太陽能電池原理及其應(yīng)用

學(xué)院：化學(xué)與生物工程學(xué)院學(xué)院：化學(xué)與生物工程學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)班級：0911班學(xué)生姓名：李杰學(xué)號：0920239108指導(dǎo)教師：劉成寶完成時間：Time\@"yyyy年M月d日"2021年11月16日太陽能電池技術(shù)原理及其應(yīng)用太陽能電池技術(shù)原理及其應(yīng)用摘要：倡導(dǎo)綠色環(huán)保，清潔高效，清潔能源是當(dāng)今的時代主題，越來越受到各國的廣泛關(guān)注的太陽能材料可能將引領(lǐng)未來的能源材料領(lǐng)域。人類面臨著有限常規(guī)能源和環(huán)境破壞嚴(yán)重的雙重壓力,己經(jīng)成為越來越值得關(guān)注的社會與環(huán)境問題。近年來,光伏市場快速開展并取得可喜的成就。目前太陽能光伏發(fā)電大體上分為太陽電池片的研究和光伏系統(tǒng)的研究兩個局部。通常來講，這兩個局部的研究是相對獨立的。不過隨著研究的日益深入，太陽電池片和光伏系統(tǒng)的研究都遇到很多問題，要求我們必須要從全局考慮，將這兩方面共同考慮和研究。目前的太陽電池片開展迅速，轉(zhuǎn)換效率越來越高，但是仍然面臨著一些未解決的根底問題。本文介紹了太陽能電池的原理和開展,以及各類新型太陽能電池,比擬了各類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和開展前景。關(guān)鍵詞：太陽能材料單晶硅材料電池多晶硅材料電池非晶硅薄膜化合物薄膜光伏效應(yīng)1.引言：太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源．也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當(dāng)中；大陽能光電利用是近些年來開展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的工程之一。為此，人們研制和開發(fā)了太陽能電池。本文介紹了太陽能電池的原理和開展,以及各類新型太陽能電池,比擬了各類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和開展前景。太陽能光伏發(fā)電是指通過以太陽電池為核心的光伏系統(tǒng)，把太陽光轉(zhuǎn)換為電能的一種技術(shù)。通過各國光伏科研工作者的不懈努力，近10年來太陽電池技術(shù)的開展非常迅速，世界太陽電池產(chǎn)業(yè)的平均增長速度到達41．3％，是開展最快的新興產(chǎn)業(yè)。2.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。太陽電池發(fā)電的原理是基于光伏效應(yīng)：當(dāng)太陽光或其他光照射到太陽電池上的時候，電池吸收光能，產(chǎn)生電子-空穴對，在電池內(nèi)建電場的作用下光生電子和空穴被別離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。假設(shè)在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，于是負(fù)載中就有電流，從而獲得輸出功率，這樣太陽能就轉(zhuǎn)化成了電能。光光I在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。其中N型區(qū)的電子和P型區(qū)的空穴向?qū)Ψ綌U散，直到所形成的電場阻止載流子進一步擴散，從而形成內(nèi)建電場。漂移運動漂移運動P型半導(dǎo)體內(nèi)電場EN型半導(dǎo)體擴散運動PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕篈〕PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。B〕PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體外表，半導(dǎo)體內(nèi)部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局部。光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運動到P—N結(jié)區(qū)，通過P—N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P—N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(dāng)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，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。