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。
三、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。
四、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。
一．无光照时单个PN结导电机理
图一是在PN结即将接触时的情况。当PN结即将接触时，还没有形成空间电荷层，在P型半导体中的多子为Ph，少子为Pe。由于热激发，在P型半导体中的多子和少子的数量有一确定值，用下式表示：Ph x Pe=C（T），也就是说在一确定温度下Ph x Pe的乘积是确定值。从数量级上来说Ph>>Pe，从图一中看来，每个受主都会电离一个空穴（图一标注为①），当然也会在内部产生少量电子（图一中标注为②）。N型的情况和P型类似型，N型半导体中的多子为Ne，少子为Nh。由于热激发，在N型半导体中的多子和少子的数量有一确定值，用下式表示：Ne x Nh=C（T），也就是说在一确定温度下Ne x Nh的乘积是确定值。从数量级上来说Ne>>Nh，从图一中看来，每个失主都会电离一个电子（图一标注为③），当然也会在内部产生少量空穴（图一中标注为④）。
当P、N型半导体接触时，形成PN结，如图二显示。在接触后电学性能稳定下来以后，在PN结的接触面上形成了空间电荷区，空间电荷区的形成是由于空穴和电子中和，留下带电的离子，电场方向从N指向P。
PN结内存在两种电流：1扩散电流Id：是多子的运动，对与PN结来说就是空穴从P区移动到N区而产生的电流以及电子从N区流动到P区产生的电流。2漂移电流，在空间电荷区的作用下形成的电流，对于PN结来说就是空穴从N区流到P区以及电子从P区流到N区产生的电流。扩散电流和漂移电流的方向是相反的
在PN结刚接触还未形成空间电荷区时，P区的空穴（P区的多子）比N区的空穴（N区的少子）多，此浓度差使P区的空穴向N区运动，此运动形成的电流为空穴扩散电流，用Ih表示。与此同时，N区的电子（N区的多子）比P区的电子（P区的少子）多，此浓度差使N区的电子向P区运动，此运动形成的电流为电子扩散电流，用Ie表示。可以看出，扩散总电流Id=Ih+Ie。要注意的是，此时PN两区的少子是不会移动到另一区的。由于扩散的进行，p区的空穴和N区的电子在界面处中和，形成了空间电荷区，刚开始时的空间电荷区是很薄的，空间电荷区的电厂会阻碍两区多子的移动，同时会增加少子的移动。也就是说，随着空间电荷区的增大，扩散电流下降，漂移电流上升。当扩散电流和漂移电流大小相等时，空间电荷区就不再增大，PN结达到电学平衡，所以这种平衡是动态的平横，如果外界条件有变化，比如有光照时，空间电荷区和扩散和漂移电流都会变化。
事实上，上述的分析都是PN结接触瞬间就完成的，在用户手中的PN结都是处于电学平衡态的。
无光照情况下的半导体自身事不会发电的，接上负载也没有用。
二．如果PN结作为器件时，其作用是正向导通，而反向截止。如图三
图三
当PN结正向导通时，也就是P区加正电压，N区加负电压，则外加电场和空间电荷区电场方向相反，这使得空间电荷区的电场强度减小，空间电荷区减小，这将导致扩散电流增大，而漂移电流减小，从宏观上看，PN结内扩散电流为主要电流，就是P区空穴从P区运动至N区产生的电流和N区的电子移动到P区的电流之和，整个电流回路如上图电流I所示。E为没有偏压时的空间电荷区场强，e为外电场，结区的电场强度为E-e
图四
如图四，P区加负电压，而N区加正电压时，称为反向偏置。当反向电压比较小时，则外加电场和空间电荷区电场方向同向，这使得空间电荷区的电场强度增大，空间电荷区增大，这将导致扩散电流减小，而漂移电流增大，从宏观上看，PN结内漂移电流为主要电流，就是P区电子从P区运动至N区产生的电流和N区的空穴移动到P区的电流之和。但是由于这是少子的运动，漂移电流仍然很小，从宏观上看，PN结处于截止状态，即不导通状态。这个微小的电流称为反向饱和电流（如果我没有记错的话），反向饱和电流和外加的反向偏执成正比关系。可以想象，如果外加电场e太大，使得整个PN结都变为空间电荷区，则漂移电流也会变得很大，从而将PN结击穿。
三．有光照情况下的PN结内部空间电荷区和扩散和漂移电流都会变化情况。
在有光照的情况下，光子会使PN结产生电子-空穴对，也就是说两区内的多子和少子比起无光照时的数量要多。由于两区的多子浓度增加，多子和少子会继续向另一区扩散，从而增大了空间电荷区。一直到扩散电流等于漂移电流时，空间电荷区不会再继续增大。图五和图六显示了无光照到有光照情况下的扩散电流和漂移电流变化情况
在t1时刻前，是无光照的情况，此时PN结是电学平衡，有I扩=I漂；+从t1+时刻开始加光照，两区的多子和少子都增加，多子会向另一区移动，扩散电流会一下子达到一个较大的值，如图4中的A所示，随着扩散的进行，空间电荷区增大，又开始阻碍扩散电流，扩散电流会减小；于此同时，由于空间电荷区的增大，漂移电流会变大，到达t2时刻时，又达到新的稳态，即有光照情况下的PN结电学平衡。图4和图5+可以看出I扩<I扩’，I漂<I漂’，I扩=I漂。
在有光照时加上负载，PN结就相当于电池，负载就是用电器，此时负载就可以工作了。
那么加载在负载上的电压是来自哪里，加载的电压大小又是多少呢？
我们可以考虑一下下面这种情况：PN结在没有光照和有光照情况下的区别是，空间电荷区增大，漂移和扩散电流增大，也就是说，负载用的电是由于光子转化成电子空穴，供给个负载使用的，因此在负载上的电压就是E负载+=E’-+E-Ei，其中E’是有光照时的空间电荷区，E是无光照时的空间电荷区，Ei是加载在PN结电阻上的电压。
如图七所示，PN结外部的电流是多子的移动，而内部的电流是源于少子的移动。
图七
不好意思，我不能上传图片，需要图片见我的空间
http://495875986.qzone.qq.com/ 见有我的工作日志：PN结分析
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