薄膜太陽能電池原理

在化(hua)(hua)(hua)學(xue)電(dian)池(chi)中(zhong)，化(hua)(hua)(hua)學(xue)能直接轉(zhuan)變為電(dian)能是靠電(dian)池(chi)內部自發進行氧(yang)化(hua)(hua)(hua)、還(huan)(huan)原(yuan)等(deng)(deng)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應的結果，這種反應分別在兩個電(dian)極上進行。負(fu)極活(huo)性物質(zhi)(zhi)由電(dian)位(wei)較負(fu)并在電(dian)解質(zhi)(zhi)中(zhong)穩定的還(huan)(huan)原(yuan)劑組成(cheng)，如(ru)鋅、鎘、鉛(qian)(qian)等(deng)(deng)活(huo)潑金(jin)屬和氫或碳氫化(hua)(hua)(hua)合物等(deng)(deng)。正極活(huo)性物質(zhi)(zhi)由電(dian)位(wei)較正并在電(dian)解質(zhi)(zhi)中(zhong)穩定的氧(yang)化(hua)(hua)(hua)劑組成(cheng)，如(ru)二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錳、二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鉛(qian)(qian)、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鎳等(deng)(deng)金(jin)屬氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物，氧(yang)或空氣(qi)，鹵素(su)及其(qi)鹽類(lei)(lei)，含(han)氧(yang)酸(suan)及其(qi)鹽類(lei)(lei)等(deng)(deng)。

電解質則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。當外電路斷開時，兩極之間雖然有電位差(開路電壓(ya))，但沒(mei)有電(dian)(dian)(dian)(dian)流，存(cun)儲在電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)中(zhong)的化學(xue)能并不(bu)轉換為電(dian)(dian)(dian)(dian)能。當(dang)外(wai)(wai)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)閉合時，在兩(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)(dian)位差的作用下即有電(dian)(dian)(dian)(dian)流流過外(wai)(wai)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。

同(tong)時在(zai)電(dian)(dian)池內部，由(you)于電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)中不(bu)存在(zai)自由(you)電(dian)(dian)子，電(dian)(dian)荷的傳遞必然伴隨兩極活(huo)性物質(zhi)與(yu)電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)界面(mian)的氧化或(huo)還原反應，以及反應物和(he)反應產物的物質(zhi)遷移。電(dian)荷在(zai)電(dian)解質中的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)遞也要(yao)由離(li)子的(de)(de)(de)遷(qian)移來完(wan)成。因(yin)此，電(dian)池內部正(zheng)(zheng)常(chang)的(de)(de)(de)電(dian)荷傳(chuan)(chuan)遞和物質傳(chuan)(chuan)遞過程(cheng)(cheng)是保(bao)證(zheng)正(zheng)(zheng)常(chang)輸(shu)出電(dian)能的(de)(de)(de)必要(yao)條件。充電(dian)時，電(dian)池內部的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)電(dian)和傳(chuan)(chuan)質過程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)方(fang)向恰與放電(dian)相(xiang)反；電(dian)極反應必須是可逆的(de)(de)(de)，才能保(bao)證(zheng)反方(fang)向傳(chuan)(chuan)質與傳(chuan)(chuan)電(dian)過程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)常(chang)進(jin)行。

