太阳能电池原理是什么呢？不知道的小伙伴来看看小编今天的分享吧！
太阳能电池原理：
太阳能电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，又称为“太阳能芯片”或“光电池”，它只要被满足一定照度条件的光照度，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光伏效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。
1、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。
以上就是小编今天的分享了，希望可以帮助到大家。
有了Ta，太阳能真的可以触手可及！
太阳能电池板（图片来源：leckon.com）
当钙钛矿遇到太阳能电池
1839年，俄罗斯矿物学家 L.A.Perovski 研究存在于乌拉尔山的变质岩中的钛酸钙 (CaTiO3) 时,首次提出钙钛矿 (Perovskite) 这一晶体结构（通式为ABX3，见下图）。没错，钙钛矿也正是以 L.A.Perovski 的名字而命名的。大名鼎鼎的高温超导铜氧化物 YBCO(YBa2Cu3O7)，庞磁电阻材料 LSMO(La1-xSrxMnO3) 都是钙钛矿家族中的一员
钙钛矿晶体结构示意图（图片来源：参考文献[4]）
太阳能作为人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，光电转化一直是热门的研究领域。而把太阳能转换为电能的能量转换器就是太阳能电池。太阳能电池的发展经历了第一代太阳能电池——单晶硅太阳能电池（高纯硅成本高、耗能高），第二代太阳能电池——以非晶硅、铜铟镓硒薄膜、碲化镉等薄膜为代表的薄膜太阳能电池（虽然降低了成本，但是效率低，稳定性不够好）。
现有的几类太阳能电池造价以及效率对比图（图片来源：参考文献[5]）
一直到最近几年，钙钛矿太阳能电池（第三代太阳能电池 ）异军突起，仅仅四年就从日本桐荫横滨大学的 Tsutomu Miyasaka 组于 2009 年首次提出钙钛矿染料敏化太阳能电池时的 3.8% [1] 达到了 15.4% [2] 的转换效率，而2018年 6 月更是报道达到了 25.2% 的能量转换效率 [3]。以高效薄膜技术为主导的第三代太阳能电池（包括钙钛矿太阳能电池）以其较低的成本以及较高的光电转换效率，逐渐在光电转化方面大放异彩。
钙钛矿太阳能电池发光原理
钙钛矿太阳电池通常是由 FTO 透明导电玻璃、TiO2 致密层、钙钛矿吸收层、空穴传输层 (HTM)、金属背电极五部分组成。 钙钛矿太阳电池的工作原理如图所示。钙钛矿化合物在光照下吸收光子，价带电子受激跃迁到导带，接着将导带电子注入到 TiO2 的导带，再传输到 FTO，同时，空穴传输至有机空穴传输层，从而电子-空穴对（也叫“激子”）发生分离，当接通外电路时，电子与空穴的移动（分别流向电池的阴极和阳极）将会产生电流。
钙钛矿太阳电池中致密 TiO2 作为阻挡层。在 FTO 与 TiO2 之间形成了肖特基势垒，有效地阻止了电子由 FTO 向 HTM 及空穴由 HTM 向 FTO 的回流。
钙钛矿电池结构示意图（图片来源：参考文献[4]）
钙钛矿作为吸收层，在电池中起着至关重要的作用。以 CH3NH3PbI3 为例，钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收 800nm 以内的太阳光，对蓝光和绿光的吸收明显要强于硅电池。且钙钛矿晶体具有近乎完美的结晶度，极大地减小了载流子复合，增加了载流子扩散长度，这些特性使得钙钛矿太阳电池表现出优异的性能。
此外，钙钛矿作为三元组分的材料，A 离子用于晶格内的电荷补偿，而且改变粒子的大小可影响材料的光学性质和禁带宽度；B 离子可影响半导体的禁带宽度，通过 B 离子大小的调节可以实现拓宽材料吸收光谱的作用；而 X 位离子半径的增加也可以使吸收光谱向长波段移动等。因此，钙钛矿体系拥有无限的可调控的空间。
（图片来源：参考文献[8]）
钙钛矿太阳能电池的劣势
然而，没有材料是完美的。钙钛矿太阳能电池亦是如此，就以目前性能较好的 CH3NH3PbI3，首先，Pb 作为可溶性重金属，易对环境造成污染，其次，钙钛矿太阳能电池暴露在空气中，会和空气中的水/氧气发生反应，从而导致光电转换效率大幅下降，同时也就意味着。同时，实验室制备钙钛矿太阳能电池一般都是小面积制备 (约 0.3cm2)，面积放大会导致转换效率急剧下降，同时制备方法（旋涂法）也不适合大面积商业化生产。
新一代钙钛矿材料的尝试
面对这些问题，科学家们将目光投向无铅钙钛矿材料甚至是双钙钛矿材料,通过将 CH3NH3PbI3 的 B 位原子利用 Sn 代替来获得绿色、高效而成本低廉的太阳能电池，尽管目前固态锡太阳能电池光电转换效率仅约 6%，但是相信通过离子的掺杂，材料结构的调节，在不远的将来可能会发展出更具潜力的钙钛矿材料。当然，利用其它元素代替 B 位达到绿色环保的尝试还有很多，如下图所示。
利用锡 (Sn), 锗 (Ge) 等元素对铅元素 (Pb) 进行替换, 从而达到绿色环保的效果（图片来源：参考文献[9]）
此外，低维钙钛矿材料（即在 A 位插入有机胺离子）也是钙钛矿型光伏材料体系中的一颗新星，其表现出对水、热以及光照等极好的稳定性，有望解决传统三维钙钛矿太阳能电池被人们所诟病的稳定性问题（寿命差），但是有机胺的引入或多或少都会影响薄膜的电学性质，因此在未来的低维钙钛矿光伏器件的研究中，也依然有许多问题需要去解决。
（图片来源：参考文献[10]）
参考文献:
[1] J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050–6051 (2009)
[2] Nature 501, 395–398 (2013)
[3] Nature Materials 17, 820-826 (2018)
[4] Nature Photonics 8, 506 (2014)
[5] M. A. Green, Third Generation Photovoltaics 2006, Springer.
[6] ACS Energy Lett. 1, 1233−1240 (2016)
[7] ACS Energy Lett. 2, 889−896 (2017)
[8] Sol. RRL 2, 1700175 (2018)
[9] Adv. Mater. 29, 1605005 (2017)
[10] Chem. Commun. 52, 13637-13655 (2016)
出品 | 科普中国
制作 | 中科院物理所科学传播协会
监制 | 中国科学院计算机网络信息中心
编辑：可乐不加冰、Cloudiiink
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