太陽能電池的原理種類與應(yīng)用

1、太陽能電池的原理、種類與應(yīng)用開門八極（閔大荒男子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海）摘要：本文綜述了三代典型太陽能電池的原理、種類劑應(yīng)用。其中第一代太陽能電池是硅太陽能電池，第二代為化合物薄膜太陽能電池，第三代以染料敏化太陽能電池為代表。關(guān)鍵詞：太陽能電池、Si、電子躍遷、薄膜、光伏發(fā)電、染料一.太陽能電池的原理太陽能電池都是利用太陽光的激發(fā)，在兩個(gè)電極上分別產(chǎn)生異號(hào)光載流子，進(jìn)而在兩個(gè)極板間形成電勢差。由于太陽能電池種類存在差異，不同電池的工作原理不盡相同。1.硅太陽能電池在超純晶體硅的禁帶寬度比絕緣體小。在光照或者加熱條件下，價(jià)帶的電子容易激發(fā)到導(dǎo)帶上去，而價(jià)帶上留下空穴。電子和空穴都是載流子，這兩種能帶

2、都成了導(dǎo)帶。這種半導(dǎo)體成為本征半導(dǎo)體。在純硅中摻入雜質(zhì)，將極大地影響其導(dǎo)電性。若摻入P、As、Sb、Bi，多余的電子在靠近導(dǎo)帶出處形成扽里的能級(jí)，容易進(jìn)入導(dǎo)帶。這類半導(dǎo)體的載流子是電子，成為n型半導(dǎo)體。反之，摻入B、Al、Ga、In，這類半導(dǎo)體的載流子是空穴，稱為p型半導(dǎo)體。將兩種半導(dǎo)體結(jié)合和在一起，產(chǎn)生電勢差，可將太陽能轉(zhuǎn)變成電能。1 這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)2.化合物薄膜太陽能電池吸收層背接觸層窗口層 圖 1.化合物薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖電池中的吸收層是薄膜電池的核心。它主要由為砷化鎵(GaAs)、銅銦硒(CuInSe) 碲化鎘(CdTe)等半導(dǎo)體構(gòu)成。這種電池的原理與硅太陽能電池的原理非

3、常類似，也涉及光電子在 價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的躍遷參數(shù) 物質(zhì)GaAsCuInSe2CdTe帶隙/eV1.41.11.5產(chǎn)業(yè)化平均效率/%29.517.1810表格 1.幾種化合物半導(dǎo)體的性能參數(shù)3. 染料敏化太陽能電池染料敏化太陽電池(DSSC)的工作原理及工作過程包括：（1）陽光照射至UDSSC電池的光陽極上，半導(dǎo)體薄膜上的染料會(huì)吸收光子的能量染料分子會(huì)從基態(tài)(SO)躍遷至激發(fā)態(tài)(S*)，(2)染料處在不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)變成氧化態(tài)(S+)，電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(CB)(3)注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的e一經(jīng)擴(kuò)散到達(dá)導(dǎo)電玻璃(4)處于氧化態(tài)(S+)的染料分子會(huì)與電解質(zhì)中的廠離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，染料從氧化態(tài)變回

4、基態(tài)(5)流經(jīng)外電路的電子，到達(dá)對電極與電解質(zhì)中的發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電解質(zhì)中的I3-變回I-但在前述循環(huán)反應(yīng)中，同時(shí)會(huì)發(fā)生兩種電子復(fù)合反應(yīng)，而由復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生電流會(huì)形成暗電流，其中包括(1*)半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的e-與氧化態(tài)的染料復(fù)合(2*)半導(dǎo)體導(dǎo)帶(CB)中的e一與電解質(zhì)中的I3- 復(fù)合圖2.DSSC簡明結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)電TiO2玻璃 + 染料對電極負(fù)載 圖3.幾種染料的結(jié)構(gòu)式 二.太陽能電池的種類如上面所說，太陽能電池分為硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池三種。下面分別作詳細(xì)介紹。1.硅太陽能電池（1）單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池。其基本結(jié)構(gòu)多