因此，電(dian)(dian)極反(fan)(fan)應可逆是構成蓄(xu)電(dian)(dian)池的必要條(tiao)件。為吉布斯反(fan)(fan)應自由能(neng)增量(焦)；F為(wei)法拉第(di)常(chang)數=96500庫=26.8安(an)·小(xiao)時；n為電(dian)(dian)池(chi)反(fan)應的(de)(de)當量(liang)數。這是(shi)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)(shi)與(yu)電(dian)(dian)池(chi)反(fan)應之間的(de)(de)基本熱(re)力(li)學(xue)關系式(shi)，也是(shi)計算電(dian)(dian)池(chi)能(neng)量(liang)轉換(huan)效率(lv)的(de)(de)基本熱(re)力(li)學(xue)方(fang)程(cheng)式(shi)。實(shi)際(ji)上，當電(dian)(dian)流流過電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)時，電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)勢(shi)(shi)都要偏離(li)熱(re)力(li)學(xue)平衡的(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)勢(shi)(shi)，這種現象稱為極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)。電(dian)(dian)流密度(du)（單位電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)面(mian)(mian)積上通過的(de)(de)電(dian)(dian)流）越(yue)大，極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)越(yue)嚴(yan)重(zhong)。極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)現象是(shi)造成電(dian)(dian)池(chi)能(neng)量(liang)損(sun)失的(de)(de)重(zhong)要原因(yin)之一(yi)。極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)的(de)(de)原因(yin)有三：①由(you)(you)電(dian)(dian)池(chi)中各(ge)部分電(dian)(dian)阻造成的(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)稱為歐姆極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)；②由(you)(you)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)－電(dian)(dian)解(jie)質界面(mian)(mian)層(ceng)中電(dian)(dian)荷傳遞(di)過程(cheng)的(de)(de)阻滯造成的(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)稱為活(huo)化(hua)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)；③由(you)(you)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)－電(dian)(dian)解(jie)質界面(mian)(mian)層(ceng)中傳質過程(cheng)遲緩而造成的(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)稱為濃差極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)。減(jian)小極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)的(de)(de)方(fang)法是(shi)增大電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)反(fan)應面(mian)(mian)積、減(jian)小電(dian)(dian)流密度(du)、提高反(fan)應溫度(du)以及改善電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)催化(hua)活(huo)性。

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薄膜太陽能電池優缺點

薄膜型太陽能電池由于使用材料較少，就每一模塊的成本而言比起堆積型太陽能電池有著(zhu)明(ming)顯的減少，制造程序(xu)上所(suo)需(xu)的能量也(ye)較堆(dui)積型太陽能電池(chi)來的小，它(ta)同(tong)時也(ye)擁有整合型式(shi)的連接模塊，如(ru)此(ci)一來便可省(sheng)下了獨立模塊所(suo)需(xu)在(zai)固定(ding)和內(nei)部連接的成本。

未來薄膜型太陽能電池將可能會取代現今一般常用硅太陽能電池，而成為市場主流。非晶硅太陽能電池與單晶硅太陽能電池或多晶硅太陽能電池的最主要差異是材料的不同，單晶硅太陽能電池或多晶硅太陽能電池的材料都疏，而非晶硅太陽能電池的材料則是SiH4，因為材料的不同而使非晶硅(gui)太陽能(neng)電(dian)池的構造與晶硅(gui)太陽能(neng)電(dian)池稍有不同。

SiH4最大(da)的優點為吸光(guang)效果(guo)及光(guang)導效果(guo)都很(hen)好(hao)，但其電氣特性類似絕緣體，與硅的半導體特性相差甚遠，因此最初(chu)認為SiH4是不適(shi)合的(de)材(cai)料。但在1970年(nian)代科學家克服了這個問題，不久后美國的RCA制造(zao)出第一個非晶硅太陽(yang)能電池。雖然SiH4吸光(guang)效(xiao)(xiao)果及(ji)光(guang)導效(xiao)(xiao)果都很好，但由于其結晶(jing)構造比多晶(jing)硅(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能電池差，所以懸浮鍵的(de)問(wen)題(ti)比多晶(jing)硅(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能電池還(huan)嚴重(zhong)，自由電子與電洞復(fu)合的(de)速率非常快；此外SiH4的結晶構造不規則會阻(zu)礙(ai)電(dian)子(zi)與電(dian)洞的移動使(shi)得(de)擴散范圍(wei)變短。

基于以上(shang)兩個(ge)因素，因此(ci)當光照射在SiH4上產生(sheng)電(dian)子(zi)(zi)電(dian)洞對(dui)后，必須(xu)盡快將電(dian)子(zi)(zi)與電(dian)洞分離，才能有效(xiao)產生(sheng)光電(dian)效(xiao)應。所以非晶硅太陽(yang)能電(dian)池大多(duo)做得很薄，以減少自由電(dian)子(zi)(zi)與電(dian)洞復合。由于SiH4的(de)吸(xi)光效果很好，雖然(ran)(ran)非(fei)晶硅太陽(yang)能電池做得很薄，仍然(ran)(ran)可(ke)以吸(xi)收(shou)大部分的(de)光。

非晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)池最大(da)的優點(dian)(dian)為成本低，而缺點(dian)(dian)則是效率低及光電(dian)轉換效率隨(sui)使用(yong)時間衰退的問題。因此非晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)池在小電(dian)力市場上(shang)被(bei)廣泛使用(yong)，但在發電(dian)市場上(shang)則較不(bu)具競(jing)爭力。