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太阳能电池技术原理及其应用学院化学与生物工程学院专业应用化学班级 0911 班学生姓名李杰学号 0920109108 指导教师刘成宝完成时间 2013 年 4 月 7 日太阳能电池技术原理及其应用- 1 - 太阳能电池技术原理及其应用摘要倡导绿色环保，清洁高效，清洁能源是当今的时代主题，越来越受到各国的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域。人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力 , 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来 , 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。目前太阳能光伏发电大体上分为太阳电池片的研究和光伏系统的研究两个部分。通常来讲，这两个部分的研究是相对独立的。不过随着研究的日益深入，太阳电池片和光伏系统的研究都遇到很多问题，要求我们必须要从全局考虑，将这两方面共同考虑和研究。目前的太阳电池片发展迅速，转换效率越来越高，但是仍然面临着一些未解决的基础问题。本文介绍了太阳能电池的原理和发展 , 以及各类新型太阳能电池 , 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。关键词太阳能材料单晶硅材料电池多晶硅材料电池非晶硅薄膜化合物薄膜光伏效应1. 引言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。为此，人们研制和开发了太阳能电池。本文介绍了太阳能电池的原理和发展 , 以及各类新型太阳能电池 , 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。太阳能光伏发电是指通过以太阳电池为核心的光伏系统，把太阳光转换为电能的一种技术。通过各国光伏科研工作者的不懈努力，近 10 年来太阳电池技术的发展非常迅速，世界太阳电池产业的平均增长速度达到 41． 3％，是发展最快的新兴产业。太阳能电池技术原理及其应用- 2 - 2. 太阳能电池原理太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。太阳电池发电的原理是基于光伏效应当太阳光或其他光照射到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子 - 空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，于是负载中就有电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。在同一片半导体基片上，分别制造 P型半导体和 N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了 PN结。其中 N型区的电子和 P型区的空穴向对方扩散，直到所形成的电场阻止载流子进一步扩散，从而形成内建电场。漂移运动P型半导体内电场 E N型半导体扩散运动光I 太阳能电池技术原理及其应用- 3 - PN结具有单向导电性A ） PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是 P区加正、 N区加负电压。B ） PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是 P 区加负、 N区加正电压。当太阳光照射到半导体表面，半导体内部 N区和 P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度 Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到 P N 结区，通过 P N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与 P N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。3. 太阳能电池的种类及研究现状根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以简单介绍。3.1 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池，硅的禁带宽度为 1.leV ，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到 12 一 16，而实验室记录的最高转换效率为 24.4 ％。3.2 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单晶硅比较，多晶硅半导体材料的价格比较低廉，相应的电池单元成本低，非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在着较多的晶拉间界而有较多的缺点，转换效率不够高，提高多晶硅太阳能电池的转换效率就是目前许多科学家的研究方向。太阳能电池技术原理及其应用- 4 - 3.3 化合物太阳能电池化合物太阳能电池包括 III V 族化合物电池和 II VI 族化合物电池。 III V族化合物电池主要有 GaAs电池、 InP 电池、 Gasb电池等； II VI 族化合物电池主要有 CaS/Culnse 电池、 CaS/CdTe电池等。上世纪七十年代末，以 GaAs为代表的 III V族化合物电池材料（包括叠层电池材料），因具有很高的光电转换效率和优异的抗辐射性能而受到重视，发展很快。最新的一项研究成果就是在加利福尼亚获得了一种变质处理的三叠层 GaInP /GaInAs /Ge 材料，它在 240 个太阳辐射， AM1.5情况下的转换效率为 40.7。3.4 膜型太阳能电池膜型太阳能电池材料主要有铜铟镓硒 CulnGase 、碲化镉 cdTe 等。铜锢稼硒薄膜太阳能电池开发时间还不长，是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。该薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积 Cu， In和 Ga层，再在 Se 气氛中硒化。碲化镉 CdTe已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料，而且在各种制备条件下都可以得到较好的电池结果，包括非常粗糙的工艺，如电镀。3.5 有机太阳能电池有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计合成 . 材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。