光電轉換電池材料

光電轉換電池材料，能將吸收的太陽能轉換為電能並用於製備電池的材料。所制電池稱光電轉換電池，簡稱太陽電池、光電池。

太陽能是一種巨大的能源，地球上一年中接收到的太陽能高達1.8×1018千瓦·時。太陽電池是最清潔的能源，其套用非常廣泛。

基本介紹

• 中文名：光電轉換電池材料
• 別名：太陽電池、光電池

種類製備

光電轉換電池材料按原理和電池結構分為半導體太陽電池材料、光電化學電池材料和有機光電轉換電池材料。

常用的是半導體太陽電池材料，主要有矽太陽電池材料，包括單晶矽、多晶矽和非晶矽；化合物半導體太陽電池材料，如Ⅲ–Ⅴ族、Ⅱ–Ⅵ族化合物半導體，多以薄膜形式套用。有機光電轉換電池材料是正在發展的一種太陽電池材料，它擬合光合作用中心，基本反應單元由有機分子組成。光電轉換電池材料的製備工藝依材料種類、形態而異。單晶材料主要採用直拉法和區熔法製備。薄膜材料可採用外延生長、氣相沉積、濺射、真空蒸發等工藝方法製備。有機光電轉換電池材料採用有機合成等方法製備。尋求大面積、高效率、長壽命、低成本、抗輻射、重量輕的光電轉換電池材料是其發展方向。

工作原理

半導體太陽電池材料的工作原理是：將相同材料或兩種不同半導體材料做成PN結電池結構，當太陽光照射其表面時，通過PN結產生的光生伏打效應將太陽能轉換為電能。實現這一光電轉換的過程是：電池材料在陽光照射下，吸收了能量大於其禁頻寬度的光子，在N區耗盡區和P區激發產生光生電子–空穴對；光生電子–空穴對在耗盡區產生後，立即被內建場分離，光生電子進入N區，而光生空穴被推入P區。根據耗盡近似條件，耗盡區邊界處的載流子濃度近似為零。在N區中，光生電子–空穴對產生以後，光生空穴便向PN結邊界擴散，一旦到達PN結邊界，立即受到內建電場作用，被電動力牽引作漂移運動，超過耗盡區進入P區，而光生電子（多數載流子）則被留在N區。P區中的光生電子（少數載流子）同樣地由擴散、漂移進入N區，光生空穴（多數載流子）留在P區。如此便在PN結兩側形成正、負電荷的積累，產生了光生電壓。這一過程就是半導體光電轉換電池材料工作的原理，即光生伏打效應。當光電轉換PN結構電池材料做上電極形成光電池並接上一負載後，光電流就從P區經負載流向N區，負載中即得到電功率輸出。

光電特性

表征參數有以下6種：

①光電轉換效率。電池受光照射後，其輸出電功率與入射光功率之比。

②填充因子。電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。③短路電流。受光照的電池被短路，PN結處於零偏壓時的電流。④開路電壓。電池受光照而未接負載時兩端出現的光電壓。⑤光譜回響。電池對各種光譜輻照度的回響。回響是指一定能量的單色光入射到電池表面時，所產生的光生載流子被收集後形成的光生電流的大小。

⑥抗輻照特性。光電池抵抗空間各種射線輻照損傷的能力。它影響電池在空間使用的壽命。

材料選擇

光電池的質量除與器件工藝有關外，起決定作用的是材料特性，主要材料特性參數有以下4種：

①禁頻寬度。半導體的導帶最低能量與價帶最高能量的間隙，它決定光電池的光電轉換效率、光電池的開路電壓和短路電流的理論值。

②少數載流子（簡稱少子）的擴散長度和壽命。它對光電池的反向飽和電流和收集光生載流子的效率有影響。

③光學性質。只有大於材料禁頻寬度的那些光子，才能產生本徵吸收，有利於提高光電轉換效率。

④晶體完整性。材料的完整性影響遷移率、少子壽命和光吸收等電學和光學特性，從而影響光電池特性。