太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。

一、硅太阳能电池

1．硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示）

由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

2．硅太阳能电池的生产流程

通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。

上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。

二、纳米晶化学太阳能电池

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。

以染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。

阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜）

阴极：镀铂的导电玻璃

电解质：I3-/I-

如图所示，白色小球表示TiO2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

三、染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作

1.制作二氧化钛膜

(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨

(2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜

(3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却

2.利用天然染料为二氧化钛着色

如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。

3.制作正电极

由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。

4.加入电解质

利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。

5.组装电池

把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。

6.电池的测试

在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。

太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。

当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

太陽エネルギーは人類が取り尽くすことのできない再生可能エネルギーである。クリーンエネルギーであり、環境汚染を生じない。太陽エネルギーの有効利用の中で;大陽エネルギー光電利用は近年最も発展が速く、最も活気のある研究分野であり、その中で最も注目されているプロジェクトの一つである。
太陽電池の製作は主に半導体材料を基礎とし、その動作原理は光電材料を利用して光エネルギーを吸収した後、光電変換反応が発生し、使用材料によって、太陽電池は:1、シリコン太陽電池に分けることができる。2.無機塩、例えばヒ素化ガリウムIII-V化合物、硫化カドミウム、銅インジウムセレン等の多化合物を材料とする電池；3、機能高分子材料から調製した大陽エネルギー電池;4、ナノ結晶太陽電池など。
一、シリコン太陽電池
1.シリコン太陽電池の動作原理と構造
太陽電池発電の原理は主に半導体の光電効果であり、一般的な半導体の主な構造は以下の通りである。
図中、正電荷はシリコン原子を表し、負電荷はシリコン原子の周りに4つの電子を表す。
シリコン結晶にホウ素、リンなどの他の不純物が添加されると、ホウ素が添加されると、シリコン結晶には正孔が存在し、その形成は下図を参照することができる。
図中、正電荷はシリコン原子を表し、負電荷はシリコン原子の周りに4つの電子を表す。一方、黄色はドープされたホウ素原子を表し、ホウ素原子の周囲には3つの電子しかないため、図に示す青色の正孔が発生し、この正孔は電子がないため不安定になり、電子を吸収しやすく中和し、P(positive)型半導体を形成する。
同様に,リン原子をドープすると,リン原子には5つの電子があるため,1つの電子が非常に活発になり,N(negative)型半導体を形成する。黄色はリン原子核、赤色は余分な電子である。下図の通りです。
N型半導体にはホールが多く含まれ、P型半導体には電子が多く含まれているため、P型とN型半導体が結合すると、接触面に電位差が形成され、これがPN接合である。
P型とN型の半導体が結合すると,二つの半導体の界面領域に特殊な薄層が形成され,界面のP型側に負の電気を帯び,N型側に正の電気を帯びた。これはP型半導体の多孔質，N型半導体の多自由電子による濃度差のためである。N領域の電子はP領域に拡散し,P領域の正孔はN領域に拡散し,拡散するとNがPを指す「内部電場」が形成され,拡散の進行を阻止する。平衡に達すると,このような特殊な薄層形成電位差が形成され,これがPN接合である。
ウエハが受光されると、PN接合では、N型半導体の正孔がP型領域に移動し、P型領域の電子がN型領域に移動し、N型領域からP型領域への電流が形成される。そしてPN接合に電位差が形成され、これにより電源が形成される。（下図のように）
半導体は電気の良導体ではないので,p‐n接合後に電子が半導体中を流れると抵抗が非常に大きく,損失も非常に大きい。しかし、上層部に金属を全て塗布すると、太陽光が通過せず、電流が発生しないため、入射光の面積を増加させるためにp−n接合(例えば、櫛状電極)を金属メッシュで覆うのが一般的である。