3.太陽能電池的種類及研究現(xiàn)狀:根據(jù)材料的種類和狀態(tài)的不同，太陽能電池主要有以下幾種：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體太陽能電池、薄膜型太陽能電池、有機太陽能電池和染料敏化納米晶太陽能電池，下面分別予以簡單介紹。3.1單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池是開發(fā)得最早的一種太陽能電池，硅的禁帶寬度為1.leV，是間接遷移型半導(dǎo)體，本來不是制作太陽能電池的最適宜材料。但是由于硅蘊藏量非常豐富，已廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)，有很完善的技術(shù)根底，有利干太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用。單晶硅太陽能電池具有比擬高的轉(zhuǎn)換效率，規(guī)模生產(chǎn)的電池組件的效率可以到達12一16%，而實驗室記錄的最高轉(zhuǎn)換效率為24.4％。3.2多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢，與單晶硅比擬，多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比擬低廉，相應(yīng)的電池單元本錢低，非常具有競爭優(yōu)勢。但是由于多晶硅材料存在著較多的晶拉間界而有較多的缺點，轉(zhuǎn)換效率不夠高，提高多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率就是目前許多科學(xué)家的研究方向。3.3化合物太陽能電池化合物太陽能電池包括III—V族化合物電池和II—VI族化合物電池。III—V族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、Gasb電池等；II—VI族化合物電池主要有CaS/Culnse電池、CaS/CdTe電池等。上世紀(jì)七十年代末，以GaAs為代表的III—V族化合物電池材料〔包括疊層電池材料〕，因具有很高的光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的抗輻射性能而受到重視，開展很快。最新的一項研究成果就是在加利福尼亞獲得了一種變質(zhì)處理的三疊層GaInP/GaInAs/Ge材料，它在240個太陽輻射，AM1.5情況下的轉(zhuǎn)換效率為40.7%。3.4膜型太陽能電池膜型太陽能電池材料主要有銅銦鎵硒(CulnGase)、碲化鎘(cdTe)等。銅錮稼硒薄膜太陽能電池開發(fā)時間還不長，是較有前途而被寄予厚望的新型低本錢太陽能電池。該薄膜太陽能電池單元的制備是先用濺射、噴涂或蒸發(fā)法在基片上沉積Cu，In和Ga層，再在Se氣氛中硒化。碲化鎘(CdTe)已成為公認(rèn)的高效、穩(wěn)定、廉價的薄膜光伏器件材料，而且在各種制備條件下都可以得到較好的電池結(jié)果，包括非常粗糙的工藝，如電鍍。3.5有機太陽能電池有機太陽能電池具有柔韌性和本錢低廉的優(yōu)勢，是近年出現(xiàn)的新型太陽電池。與結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、本錢高昂、光電壓受光強影響波動大的傳統(tǒng)半導(dǎo)體固結(jié)太陽電池相比，有機太陽能電池制備工藝簡單，可采用真空蒸鍍或涂敷的方法制備成膜，且可以制備在可彎曲折香的襯底上形成柔性太陽能電池。有機物太陽能電池材料的分子結(jié)構(gòu)還可以自行設(shè)計合成.材料選擇余地大，加工容易，毒性小，本錢低，可制造面積大，在太陽能電池產(chǎn)業(yè)引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。3.6染料敏化納米晶太陽能電池染料敏化納米晶太陽能電池是最近二十幾年開展起來的一種基于植物葉綠素光合作用原理研制出的太陽能電池。這是一種使用寬禁帶半導(dǎo)體材料的太陽電池，寬帶隙半導(dǎo)體有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，不過本身捕獲太陽光的能力非常差，但將適當(dāng)?shù)娜玖衔降桨雽?dǎo)體外表上，借助于染料對可見光的強吸收，可以將半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)拓寬到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用，而載有染料的半導(dǎo)體稱為染料敏化半導(dǎo)體電極。太陽電池的特性參數(shù)及等效電路模型4.1太陽電池的特性參數(shù)短路電流：太陽電池的短路電流等于其光生電流。