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第一章绪论

1。1 引言

随着世界总人口的持续增长和现代化经济的快速发展，人们对于能源的需求与日剧增。在目前的能源消费结构中，主要是依靠煤、石油、天然气等传统的化石燃料。然而这些资源在地球上的储量非常有限，据统计，全球石油可开采约45年，煤炭约230年，天然气约61年[1]。随着全球人口的急剧增长，世界化石燃料的供应正面临严重短缺的危机局面。另一方面，化石燃料的燃烧会造成环境的污染，导致全球气候变暖、海平面上升、沙漠化日益扩大等现象。因此，治理大气环境，减少温室气体的排放已刻不容缓，这就使得人们把目光转向了那些清洁的可再生资源。目前，这类资源主要有太阳能、生物能、地热能、风能、核能、氢能、潮汐能，其中越来越受到世界各国关注的太阳能具有能量巨大、清洁无害、是取之不尽用之不竭的可再生资源等特点。

太阳能的利用方式主要是光电转换和光热转换两种。光热转换的主要应用形式在太阳能热水器。而光电转换的主要应用在太阳能电池上，太阳能电池也叫光伏电池，利用半导体器件吸收太阳能，通过“光生伏特”效应产生电流和电压的一种装置。硅凭借其在地壳中含量丰富、合适的禁带宽度、性能稳定和无污染等特性而成为太阳能电池的首选材料，目前基于晶体硅的太阳能电池在整个太阳电池产业中占有90%的市场份额[1]。衡量太阳能电池性能好坏的主要标准是电池的光电转换效率和生产成本两个要素，至今为止，单晶硅的转换效率最高可达到25%。而就生产成本而言，基于有机物的太阳能电池相对较低，并且制备简便，但是其电池转换效率却非常低，目前报道过的有机太阳能电池实验室最高转换效率为10。6%[2]。为了能够同时利用无机物高转换效率和有机物的低生产成本、易制备等优点，基于无机/有机物的杂化太阳能电池成为了人们越来越关注的一类电池。论文网

我国的太阳能资源极为丰富，全国各地的太阳年辐射总量都非常高。尤其是我国的西藏地区，那里太阳能资源最丰富。因为青藏高原地区广阔，平均海拔高度最高，大气层清洁，纬度低，日照时间长，从而造就这里极为丰富的太阳能资源。如何利用好太阳能资源使之造福于人类至关重要。太阳能电池的出现不仅仅缓解了能源问题危机和环境危机，而且还能充分利用到这类丰富的太阳能资源。我国对太阳能电池的研发也越来越重视，早在2011年国家就提出十二五期间我国太阳能电池的装机容量要达到15GW。就目前的能源使用格局而言，太阳能使用将会替代传统能源，并成为我国乃至世界能源的主要供给。太阳能电池的发展符合了目前的能源利用发展趋势。因此，我们要大力发展太阳能电池，充分利用太阳能资源。我们相信在未来不久光伏发电产业将会大大造福于人类。

1。2 太阳能电池的基础

1。21 固体能带理论

半导体材料是太阳能电池的基础构件，绝大部分半导体材料都是晶体，要想了解太阳能电池首先要对半导体材料做一定的了解，固体能带理论描述了能带的形成还解释了半导体材料的导电机理，即电子在固体中的运动状态。为太阳能电池的出现及发展提供了理论基础。

晶体是由各晶格原子（分子）组成，就孤立原子而言，孤立原子主要是由单个原子核及核外电子所构成，电子只能在各个允许的壳层上运动。电子围绕原子核运动，处于一系列特定运动状态，称作量子态。在每一个量子态中电子的能量是固定不变的，叫做能级。而在晶体中，各原子相互靠的很近，不同原子间的内外壳层都有了一定的重叠，重叠壳层中的电子就不再属于原来的原子独自所拥有，可通过量子态相同且相互重叠的壳层转移到相邻的原子上去，被整个晶体所拥有，这就是晶体中的共有化运动。共有化运动使得孤立原子的单一能级分裂成为能带。每一个能带由许多极近的能级所组成。这些可以被电子所占据的能带称为允带；两个允带之间的间隙不允许电子存在，称为禁带；未被电子填满的能带或空能带称为导带；已被电子填满的能带称为满带或价带。如图1-1，E0表示导带底，Ev表示价带顶，导带最低点和价带最高点之间的能量差为禁带宽度Eg。满带中的电子在外电场的作用下不能移动，因此满带中的电子不起导电作用，只有导带中的电子才能够起导电作用。就硅原子而言，每个硅原子都有价电子，价电子因为被原子核吸引而不能随意离开。如果给某个价电子的能量大于或等于Eg，则价电子就能够脱离原子核的束缚，就称这个价电子进入了导带，可以在整个晶体中起到传导电流的作用。可以想到，在导带和价带中间是不会存在电子的，因为所给予电子的能量如果小于Eg，则无法脱离原子核的束缚。因此称这一区域为禁带，禁带宽度就是Eg。电子吸收了能量Eg后被激发至导带中，则在价带中会留下一个空穴。因为电子带负电，所以空穴等同于带同等电量的正电荷。空穴一样也可以传输电流，它是通过与价带中的电子交换位置来实现的，所以空穴传导的电流方向与电子传导的电流方向实际上是相反的。对于本征半导体而言，一个电子从价带被激发至导带中，在价带中就会留下一个空穴。所以在本征半导体中电子数与空穴数保持相同。