【课堂】太阳能电池材料及半导体材料的介绍

太阳能发电作为清洁能源领域的“佼佼者”目前备受业界关注。如果对此感兴趣，就带你了解太阳能电池的构成和相关的光伏材料。

　　太阳能发电装置，通常被称为太阳能电池，能够直接将太阳光能转换为电能。在太阳能电池板中，太阳释放的光子使半导体材料的外层电子脱离原子键的束缚。当电子受迫在同一方向运动时，便可以产生电流，为电子设备供电或向电网输送电力。

　　自从法国物理学家Alexandre-EdmondBequerel首次将光伏发在1839年电技术理论化至今，光伏发电一直是科研领域的主题之一。目前，随着美国、日本和欧洲的主要研究团队在加速推进各自太阳能系统的产业化，光伏产业国际市场也持续扩大。

　　光伏组件

　　虽然光伏发电系统的组成材料各异，但所有的组件都包括若干层从向光面到背光面的材料。太阳光首先穿过保护层（通常为玻璃），然后通过透明接触层进入到电池内部。在组件的中心是吸附材料，这一层材料吸收光子，进而完成“光生电流”。而其中的半导体材料取决于具体的光伏系统需求。

　　在吸附层材料下面是完成电路导通的背金属层。复合薄膜层在背金属层下面，其作用是使光伏组件防水绝热。通常光伏组件背部会添加额外的保护层，保护层材料为玻璃、铝合金或塑料。

　　半导体材料

　　光伏发电系统中的半导体材料可以是硅、多晶薄膜或单晶薄膜。硅材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅具有规则的结构，它比多晶硅光电转换率高。

　　非晶硅中的硅原子是随机分布的，其光电转换率也低于单晶硅，但是与晶体硅相比，它能捕捉到更多的光子，同时在非晶硅中添加锗或碳进行合金化可以增强其这一特性。

　　铜铟硒（Copperindiumdiselenide,CIS）、碲化镉(cadmiumtelluride,CdTe)和薄膜硅都是常用的多晶薄膜材料，而光电转换率较高的材料如砷化镓（galliumarsenide，GaAs）也通常包含单晶硅薄膜材料。上述材料都因其独特的性能而用于特定的光伏发电领域。这些特性包括结晶度、带隙大小、吸收性能和加工难易程度。

　　外部因素对半导体的影响

　　晶体结构中的原子排列顺序决定了半导体材料的结晶度，而太阳能电池的电荷传输、电流密度和能量转换效率都要受到结晶度的影响。半导体材料的带隙是使电子从束缚状态过渡到自由状态（即允许电子传导）所需的最小能量。带隙大小通常以Eg表示，它描述的是价带和导带的能量差。半导体材料的价带是低能级，导带是高能级。吸收系数用于表征某特定波长的光子穿透介质的距离，它决定了光子被介质吸收的能力。吸收系数由电池材料和被吸收光子的波长决定。

　　各种半导体材料和器件的成本和加工难易程度取决于多种因素，包括材料的种类和使用规模，生产周期以及电池在沉积室内的迁移特性。在具体的光伏发电需求中，每一个因素都将起到重要作用。