開路電壓：當(dāng)太陽電池處于開路狀態(tài)時，對應(yīng)光電流的大小產(chǎn)生電動勢轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率表示在外電路連接最正確負(fù)載電阻R時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率，其定義為，電池的最大功率輸出與入射功率之比。填充因子FF：最大輸出功率與極限功率(VocIsc)之比4.2太陽電池的等效電路模型太陽能電池在有光照條件下，光生電流會流過負(fù)載，從而產(chǎn)生負(fù)載電壓。太陽能電池可以看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流的電流源(只要光源穩(wěn)定)。此時，太陽能電池的實際輸出電流為：I=IL-ID-ISh=IL-I0{exp[EQ\F(q(V+IR5),AKT)-1]}-EQ\F(V+IR5,RSh)其中理想的ID=I0[exp(EQ\F(q(V+IR5),AKT))一1]-EQ\F(V+IR5,RSh)，即PN結(jié)電流，上式各參數(shù)意義表示如下：IL：光產(chǎn)生電流(A)I0：PN結(jié)反向飽和電流(A)V：外加電壓(V)q：電子電荷(1．6×lO-19C)A：二極管因子(取值范圍l至5)K：玻爾茲曼常數(shù)(1．38×10-23J/K)T：絕對溫度(K)R5：體串聯(lián)電阻RSh：并聯(lián)分路電阻5.太陽能電池的開展與分析5.1第一代太陽能電池1954年美國貝爾實驗室研制出了第一塊晶體硅太陽能電池，開始了利用太陽能發(fā)電的新紀(jì)元，不久后用于人造衛(wèi)星?！?〕單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池使用的硅原料主要為：半導(dǎo)體硅碎片，半導(dǎo)體單晶硅的頭、尾料，半導(dǎo)體用不合格的單晶硅。目前單晶硅薄膜電池的最高轉(zhuǎn)換效率達24．7％，但由于單晶硅價格過于昂貴，人們一度認(rèn)為單晶硅太陽能電池會逐漸淡出太陽能電池市場，但是近年來隨著太陽能電池朝超薄化開展，工業(yè)上已經(jīng)生產(chǎn)出厚度小于200μm的電池片，實驗室已制備出40μm厚的電池片，使得單個太陽能電池片對原材料的需求大大降低?！?〕多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池一般采用低等級的半導(dǎo)體多晶硅，或者專門為太陽能電池使用而生產(chǎn)的鑄造多晶硅等材料，與單晶硅太陽能電池相比，多晶硅太陽能電池本錢較低，而且轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池比擬接近，它是太陽能電池的主要產(chǎn)品之一。5.2第二代太陽能電池(1)非晶硅薄膜太陽能電池非晶態(tài)硅，其原子結(jié)構(gòu)不像晶體硅那樣排列得有規(guī)那么，而是一種不定形晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。非晶硅屬于直接帶系材料，對陽光吸收系數(shù)高，只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80％的陽光。由于硅原料缺乏和價格上漲，促進了高效使用硅的技術(shù)和非晶硅薄膜系太陽能電池的開發(fā)。非晶硅薄膜電池低廉的本錢彌補了其在光電轉(zhuǎn)換效率上的缺乏，未來將在光伏發(fā)電上占據(jù)越來越重要的位置?！?〕多晶硅薄膜太陽能電池多晶硅薄膜太陽能電池是近幾年來太陽能電池研究的熱點。雖然多晶硅屬于間接帶隙材料，不是理想的薄膜太陽能電池材料，但是隨著陷光技術(shù)、鈍化技術(shù)以及載流子束縛技術(shù)的不斷開展，人們完全有可能制備出高效廉價的多晶硅薄膜太陽能電池。目前主要用兩種技術(shù)路線來制備多晶硅薄膜：一種是采用非硅襯底；另一種是采用低品質(zhì)的硅襯底。5.3第三代太陽能電池〔新型太陽能電池〕為了進一步提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，各國學(xué)者開始研究太陽能電池的效率極限和能量損失機理，并在此根底上提出了第三代太陽能電池的設(shè)想，第三代太陽能電池突破了第一、二代的根本原理，其轉(zhuǎn)換效率是第一代和第二代太陽能電池的數(shù)倍。所謂第三代太陽能電池并沒有具體的概念。光伏領(lǐng)域的權(quán)威人士馬丁格林教授指出，第三代太陽能電池必須具備以下特征：1．基于薄膜技術(shù)。2．高轉(zhuǎn)化效率，3．原料資源豐富，4．無毒。目前將第三代太陽能電池主要分為；疊層電池、多能帶電池、屢次激發(fā)電子空穴對、熱載流子電池、熱光伏效應(yīng)和熱聲子器件。太陽能電池的開展方向:提高轉(zhuǎn)換效率和降低本錢仍然是太陽能電池開展的大趨勢。