太陽(yáng)能電池原理及發(fā)展論文

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1、 太陽(yáng)能電池發(fā)展及原理 太陽(yáng)能電池原理及發(fā)展 摘 要：人類(lèi)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(lái)越值得關(guān)注的社會(huì)與環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái), 光伏市場(chǎng)快速發(fā)展并取得可喜的成就。本文介紹了太陽(yáng)能電池的原理和發(fā)展, 以及各類(lèi)新型太陽(yáng)能電池, 比較了各類(lèi)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)展前景。 關(guān)鍵字：太陽(yáng)能電池；原理；發(fā)展；前景 1.引言 由于人類(lèi)對(duì)可再生能源的不斷需求, 促使人們致力于開(kāi)發(fā)新型源。太陽(yáng)在40min 內(nèi)照射到地球表面的能量可供全球目前能源消費(fèi)的速度使用1 年, 合理的利用好太陽(yáng)能將是人類(lèi)解決能

2、源問(wèn)題的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略, 是其中最受矚目的研究熱點(diǎn)之一。本文介紹了太陽(yáng)能電池的原理和發(fā)展, 以及各類(lèi)新型太陽(yáng)能電池, 比較了各類(lèi)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和發(fā)展前景。 2.太陽(yáng)能電池原理 太陽(yáng)能電池，是一種能有效地吸收太陽(yáng)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(shì)壘的光生伏特效應(yīng)，所以也稱(chēng)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(chǔ)量豐富，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。 當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P 區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽(yáng)光子的激發(fā)，通過(guò)光輻射獲取到超過(guò)禁帶寬度Eg 的能量，脫離共價(jià)健的束縛從價(jià)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

3、處于非平衡狀態(tài)的電子空穴對(duì)。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(guò)程對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于太陽(yáng)能電池能量自動(dòng)損耗部分。光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)動(dòng)到P—N 結(jié)區(qū)，通過(guò)P—N 結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對(duì)方區(qū)域，對(duì)外形成與P—N 結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。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(yáng)能光伏電池單元通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會(huì)在太陽(yáng)能的作用下輸出功率足夠大的電能。 制造太陽(yáng)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(zhǎng)的太陽(yáng)光輻射能以產(chǎn)生電子空穴對(duì)，禁帶寬度

4、越小，所吸收的太陽(yáng)光譜的可利用部分就越大，而同時(shí)在太陽(yáng)光譜峰值附近被浪費(fèi)的能量也就越大?？梢?jiàn)，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(yáng)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。 3.太陽(yáng)能電池的發(fā)展 3.1第一代太陽(yáng)能電池 1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一塊半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，開(kāi)始了利用太陽(yáng)能發(fā)電的新紀(jì)元。由于太陽(yáng)能電池價(jià)格昂貴，因此其發(fā)展緩慢，當(dāng)時(shí)主要用于航天科技工程。20世紀(jì)70年代，由于石油危機(jī)，使人們對(duì)于可再生能源的興趣越來(lái)越濃，太陽(yáng)能電池也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。近幾年太陽(yáng)電池市場(chǎng)以每年30%的速度遞增。目前，第一代太陽(yáng)能

5、電池約占太陽(yáng)能電池產(chǎn)品市場(chǎng)的86% 。第一代太陽(yáng)能電池基于硅晶片基礎(chǔ)之上，主要采用單晶體硅、多晶體硅及GaAs為材料，轉(zhuǎn)換效率為11%~15%。 單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)主要有直拉法和懸浮區(qū)熔法。直拉法是將硅材料在石英坩鍋中加熱熔化，使籽晶與硅液面接觸，向上提升以長(zhǎng)出柱狀的晶棒。 直拉法的研究方向是設(shè)法增大硅棒的直徑（目前硅棒的直徑已經(jīng)達(dá)到100~150mm），用區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅技術(shù)是將區(qū)熔提純和制備單晶結(jié)合在一起，可以得到純度很高的單晶硅，但成本很高。目前，在所有太陽(yáng)能電池中此種硅片的效率是最高的，因此，采用低成本的方式改進(jìn)區(qū)熔法生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用單晶硅也是目前的發(fā)展方向。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池效率