またシリコンの表面は非常に明るく、太陽光が大量に反射し、電池に利用できない。そのため、科学者たちは反射係数の非常に小さい保護膜(図のように)を塗って、反射損失を5%以下に減らした。1つの電池に供給できる電流と電圧は結局限られているので、多くの電池(通常36個)を並列または直列に使用し、太陽光パネルを形成する。
2.シリコン太陽電池の生産プロセス
通常の結晶シリコン太陽電池は厚さ350～450μmの高品質シリコンシート上に作製され、このシリコンシートは、引張りまたは鋳造されたシリコンインゴット上から鋸で切断される。
上記の方法は、実際に消費されるシリコン材料がより多い。材料を節約するために、現在、多結晶シリコン薄膜電池の製造には、低圧化学蒸着(LPCVD)およびプラズマ増強化学蒸着(PECVD)プロセスを含む化学蒸着法が多く用いられている。さらに，液相エピタクシー法（LPPE）とスパッタリング堆積法を用いて多結晶シリコン薄膜電池の作製にも利用できる。
化学蒸着は、主にSiH 2 Cl 2、SiHCl 3、SiCl 4またはSiH 4を反応ガスとし、一定の保護雰囲気下で反応してシリコン原子を生成し、加熱した基板上に堆積するものであり、基板材料は、Si、SiO 2、Si 3 N 4等が一般的に用いられる。しかし,非シリコン基板上に大きな結晶粒を形成することは困難であり,結晶粒間に空隙を形成しやすいことが分かった。この問題を解決する方法は、LPCVDを用いて基板上に薄いアモルファスシリコン層を堆積し、このアモルファスシリコン層をアニールして大きな結晶粒を得た後、この種結晶上に厚い多結晶シリコン薄膜を堆積することである。そのため、再結晶技術は間違いなく重要な一環であり、現在採用されている技術は主に固相結晶法と中区溶融再結晶法がある。多結晶シリコン薄膜電池は、再結晶プロセスのほか、単結晶シリコン太陽電池を調製するほとんどの技術を採用し、得られた太陽電池の変換効率が著しく向上した。
二、ナノ結晶化学太陽電池
太陽電池の中でシリコン系太陽電池は間違いなく発展が最も成熟しているが、コストが高いため、大規模な普及応用の要求を満たすことができない。そのため、人々はずっと工芸、新しい材料、電池の薄膜化などの方面で探求を行って、この中で最近発展したナノTiO 2結晶の化学エネルギーの太陽電池は国内外の科学者の重視を受けます。
色素増感ナノ結晶太陽電池(DSSCs)を例にとると、この電池は主に透明導電膜をめっきしたガラス基板、色素増感半導体材料、対電極、電解質などのいくつかの部分を含む。
アノード：色素増感半導体薄膜（TiO 2膜）
カソード:白金めっき導電ガラス
電解質：I 3-/I-
図に示すように、白色の小球はTiO 2を表し、赤色の小球は染料分子を表す。染料分子は太陽光エネルギーを吸収して励起状態に遷移し,励起状態は不安定であり,電子は隣接するTiO 2伝導帯に急速に注入され,染料から失われた電子は電解質から急速に補償され,TiO 2伝導帯に入った電気は最終的に導電膜に入り,その後外回路を介して光電流を生成する。
ナノ結晶TiO 2太陽電池の利点は、安価なコストと簡単なプロセスと安定した性能にある。その光電効率は10%以上に安定しており、製作コストはシリコン太陽電池の1/5〜1/10にすぎず、寿命は20年以上に達することができる。しかし、このような電池の研究と開発が始まったばかりなので、近いうちに市場に進出する見通しだ。
三、染料増感TiO 2太陽電池の手作り
1.二酸化チタン膜の作製
（1）先に二酸化チタン粉末をすり鉢に入れ接着剤と研磨する
（2）次に、導電性ガラス上にガラス棒でゆっくりと塗膜する
（3）二酸化チタン膜をアルコールランプ下に入れて10～15分間焼結し、冷却する
2.天然染料による二酸化チタン着色
図に示すように、新鮮または凍結した黒梅、ヤマメ、ザクロの種または紅茶にスプーン1杯の水を加えて押出し、二酸化チタン膜を入れて着色し、膜層が濃い紫色になるまで約5分かかり、膜層の両面の着色が不均一であれば、さらに5分間浸漬し、エタノールで洗浄し、柔らかい紙で軽く拭くことができる。
3.正電極を作る
染料で着色されたTiO 2は電子が流出する極(すなわち負極)である。正電極は、導電性ガラスの導電面(導電性を被覆したSnO 2膜層)からなり、簡単な万用時計でガラスの一面が導電性であると判断でき、指でも判断でき、導電面が粗い。図に示すように、非導電面に「+」を付け、鉛筆で導電面にグラファイトを均一に塗布します。
4.電解質添加
太陽電池の電解質としてヨウ素イオン含有溶液を用い,主に染料の還元と再生に用いた。図に示すように、二酸化チタン膜表面に電解質を1〜2滴滴下すればよい。
5.電池を組み立てる
着色した二酸化チタン膜をテーブルの上に向けて置き、膜の上にヨウ素とヨウ素イオンを含む電解質を1〜2滴滴下し、正電極の導電面を二酸化チタン膜の上に下圧した。2枚のガラスを少しずらして、2つのクリップで電池を挟み、2枚のガラスが外に露出して導線を接続します。これで、あなたの太陽電池ができます。
6.電池のテスト
屋外の太陽光の下で、太陽電池が電流を発生できるかどうかを検出します。
太陽電池は光に応答し、光エネルギーを電力に変換できるデバイスである。光起電力効果を生じる材料には、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、ヒ素化ガリウム、セレンインジウム銅など、多くの種類がある。それらの発電原理は基本的に同じであり、現在、結晶シリコンを例に光発電過程を説明している。P型結晶シリコンはリンをドープしてN型シリコンを得ることができ,P−N接合を形成する。
太陽電池の表面に光が照射されると、一部の光子はシリコン材料に吸収される。光子のエネルギーはシリコン原子に伝達され,電子が遷移し,自由電子となってP−N接合の両側に集積して電位差が形成され,外部が回路をオンすると,この電圧の作用で外部回路に電流が流れて一定の出力電力が発生する。この過程の本質は,光子エネルギーを電気エネルギーに変換する過程である。