5、以p型單晶硅片為基片，其電阻率一般為38 cm，厚度一般為200300m。由于單晶硅材料大多來自半導(dǎo)體工業(yè)退下的廢次品，因此部分廠家采用的硅片厚度達(dá)到O507mm，而這些硅片的質(zhì)量辦能完全滿足太陽能電池的要求，用來制作太陽能電池也能得到良好的效果，通常能達(dá)到15以上。a.結(jié)構(gòu)組件：鋼化玻璃：其作用為保護(hù)發(fā)電主體EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）：用來粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（如電池片）電池片：主要作用就是發(fā)電EVA：作用如上，主要粘結(jié)封裝發(fā)電主體和背板。背板：作用是密封、絕緣、防水。鋁合金保護(hù)層壓件：起一定的密封、支撐作用。接線盒：保護(hù)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，起到電流中轉(zhuǎn)站的作用，如果組件短路接線盒自動(dòng)斷

6、開短路電池串，防止燒壞整個(gè)系統(tǒng)接線盒中最關(guān)鍵的是二極管的選用，根據(jù)組件內(nèi)電池片的類型不同，對應(yīng)的二極管也不相同。硅膠：密封作用，用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處.圖4.單晶硅太陽能電池板b.工藝流程（i）單晶硅的制取首先制取多晶硅。石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業(yè)硅。為了滿足高純度的需要，必須進(jìn)一步提純。把工業(yè)硅粉碎并用無水氯化氫與之反應(yīng)在一個(gè)流床反應(yīng)器中，生成擬溶解的三氯硅烷。反應(yīng)溫度為300度，該反應(yīng)是放熱的。同時(shí)形成氣態(tài)混合物。產(chǎn)生的氣態(tài)混合物還需要進(jìn)一步提純，需要分解：過濾硅粉，冷凝SiHCl3, SiCl4，而氣態(tài)H2，HCl返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解

7、冷凝物SiHCl3, SiCl4，凈化三氯氫硅（多級(jí)精餾）。凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。圖5.上述多晶硅生產(chǎn)流程圖對于單晶硅太陽能電池來說，硅不僅要很純，而且必須是晶體結(jié)構(gòu)中基本上沒有缺陷的單晶形式。工業(yè)生產(chǎn)這種單晶硅所用的主要方法是直拉(Czochralski)工藝。在坩堝中，將半導(dǎo)體多晶硅熔融，同時(shí)，加入微量的期問所需的一種摻雜劑。通過線鋸可將單晶硅棒切成厚度為200300pm的硅片。在切片的過程中，會(huì)有3050左右的硅因?yàn)榈恫刍蚯懈顡p失被浪費(fèi)掉了。在切割的過程中，會(huì)在硅片表面形成一些損傷層。2 圖6.直拉法(左)和切片(右) 3接下來的工藝是:堿洗

8、制絨磷酰氯擴(kuò)散制取p-n結(jié)刻蝕邊緣的P制作電極與燒結(jié)制備減反射膜 電池片封裝為電池組件（2）多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成其過程是選擇電阻率為100300 cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用V(氫氟酸)：V(硝酸)=1：5混臺(tái)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，烘干用石英坩堝裝好多晶硅料，加入適量硼硅。放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化熔化后保溫約20 min，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽能電池片，提高材制利用率和方便組裝多晶硅太陽能電池的制作

9、工藝與單晶硅太陽能電池差不多，其光電轉(zhuǎn)化效率約198左右，稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到了快速發(fā)展3多晶硅的生產(chǎn)工藝上面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。2.化合物薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池是緩解能源危機(jī)的新型光伏器件。薄膜太陽能電池可以使用在價(jià)格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)m，目前轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)13%.4該電池的常用材料有：砷化鎵(GaAs)、銅銦硒(CuInSe)、 碲化鎘(CdTe)。它們的有關(guān)參數(shù)參數(shù)見表格1。下面以銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池為例加以介紹。CIGSe薄膜太陽能電池是由其母

