做衬底，降低昂贵的材料成本。
（2）光学带隙可调，调制ga/in比，可使带隙在1.0-1.7ev之间变化，可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配。
（3）抗辐射能力强，通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验，光电转换效率几乎不变，在空间电源方面有很强的竞争力。
（4）稳定性好，不存在很多电池都有的光致衰退效应。
（5）电池效率高，小面积可达20%，大面积组件可达14.2%。
（6）弱光特性好，对光照不理想的地区尤显其优异性能。
6.cdte的优点
（1）cdte有一个1.45ev的直接能隙，因此与太阳辐射谱很好地适配。它和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。
（2）cdte强烈地趋向于生长成p型的半导体薄膜，能和cds形成pn异质结（cds具有略宽的能隙2.4ev，在通常的沉积技术中生长成为n型材料）。
（3）用来制造cdte及cds薄膜的技术相当多，而且大多适合大规模生产。已经开发出简单的、适合于低成本产品的沉积技术。
（4）以成熟技术制备的cdte电池，可以期望电流密度达27ma/cm2，开路电压达880mv，从而am1.5的效率为18%。
（5）cdte薄膜太阳能电池在工业规模上成本大大优于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，生产成本仅为0.87美元/w。
（6）工艺相对简单，标准工艺，低能耗，无污染，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。
7.cdte为什么背接触
8.有机太阳电池的工作原理
（1）光照后光敏层吸收光子形成激子（电子-空穴对）
（2）激子扩散到给体/受体界面
（3）给体中的激子将电子转移给受体，受体中的激子将空穴转移给给体，实现电荷分离
（4）电子和空穴分别沿受体和给体向负极和正极传递
（5）电子和空穴在电极/光敏层界面处分别被负极和正极收集产生光电流和光电压
9.量子尺寸效应优势
10.非晶硅特点
短程有序，长程无序
可实现连续物性控制
吸收系数高
光谱匹配性好
叠层结构
正温度系数
11.太阳能电池的结构
二、名词解释
1.本征吸收
价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度的光子使电子从价带跃迁入导带的过程被称为本征吸收。
2.外量子效率
太阳电池收集到的载流子的数量与入射到太阳电池中的光子的数量的比值，能量低于材料带隙的光子不被吸收。
3.表面结构粗糙化
是将电池的表面，蚀刻成金字塔或角锥状的形状，这使得太阳入射光至少要经过两次以上的表面反射，因此降低了来自表面反射损失的太阳光比例。
4.se技术
选择性发射极晶体硅太阳电池，即在金属栅线（电极）与硅片接触部位及其附近进行高掺杂深扩散，在电极之间位置进行低掺杂浅扩散。
5.薄膜
在衬底或基片的固体支撑物表面上，通过物理过程、化学过程或电化学过程使单个原子、分子或离子逐个凝聚而形成的固体薄膜。
6.薄膜的特殊性，缺陷
（1）同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。
（2）由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。
（3）在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能也影响较大。
（4）在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。
缺陷：是指与理想的点阵结构发生偏差的区域。
7.真空
利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走，使该空间内的气压小于1个大气压，则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。
8.吸收系数α的物理含义
当光在介质中传播1/α距离时，其能量减弱到原来的1/e。
9.外延膜沉积技术
外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学关系时，在基片上取向或单晶生长同意物质的方法。
10.反射自由能概念
11.非晶硅的s-w效应（光子衰退效应）
由于光照在带隙中产生了新的深能级。。。
三、选择
1.晶硅（带隙宽度1.12ev）的本征载流子浓度：10次方量级；轻掺杂：17次方；中度掺杂：17-19次方；重掺杂：19次方。
2.直拉法（cz）、区熔法（fz）生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅的区别。
3.电阻率较低的晶体硅基板，会降低由于太阳能电池的串联电阻而引起的能量损耗，但它含有的杂志太多了。
4.一般n型扩散pn结只有约0.5um的厚度，太厚会在表面形成死区，影响电子效率。
5.抗反射层材料：二氧化钛，氮化硅，氧化硅，二氧化硅，氧化铝，ceo2
6.外延膜沉积（薄膜制备技术之一）分类：分子束外延（mbe）、金属有机物化学气相沉积（mocvd）
7.溅射方法：直流溅射 射频溅射 磁控溅射 反应溅射
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