3.6 染料敏化纳米晶太阳能电池染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳电池，宽带隙半导体有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以太阳能电池技术原理及其应用- 5 - 将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染料敏化半导体电极。3. 太阳电池的特性参数及等效电路模型4.1 太阳电池的特性参数短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势转换效率转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻 R时，得到的最大能量转换效率，其定义为，电池的最大功率输出与入射功率之比。填充因子 FF最大输出功率与极限功率 VocIsc 之比4.2 太阳电池的等效电路模型太阳能电池在有光照条件下，光生电流会流过负载，从而产生负载电压。太阳能电池可以看成能稳定地产生光电流的电流源只要光源稳定。此时，太阳能电池的实际输出电流为II L-I D-I ShI L-I 0{exp[ qVIR5AKT -1]}- VIR5RSh其中理想的 I DI 0[exp qVIR5AKT 一 1]- VIR5RSh ，即 PN结电流，上式各参数意义表示如下I L光产生电流 A I 0 PN结反向饱和电流 A V 外加电压 V q 电子电荷 1 ． 6 lO-19C A 二极管因子取值范围 l 至 5 K 玻尔兹曼常数 1 ． 38 10-23J/K T 绝对温度 K R 5体串联电阻R Sh并联分路电阻太阳能电池技术原理及其应用- 6 - 5. 太阳能电池的发展与分析5.1 第一代太阳能电池1954 年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元，不久后用于人造卫星。（ 1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为半导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅。目前单晶硅薄膜电池的最高转换效率达 24． 7％，但由于单晶硅价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出太阳能电池市场，但是近年来随着太阳能电池朝超薄化发展，工业上已经生产出厚度小于200μm 的电池片，实验室已制备出 40μm 厚的电池片，使得单个太阳能电池片对原材料的需求大大降低。（ 2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料，与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，它是太阳能电池的主要产品之一。5.2 第二代太阳能电池1 非晶硅薄膜太阳能电池非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要 1μm 厚的薄膜就可以吸收 80％的阳光。由于硅原料不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足，未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。（ 2）多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是近几年来太阳能电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接带隙材料，不是理想的薄膜太阳能电池材料，但是随着陷光技术、钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展，人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳能太阳能电池技术原理及其应用- 7 - 电池。目前主要用两种技术路线来制备多晶硅薄膜一种是采用非硅衬底；另一种是采用低品质的硅衬底。5.3 第三代太阳能电池（新型太阳能电池）为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率，各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，并在此基础上提出了第三代太阳能电池的设想，第三代太阳能电池突破了第一、二代的基本原理，其转换效率是第一代和第二代太阳能电池的数倍。所谓第三代太阳能电池并没有具体的概念。光伏领域的权威人士马丁格林教授指出，第三代太阳能电池必须具备以下特征 1．基于薄膜技术。 2．高转化效率， 3．原料资源丰富， 4．无毒。目前将第三代太阳能电池主要分为；叠层电池、多能带电池、多次激发电子空穴对、热载流子电池、热光伏效应和热声子器件。6. 太阳能电池的发展方向提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。在降低成本方面，硅太阳能电池主要还是通过减少硅片厚度实现；而在提高转换效率方面，对新的太阳能电池技术的探索已经开始（ 1）叠层电池技术将不同带隙宽度（ Eg）的材料，按 Eg 大小从上到下迭合起来制成。选择性的吸收太阳光谱的不同区域，可大幅度的提高转换效率。计算表明，两结叠层电池的理论转换效率为 50％，三结电池为 56％， 36 结为 72％，无限多结为 86.6 ％。太阳能电池技术原理及其应用- 8 - （ 2）多光谱太阳电池技术将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱，而不用多结，可降低成本。先利用热激发光发射二极管产生窄带光谱，再通过热光和光电转换，理论效率为 50％；还能利用特殊的能带结构，吸收一个高能光子而产生两个电子空穴对，提高转换效率。（ 3）多能级、多带技术利用耦合多量子阱和量子点结构形成的子带，可充分利用太阳光谱，提高转换效率。在带隙中引入 N 个带会扩大吸收长波光子的能量范围，理论预测其效率为86.8 ％。7. 总结光伏领域中对于太阳能电池发展历程普遍接受的划分方法是 “三代太阳能电池”即第一代晶体硅太阳能电池以单晶硅片、多晶硅片为基础的，第二代异质衬底上的薄膜太阳能电池例如玻璃衬底上的多晶硅薄膜太阳能电池和第三代高效太阳能电池。晶体硅太阳能电池对材料的需求限制了成本降低的潜力，长期以来人们一直试图用薄膜太阳能电池取代第一代电池。许多人曾认为将很快发生第一代到第二代电池的变革，但是由于第一代电池市场份额迅速扩大，工艺日趋成熟，转换效率较高产业化水平 15％、投资风险较小，且由于规模化生产经济性的影响，使这一变革至今尚未实现。提高薄膜太阳能电池的转换效率是解决的主要问题。此外，薄膜电池的性能稳定性和生产成本也必须达到大规模应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究等方面来看，太阳能电池的光电转换效率还可以有很大的提高，薄膜电池的发展也还有充足的发展空间。为此，新型（ “第三代” ）光电转换技术概念应运而生，实现这一概念的工艺方法也成为当前的热点研究问题。太阳能电池技术原理及其应用- 9 - 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