材料物理論文格式

1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 材料物理期末論文 太陽能電池原理及發(fā)展學(xué)院名稱： 數(shù)理學(xué)院 專業(yè)班級： 應(yīng)用物理學(xué)11班 學(xué)生姓名： 趙子龍 學(xué) 號： 401411020077 2014年6月8太陽能電池原理及發(fā)展 摘 要：能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。特別是在當今世界，人類社會發(fā)展日益加速，無論是在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，還是第三產(chǎn)業(yè)服務(wù)業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都是處于人類歷史上空前發(fā)展最快的一個階段。社會的發(fā)展提高了人類的生活水平，大大加強了社會生產(chǎn)力，同時對能源（如煤，石油）的需求和使用也大幅提高，從汽車內(nèi)燃機到家用用電

2、器，無不需要能源去運作。目前人類開發(fā)的主要能源是石油，煤炭和天然氣等化石能源，然而這些能源的一方面儲量有限，太陽能作為一種干凈的可再生新能源，一直受到人們青睞，雖然太陽的輻射能量中只有約二十億分之一到達地球大氣層，但卻是地球光和熱的來源，因此，關(guān)于太陽能的應(yīng)用研究一直受到科研人員和國家關(guān)注。 關(guān)鍵字：太陽能電池；發(fā)展；前景；原理 Abstract: Energy is an important material basis for existence and development of human society, is one of the three pillars

3、of modern civilization. Especially in today's world, the accelerated development of human society, whether in industry, agriculture, tertiary industry services, high-tech industry, are unprecedented in human history one of the fastest stages. Social development to improve the living standards of

4、 mankind, greatly strengthened the social productive forces, and energy (coal, oil) and greatly increased the demand for and use of, from automotive diesel engines to household appliances, all require energy to function. Currently human development of main energy is oil, coal and gas, fossil energy,

5、 however these energy of while reserves limited, solar as a clean of can regeneration new energy, has been by people favored, although Sun of radiation energy in the only about one-zero arrived Earth atmosphere, but is is Earth light and hot of sources, so, on solar of application research has been

6、by research personnel and national concern.Key words: solar; development, prospects, principles1.引言 由于人類對可再生能源的不斷需求, 促使人們致力于開發(fā)新型能源。太陽在40min 內(nèi)照射到地球表面的能量可供全球目前能源消費的速度使用1 年, 合理的利用好太陽能將是人類解決能源問題的長期發(fā)展戰(zhàn)略, 是其中最受矚目的研究熱點之一。本文介紹了太陽能電池的原理和發(fā)展, 以及各類新型太陽能電池, 比較了各類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率

7、和發(fā)展前景。2.太陽能電池的發(fā)展太陽能電池發(fā)電歷史自從1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程簡列如下：   1839年 法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。   1876年 亞當斯等在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。   1883年 制成

8、第一個“硒光電池”，用作敏感器件。   1930年 肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提 出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。   1931年 布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啟動了一個電動機。   1932年 奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽電池。   1941年 奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。   1954年 恰賓和皮爾松在美國貝

9、爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。   1955年 吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。   1957年 硅太陽電池效率達8%。 1958年 太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。   1959年 第一個多晶硅太陽電池問世，效率達5%。   1960

10、年 硅太陽電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。   1962年 砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達13%。   1969年 薄膜硫化鎘太陽電池效率達8%。   1972年 羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。   1972年 美國宇航公司背場電池問世。   1973年 砷化鎵太陽電池效率達15%。   1974年 COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率

11、達18%。   1975年 非晶硅太陽電池問世。同年，帶硅電池效率達6%。   1976年 多晶硅太陽電池效率達10%。   1978年 美國建成100kWp太陽地面光伏電站。   1980年 單晶硅太陽電池效率達20%，砷化鎵電池達22.5%，多晶硅電池達14.5%，硫化鎘電池達9.15%。   1983年 美國建成1MWp光伏電站；冶金硅（外延）電池效率達11.8%。  &

12、#160;1986年 美國建成6.5MWp光伏電站。   1990年 德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝35kWp光伏電池。   1995年 高效聚光砷化鎵太陽電池效率達32%。   1997年 美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝35kWp。光伏電池。有太陽時光伏屋頂向電網(wǎng)供電，電表反轉(zhuǎn)；無太陽時電網(wǎng)向家庭供電，電表正轉(zhuǎn)。家庭只需交“凈電費”。   1997年 日

13、本“新陽光計劃”提出到2010年生產(chǎn)43億Wp光伏電池。   1997年 歐洲聯(lián)盟計劃到2010年生產(chǎn)37億Wp光伏電池。   1998年 單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”，到2020年完成。 3.太陽能電池原理太陽能電池，是一種能有效地吸收太陽輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，由于他們利用各種勢壘的光生伏特效應(yīng)，所以也稱為光伏電池，其核心是可釋放電子的半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體材料是硅。地殼硅儲量豐富，可以說是取之不盡、用之不竭。當太陽光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部

14、N區(qū)和P 區(qū)中原子的價電子受到太陽光子的激發(fā)，通過光輻射獲取到超過禁帶寬度Eg 的能量，脫離共價健的束縛從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子空穴對。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于太陽能電池能量自動損耗部分。光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運動到PN 結(jié)區(qū)，通過PN 結(jié)對少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對方區(qū)域，對外形成與PN 結(jié)勢壘電場方向相反的光生電場。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起

