太阳能电池

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。指光

照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首

先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电

压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

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

电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池

则还处于萌芽阶段。

原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，

光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效

应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换

方式。

基本特性

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。具体解释如下

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，大于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。

分类

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）

两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜

形又分为非结晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、

ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌 (Zn 3 p 2 ）等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化

合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、

有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用

中居主导地位。

课件：

小结：

扫描速度增大，炭的比容量下降，不同的炭有不同的下降速率。

对于比表面积较大且以微孔为主的炭，扫描速度较小时具有很大的比容量，但当扫描速度增

加时，比容量下降得非常快。

对于中大孔为主的炭，虽然在较小的扫描速度比容量不大，但是随着扫描速度的增加，比容

量减少得比较小。

PEMFC质子交换膜

质子交换膜是PEMFC的关键部位，它直接影响电池性能与寿命。用于PEMFC的质子交换

膜必须满足下述条件：

+

1.具有高的H

传导能力，一般而言电导率要达到0.1S/cm的数量级；

2.良好的化学和电化学特性；

3.低的反应气体如氢、氧气的渗透参数；

4.制作时有一定的粘弹性，以利在制备膜电极三合一时催化层与膜的结合，减少接触电极；

5.具有一定的机械强度。

双极板的功能要求：

1.实现电池之间电的联结，因此它必须由导电良好的材料构成；

2.将燃料（如氢）和氧化剂（如氧）通过双极板，密封件等构成的公用孔道，经各个电极的

进气管导入各个电池，并由流场均匀分配到电极各处；

3.因为双极板两侧的流场分别是氧化剂和燃料通道，所以双极板必须是无孔的，实现氧化剂

与燃料的分隔；

4.构成双极板的材料必须在PEMFC运行条件下抗腐蚀，以达到电池组的寿命要求，一般为

几千小时至几万小时；

5.因为PEMFC电池组效率一般在50%左右，双极板材料必须是热的良导体，以利于电池组

废热的排出；

6.成本低，易加工材料。

固体氧化物燃料电池（SOFC）的特点：

1.采用全固体结构，无电解液流失和腐蚀问题；

2.无需贵金属做电极催化剂，资源

6.成本低，易加工材料。

固体氧化物燃料电池（SOFC）的特点：

1.采用全固体结构，无电解液流失和腐蚀问题；

2.无需贵金属做电极催化剂，资源有保障；

3.供选择的燃料范围广（可以直接利用氢气、天然气、煤气，甚至是汽油、煤油）；

4.排放的预热温度高，便于综合利用；

5.无CO中毒问题，事实上CO可以直接作为SOFC的燃料。

SOFC电极材料的要求：

1.多孔性，允许反应气体容易地扩散到三相界面，并增大催化反应表面；

2.高的电子导电性；

3.与固体电解质有高的化学和热相容性以及相近的热膨胀系数；

阳极材料

金属（Co，Ni）

Ni-YSZ金属陶瓷（cermet）阳极（目前使用的）

阴极材料

电化学催化基本过程：

1.反应物向催化剂表面的扩散；

2.反应物在催化剂表面上的吸附；

3.被吸附的反应物在表面上相互作用；

4.产物由催化剂表面上脱附；

5.产物离开催化剂表面向周围介质扩散。

MEA催化层优化分析

催化层添加PTFE：促进气体传质，增大电池内阻，减小催化剂活性表面积（过量时）

MEA性能随PTFE含量增加先升后降

无法高温处理----分散性不好

结论：阳极推荐含量10%，阴极不推荐加入PTFE