在降低本錢方面，硅太陽能電池主要還是通過減少硅片厚度實現(xiàn)；而在提高轉(zhuǎn)換效率方面，對新的太陽能電池技術(shù)的探索已經(jīng)開始：〔1〕疊層電池技術(shù)將不同帶隙寬度〔Eg〕的材料，按Eg大小從上到下迭合起來制成。選擇性的吸收太陽光譜的不同區(qū)域，可大幅度的提高轉(zhuǎn)換效率。計算說明，兩結(jié)疊層電池的理論轉(zhuǎn)換效率為50％，三結(jié)電池為56％，36結(jié)為72％，無限多結(jié)為86.6％?！?〕多光譜太陽電池技術(shù)將太陽光的多光譜變?yōu)橄鄬φ?、適應(yīng)單結(jié)電池的光譜，而不用多結(jié)，可降低本錢。先利用熱激發(fā)光發(fā)射二極管產(chǎn)生窄帶光譜，再通過熱光和光電轉(zhuǎn)換，理論效率為50％；還能利用特殊的能帶結(jié)構(gòu)，吸收一個高能光子而產(chǎn)生兩個電子空穴對，提高轉(zhuǎn)換效率?！?〕多能級、多帶技術(shù)利用耦合多量子阱和量子點結(jié)構(gòu)形成的子帶，可充分利用太陽光譜，提高轉(zhuǎn)換效率。在帶隙中引入N個帶會擴大吸收長波光子的能量范圍，理論預(yù)測其效率為86.8％?？偨Y(jié)光伏領(lǐng)域中對于太陽能電池開展歷程普遍接受的劃分方法是“三代太陽能電池〞即第一代晶體硅太陽能電池(以單晶硅片、多晶硅片為根底的)，第二代異質(zhì)襯底上的薄膜太陽能電池(例如玻璃襯底上的多晶硅薄膜太陽能電池)和第三代高效太陽能電池。晶體硅太陽能電池對材料的需求限制了本錢降低的潛力，長期以來人們一直試圖用薄膜太陽能電池取代第一代電池。許多人曾認(rèn)為將很快發(fā)生第一代到第二代電池的變革，但是由于第一代電池市場份額迅速擴大，工藝日趨成熟，轉(zhuǎn)換效率較高(產(chǎn)業(yè)化水平15％)、投資風(fēng)險較小，且由于規(guī)?；a(chǎn)經(jīng)濟性的影響，使這一變革至今尚未實現(xiàn)。提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是解決的主要問題。此外，薄膜電池的性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)本錢也必須到達大規(guī)模應(yīng)用的要求。目前從材料、工藝與理論研究等方面來看，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還可以有很大的提高，薄膜電池的開展也還有充足的開展空間。為此，新型〔“第三代〞〕光電轉(zhuǎn)換技術(shù)概念應(yīng)運而生，實現(xiàn)這一概念的工藝方法也成為當(dāng)前的熱點研究問題。參考文獻【1】GavinConibeer,MartinA.Green.Siliconnanostructuresforthirdgenerationphotovoltaicsolarcells,thinsolidfilms.2006.511-(2006)654-662【2】HamakawaY.SolarEnergyMaterials﹠SolarCell[J],2002【3】ShahAV.SchadeHThinfilmsiliconsolarcelltechnology2004【4】LiangZC.ShenHCharacterizationofdirectepitaxialsiliconthinfilmsolarcellsonalow-costsubstrate2003【5】GreenMA．Thirdgenerationconceptforphotovoltaic[C]．ProceedingofthethirdworldconferenceonPhotovoltaicenergyconversion，2003，50—55．【6】MartinA．Green．Thirdgenerationphotovoltaic：solarcellsfor2023andbeyond．PhysicalE，2002，14：65-70【7】AntonioMarti，Gerhard．L．Aranj0．Limitingefficienciesforphotovoltaicenergyconversioninmulligansystems．SolarEnergyMaterialsandSolarCells，1996，43：203—222【8】LandsbergP．T，Thermodynamicsandstatisticalmechanics[M]．NewYork，CourierDoverPublications，1991，34-57【9】Loquat．A，Marti．A．Recentprogressinintermediatebandsolarcells．Photovoltaicenergyconversion．Conferencerecordofthe2006IEEE4thconferenceon[C]．USA：IEEE，2006．49—52【10】CadreL，MartyA，LuqueA．Presentstatusofinter