10、體銅銦硒(CulnSe2，簡稱ClSe)發(fā)展而來的.5圖6.CIGS電池的能帶結(jié)構(gòu)6圖7.CIGS薄膜太陽能電池組件工藝流程7其制備方法有：（1）多元共蒸發(fā)法8：主要是通過熱蒸發(fā)將所需的元素蒸發(fā)，并使得其以原子或分子的形式沉積下來。此方法制備的CIGSe太陽能電池效率很高，但由于設(shè)備昂貴，一般學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域采用較多。（2）濺射后硒化法9：先在Mo薄膜底電極上沉積含有Cu、In、Ga元素的預(yù)制層合金，然后在含有Se的氣氛下退火處理，最終得到滿足化學(xué)計(jì)量比的CIGSe薄膜。（3）肼溶液沉積法10,11：利用肼作為溶劑，將含有Cu、In、Ga的二元Se化物徹底溶解，分別得到其溶液。按所需組分配比混合均

11、勻后，通過噴涂或旋涂等方法形成預(yù)制層薄膜。最后，在惰性氣氛中退火，無需硒化，即可生成質(zhì)量較好的CIGSe薄膜。3.染料敏化太陽能電池重要結(jié)構(gòu)：（1）光陽極.納米半導(dǎo)體氧化物薄膜是染料敏化太陽能電池中的核心部分，它的主要作用是，吸附足夠多的染料和快速傳輸電子到導(dǎo)電基底。為了獲得較高光電轉(zhuǎn)換效率的 DSSC，要求光陽極薄膜具備多孔結(jié)構(gòu)和較大的接觸面以及良好的形貌，以便能夠容納足夠多的染料和保證足夠多的電解液的滲入，能夠起到抑制電子/空穴對復(fù)合的作用即使電子的分離速率大于復(fù)合速率，保證電子的產(chǎn)生和快速傳輸。目前，在所研究納米半導(dǎo)體光陽極薄膜材料中，TiO 2 因具有較寬帶禁帶寬度3.2eV、良好的光

12、電效應(yīng)、良好的光催化性能及穩(wěn)定的光電化學(xué)性能等優(yōu)良性質(zhì)而成為各國科研人員研究的重點(diǎn)。12（2）染料敏化劑.因?yàn)門iO2不能直接吸收可見光(380nm-780nm)，而染料敏化劑可以幫助半導(dǎo)體Sn02吸收整個(gè)區(qū)域的可見光，以致提高半導(dǎo)體薄膜對可見光利用率。其中根據(jù)材料性質(zhì)，染料敏化劑可分為有機(jī)光敏染料敏化劑和無機(jī)光敏染料敏化劑。有機(jī)光敏染料包括合成染料和天然有機(jī)染料，有機(jī)染料光敏化劑包括羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多聯(lián)吡啶釕染料、純有機(jī)染料等。無機(jī)染料敏化劑穩(wěn)定性較好，主要集中在釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、酞菁等。13（3）電解質(zhì)使染料分子再生。通常為I-/I3-溶液。三.太陽能電池的

13、應(yīng)用1.硅太陽能電池硅基電池的應(yīng)用主要可分為3種類型:并網(wǎng)型、離網(wǎng)和家用電器產(chǎn)品。（1）并網(wǎng) 進(jìn)入21紀(jì)以來，全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電年度并網(wǎng)容址增長了44.1倍.從2000年的28 7MW遞增至2008年的29.85MW，年均增長率達(dá)60.99%，同比2007年增長了72.65%.全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)累積總里增長10.5倍，從2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增長率為35.6%。世界各國都在樓宇和家居屋頂應(yīng)用了太陽能電池，所發(fā)的電大都可以并網(wǎng)。（2）離網(wǎng) 與井網(wǎng)發(fā)電相比，離網(wǎng)發(fā)電具有靈活等特點(diǎn)，特點(diǎn)，始終占據(jù)著重的市場份領(lǐng)，如用于通信聯(lián)絡(luò)中繼站的供電、邊遠(yuǎn)山區(qū)小功率的