6、，近年來(lái)大力發(fā)展高效化電池工藝，主要有發(fā)射極鈍化及背面局部擴(kuò)散工藝、埋柵工藝和雙層減反射膜工藝等。 多晶硅材料生長(zhǎng)主要運(yùn)用定向凝固法及澆鑄法工藝。定向凝固法是將硅材料在坩鍋中熔融后，使坩鍋形成由上而下逐漸下降的溫度場(chǎng)或從坩鍋底部通冷源以造成溫度梯度， 使固液界面從坩鍋底部向上移動(dòng)而形成晶體。澆鑄法是將熔化后的硅液倒入模具內(nèi)形成晶錠，鑄出的方形硅錠被切成方形硅片做成太陽(yáng)電池。 目前使用最廣泛的是澆鑄法， 此法簡(jiǎn)單，能耗低， 利于降低成本，但容易造成錯(cuò)位、雜質(zhì)等缺陷，而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽(yáng)能電池。 由于多晶硅太陽(yáng)電池存在雜質(zhì)問(wèn)題，光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅電池低但成本有所降低。目前阻礙太陽(yáng)

7、能電池推廣應(yīng)用的最大障礙就是成本問(wèn)題，為進(jìn)一步降低成本，基于薄膜技術(shù)的第二代太陽(yáng)能電池登上了歷史舞臺(tái)。 3.2第二代太陽(yáng)能電池 第二代太陽(yáng)能電池是基于薄膜技術(shù)之上的一種太陽(yáng)能電池。在薄膜電池中，很薄的光電材料被鋪在襯底上， 大大地減小了半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度僅1um），也容易形成批量生產(chǎn)（其單元面積為第一代太陽(yáng)電池單元面積的100 倍），從而大大地降低了太陽(yáng)能電池的成本。薄膜太陽(yáng)能電池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化鎘等。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)較為成熟。 目前，多晶硅薄膜生長(zhǎng)技術(shù)主要有液相外延生長(zhǎng)法、低壓化學(xué)氣相沉淀法、 快熱化學(xué)氣相沉淀法、催化化學(xué)氣相沉淀法、 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉

8、淀法、超高真空化學(xué)氣相沉淀法、固相晶化法和區(qū)熔再結(jié)晶法等。薄膜電池在很大程度上解決了太陽(yáng)能電池的成本問(wèn)題，但是效率很低。目前商用薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有6%~8%【3】。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率， 各國(guó)學(xué)者開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池的效率極限和能量損失機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了第三代太陽(yáng)能電池的概念。 3.3． 第三代太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的卡諾循環(huán)效率可以達(dá)到95%，而目前標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限為33%， 這說(shuō)明提高太陽(yáng)能電池的效率還有很大的空間。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率， 新南威爾士大學(xué)對(duì)太陽(yáng)能電池中能量損失機(jī)理進(jìn)行了研究。 圖⑵是太陽(yáng)能電池能量損失機(jī)

9、理的示意圖。圖中①為熱損失，②和③為PN結(jié)和接觸電壓損失，④為電子--空穴結(jié)合所造成的損失。 由圖⑵可見(jiàn)，造成太陽(yáng)能電池的能量損失主要是熱損失，光生載流子對(duì)能很快將能帶多余的能量以熱的形式損失掉； 另一主要的能量損失是由電子--空穴對(duì)的重新結(jié)合引起的； 還有一部分能量損失是由PN結(jié)和接觸電壓損失引起的。為減少熱損失，可以設(shè)法讓通過(guò)太陽(yáng)能電池的光子能量剛剛大于能帶能量，使得光子的能量激發(fā)出的光生載流子沒(méi)有多余的能量可以損失。為減少電子--空穴結(jié)合所造成的損失，可設(shè)法延長(zhǎng)光生載流子的壽命，這可以通過(guò)消除不必要的缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小PN結(jié)的接觸電壓損失，可以通過(guò)聚集太陽(yáng)光，加大光子密度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

10、 基于以上分析，澳大利亞和美國(guó)分別提出了第三代太陽(yáng)能電池的概念。當(dāng)然，目前第三代太陽(yáng)能電池主要還在進(jìn)行概念和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)研究。第三代太陽(yáng)能電池主要有前后重疊電池，多能帶電池， 熱太陽(yáng)能電池， 熱載流子電池，和沖擊離子化太陽(yáng)能電池等。 4.第三代新型太陽(yáng)能電池的介紹 4.1.疊層太陽(yáng)能電池 疊層太陽(yáng)電池的制備可以通過(guò)兩種方式得到。一種是機(jī)械堆疊法，先制備出兩個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)電池，一個(gè)是高帶寬的，另一個(gè)則是低帶寬的，然后把高帶寬的堆疊在低帶寬的電池上面；另一種是一體化的方法，電池間通過(guò)隧道結(jié)串接。在多結(jié)疊層串接太陽(yáng)電池中，由于各分電池由P-N結(jié)組成，如果直接串聯(lián)在一起，則由于P