15、，構(gòu)成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。 制造太陽能電池的半導(dǎo)體材料有合適禁帶寬度非常重要。不同禁帶寬度的半導(dǎo)體，只能吸取一部分波長的太陽光輻射能以產(chǎn)生電子空穴對，禁帶寬度越小，所吸收的太陽光譜的可利用部分就越大，而同時在太陽光譜峰值附近被浪費的能量也就越大。可見，只有選擇具有合適禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，才能更有效地利用太陽光譜。由于直接遷移型半導(dǎo)體的光吸收效率比間接遷移型高，故最好是直接遷移型半導(dǎo)體。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。獨立運行的光伏發(fā)電系

16、統(tǒng)需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)和人口分散地區(qū)，整個系統(tǒng)造價很高；在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。 光伏板組件是一種暴露在陽光下便會集熱，將光能轉(zhuǎn)換為直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導(dǎo)致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及計算機提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明，并為電網(wǎng)供電。 光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。近年，天臺及建筑物表面均會使用

17、光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。 什么是太陽能光伏技術(shù)太陽是能量的天然來源。地球上每一個活著的生物之所以具有發(fā)揮作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或間接來自于太陽的能量。我們的地球處在離太陽差不多有一億英里的地方。它所截取的輻射能已經(jīng)少到令人難以置信 的程度，即大約千萬分之三，即使這么小的一點能量， 實際上比整個世界目前現(xiàn)有的發(fā)電能力還大十萬倍！目前全世界尤其是工業(yè)發(fā)達國家開始感到能量短缺，因此，人們開始求助于太陽能，以解決能源危機。   太陽能每天都能無限供應(yīng)，而且數(shù)量龐大。如果

18、在大的電廠利用，就減少了溫室效應(yīng)，有些能源專家和環(huán)境保護的專家則認為，在滿足人類今后能量需要方面，太陽能的熱影響比任何其他替換品的熱影響要小得多。作為一種不污染環(huán)境，又取之不盡的新能源，它無處不在。尤其是在電力供力方面，有專家認為太陽能發(fā)電最終將在電力供應(yīng)中占20%。   太陽能是一種輻射能，太陽能發(fā)電意味著要將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程確切地說應(yīng)叫光伏效應(yīng)。不需要借助其它任何機械部件，光線中的能量被半導(dǎo)體器件的電子獲得，于是就產(chǎn)生了電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽能電池。太陽能電池也

19、同晶體管一樣，是由半導(dǎo)體組成的。它的主要材料是硅，也有一些其他合金。用于制造太陽能電池的高純硅，要經(jīng)過特殊的提純處理制作。太陽能電池只要受到陽光或燈光的照射，就能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方，一般就可發(fā)出相當于所接收光能的1020% 的電來。一般來說，光線越強，產(chǎn)生的電能就越多。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般在它的上面都蒙上一層可防止光反射的膜?#160;使太陽能板的表面呈紫色。它的工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)就是當物體受光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當太陽光或其他光照

20、射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓（叫做光生電壓）。這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。使PN結(jié)短路，就會產(chǎn)生電流。   太陽能發(fā)電的主要優(yōu)點在于：太陽能電池可以設(shè)置在房頂?shù)绕綍r不使用的空間，無噪音、壽命長，而且一旦設(shè)置完畢就幾乎不要需要調(diào)整?，F(xiàn)在只要將屋頂上排滿太陽能電池，就可以實現(xiàn)家中用電的自給?，F(xiàn)今太陽能的主要用途已不再是小規(guī)模的，從性質(zhì)上來說，是專業(yè)化的。它從軍事領(lǐng)域、通信領(lǐng)域到城市建設(shè)領(lǐng)域等都起到了重大的作用。委內(nèi)瑞拉還推出廉價太陽能車、歐洲科學(xué)家研制出輕便的可穿在身上的太陽能電池。目前，太陽能的利用存在著巨大的發(fā)展空間，有關(guān)的技術(shù)有可能在短時間

21、內(nèi)實現(xiàn)突破。它已被許多發(fā)達國家作為其能源戰(zhàn)略的一個重要組成部分。  太陽電池是一對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成PN結(jié)。 當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。 4.

22、太陽能電池的基本特性 太陽能電池的基本特性有太陽能電池的極性、太陽電池的性能參數(shù)、太陽能電池的伏安特性三個基本特性。具體解釋如下 (1)、太陽能電池的極性 硅太陽能電池的一般制成P+/N型結(jié)構(gòu)或N+/P型結(jié)構(gòu)，P+和N+,表示太陽能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；N和P，表示太陽能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。 (2)、太陽電池的性能參數(shù) 太陽電池的性能參數(shù)由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等組成。這些參數(shù)是衡量太陽能電池性能好壞的標志。 (3)、 太陽能電池的伏安特性 P-N結(jié)太陽能電池包含一個形成于表面的淺P-N結(jié)、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當電池暴露于太陽光譜時,能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻能量Eg,大于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此,在太陽能電池的設(shè)計和制造過程中,必須考慮這部分熱量對電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。 5.結(jié)語 太陽能光發(fā)電是太陽能利用的最佳途徑。目前正在進行著從第一代基于硅晶片技術(shù)的太陽能電池向基于半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的第二代半導(dǎo)體太