14、生活用電等場合。在不少偏遠(yuǎn)地區(qū)如遠(yuǎn)離城市的農(nóng)場、山區(qū)、葡萄園采用離網(wǎng)方式發(fā)電，如水泵的供電系統(tǒng)。功率可高達(dá)441.3KW。（3）家用電器 太陽能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適合于各家各戶分散進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上。太陽電池日益成為家用電器的"能源心臟"。 太陽能電話。以太陽能作能源的無線電話已在英國一家無線電公司問世。它利用頂端上裝的太陽能接收板，可以不斷給電池充電。使用者的聲音通過無線電波輸入附近的電話交換機(jī)，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去。 太陽能冰箱。法國的太陽能冰箱以甲醇為制冰劑，每24小時(shí)可制冰10公斤，保鮮30公斤食物。印度研制出

15、一種倉庫用的大型太陽能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在2，可冷藏500公斤食品，每天還可制出25公斤冰來。 太陽能空調(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，全部動(dòng)力都由陽光供給，多云或陰天時(shí)才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，用它可使一間18平方米的居室室溫保持在20左右，并較一般空調(diào)器節(jié)約電費(fèi)60以上。太陽能電視機(jī)。芬蘭研制的太陽能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽光的窗臺(tái)上，晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12伏的電視機(jī)使用3至4小時(shí)。 太陽能照相機(jī)。美國一家公司生產(chǎn)了一種新型的1

16、35照相機(jī)。它的光圈、速度均由微電腦自動(dòng)控制，電力則由太陽能硒光電池提供，只要有光線就能供電。2.化合物薄膜太陽能電池這種太陽能電池的應(yīng)用與硅太陽能電池的應(yīng)用大同小異。但由于某些電池的高效率（如砷化鎵電池），被應(yīng)用于航空航天以及科研領(lǐng)域。還有一些柔性的薄膜電池，可以附著或者黏貼在建筑物等表面，更加靈活。3.染料敏化太陽能電池這種電池的應(yīng)用與薄膜電池相似。例如：染料敏化太陽能電池應(yīng)用在冬季棉帽上的供電裝置、應(yīng)用在廣告招貼畫上的照明裝置等日常生活中靈活的發(fā)電應(yīng)用四.總結(jié)本文首先介紹了三種電池的原理。其核心都是光照使得電子或分子躍遷，經(jīng)過一系列變化，將光能轉(zhuǎn)化成電能。接著，詳細(xì)介紹了三種電池的子類、

17、生產(chǎn)流程以及核心部件。最后，概括了三代太陽能電池的應(yīng)用。五.學(xué)習(xí)心得與致謝通過這門課的學(xué)習(xí)，我了解了更多、更系統(tǒng)的清潔能源知識(shí)，增長了在有機(jī)化學(xué)，尤其是高分子方面的見識(shí)。這些知識(shí)對日常生活也頗有幫助。更重要的，明白了當(dāng)前研究清潔能源技術(shù)的重要性及緊迫性，增強(qiáng)了環(huán)保意識(shí)。同時(shí)，也看到了我國在清潔能源領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家的差距。雖然自己是電院的學(xué)生，不一定從事清潔能源方面的工作，但我也要更加努力的學(xué)習(xí)，為國家付出自己的一份力量。感謝*老師的講解、答疑以及對作業(yè)的點(diǎn)評(píng)。感謝助教*老師對作業(yè)的認(rèn)真批改。感謝同學(xué)們的PPT匯報(bào)以及討論交流！六.參考文獻(xiàn)1 無機(jī)化學(xué) 下冊（第四版）北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南

18、京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室，高等教育出版社2 單晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝的研究，王瑤，湖南大學(xué)3 FLAMANTGKURTCUOGLU V，MURRAY J，et a1Purification of metallurgical grade silicon by a solar proeess Solar Energy Materials and Solar Cell，2006， 90(14)：2 099-2 1064 孔繼川,繆娟. 薄膜太陽能電池研究進(jìn)展J. 化工時(shí)刊, 2008,07:60-645 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的研究-童君-浙江大學(xué)6 Chirila，SBuecheler, E Pianezzi, et al, Nature Materials，10，(2011)7 Niki, Mcontreras，IRepins，et al，ProgPhotovolt：ResAppl，18, 453-466(2010)8 W：EDevaney,RAMickelsen，