11、-N結(jié)反偏而不導(dǎo)電， 采用隧道結(jié)結(jié)構(gòu)可以解決這一問(wèn)題。據(jù)分析，無(wú)限增加太陽(yáng)電池的層數(shù)，理論上可獲得的最高效率為86.8%。 4.2.多能帶太陽(yáng)能電池 多能帶電池也稱(chēng)為不純能帶電池，最簡(jiǎn)單的就是3能帶電池。能帶1和能帶3是大塊結(jié)晶中的價(jià)電子帶和傳導(dǎo)帶，能帶2是人工制備的中間能帶。這樣，高能量范圍內(nèi)的太陽(yáng)光()引起能帶1和3間的轉(zhuǎn)移，而中間能量范圍的太陽(yáng)光引起能帶1和2以及能帶2和3間的轉(zhuǎn)移而被吸收，這是覆蓋更寬的太陽(yáng)光譜的嘗試。因此，和多結(jié)太陽(yáng)電池的情形一樣，對(duì)削減短波長(zhǎng)域的能量損失有較好的效果。 4.3. 多載流子太陽(yáng)電池 提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率即是盡可能多地將光子的能量用于激

12、發(fā)出電子一空穴對(duì)，而避免其轉(zhuǎn)換成熱能。如果一個(gè)高能量光子激發(fā)出一對(duì)電子一空穴對(duì)并使它們成為具有多余能量的“熱載流子”，而這 個(gè)熱載流子具有的能量仍高于激發(fā)一對(duì)電子一空穴對(duì)所需要的能量，那么這個(gè)熱載流子就完全有可能把多余的能量用來(lái)產(chǎn)生第二對(duì)電子一空穴對(duì)，如果光子的能量比禁帶寬度的三倍還大，就可能產(chǎn)生第三對(duì)電子一空穴對(duì)。這些電子空穴對(duì)將增大太陽(yáng)電池的輸出電流，從而提高光子的利用效率。 4.4.熱光伏電池 熱光伏技術(shù)是將受熱高溫?zé)彷椛潴w的能量通過(guò)半導(dǎo)體P-N結(jié)電池直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。熱光伏電池使用一個(gè)吸熱裝置吸收太陽(yáng)光，再把吸收的能量放出來(lái)供給電池，原理如圖11所示。該裝置的 溫

13、度遠(yuǎn)低于太陽(yáng)的溫度，因此其輻射的平均光子能量遠(yuǎn)小于陽(yáng)光。這些光子中能量較高的被電池吸收轉(zhuǎn)化成電能，而其中能量較小的又被反射回來(lái)，容易被吸熱裝置吸收，用以保持吸熱裝置的溫度。這種方法的最大特點(diǎn)是電池不能吸收的那部分能量可以反復(fù)利用。 5.總結(jié) 太陽(yáng)能光發(fā)電是太陽(yáng)能利用的最佳途徑。目前正在進(jìn)行著從第一代基于硅晶片技術(shù)的太陽(yáng)能電池向基于半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的第二代半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的過(guò)渡。 第一代太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為11%~15%，但成本太高。第二代太陽(yáng)能電池成本大大降低，但轉(zhuǎn)換效率只有6%~8%。 為進(jìn)一步提高效率，同樣基于薄膜技術(shù)的第三代太陽(yáng)能電池已經(jīng)開(kāi)始研制， 其轉(zhuǎn)換效率將是第一代和第二代太陽(yáng)能電

14、池的數(shù)倍， 它的問(wèn)世將使人類(lèi)在太陽(yáng)能利用的歷史上翻開(kāi)新的一頁(yè)。 待添加的隱藏文字內(nèi)容1 參考文獻(xiàn)： [1] 趙書(shū)利,葉烽,朱剛. 太陽(yáng)能電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J]. 船電技術(shù), 2010,(04) . [2] 太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)[J]. 中外能源, 2010,(05) . [3] 許偉民,何湘鄂,趙紅兵,馮秋紅. 太陽(yáng)能電池的原理及種類(lèi)[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2011,(02) [4] 李麗,張貴友,陳人杰,陳實(shí),吳鋒. 太陽(yáng)能電池及關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料, 2008,(11) . [5] 王秀波. 太陽(yáng)能電池概述[J]. 和田師范專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào), 20

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