太陽能電池論文

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1、太陽能電池原理及發(fā)展 摘 要：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, 光伏市場快速發(fā)展并取得可喜的成就。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)換效率和發(fā)展前景。 關(guān)鍵字太陽能電池；原理；發(fā)展；前景 Pick to: the mankind is faced with limited conventional energy and the serious destruction of environment pressure, has bec

2、ome more and more concern of social and environmental issues. In recent years, the rapid development of PV market and has made gratifying achievements. This paper introduces the principle and the development of solar cells, as well as various types of solar battery, compares the various solar cell c

3、onversion efficiency and development foreground. Keywords solar cell; principle; development prospect; 1.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(fèi)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(diǎn)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)換效率和發(fā)展前景。 2.太陽能電池原理 太陽能電池是一對光有

4、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P－N結(jié)。 當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，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(dāng)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。這個過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。 3.太陽能電池的發(fā)展 3.1第一代太陽能電池 1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一塊半導(dǎo)體太陽能電池，開始了利用太陽能

5、發(fā)電的新紀(jì)元。由于太陽能電池價格昂貴，因此其發(fā)展緩慢，當(dāng)時主要用于航天科技工程。20世紀(jì)70年代，由于石油危機(jī)，使人們對于可再生能源的興趣越來越濃，太陽能電池也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。近幾年太陽電池市場以每年30%的速度遞增。目前，第一代太陽能電池約占太陽能電池產(chǎn)品市場的86% 。第一代太陽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%。 單晶硅生長技術(shù)主要有直拉法和懸浮區(qū)熔法。目前，在所有太陽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)熔法生長太陽能電池用單晶硅也是目前的發(fā)展方向。為了進(jìn)一步提高太陽能電池效率，近年來大力發(fā)展高效

6、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。 多晶硅材料生長主要運(yùn)用定向凝固法及澆鑄法工藝。目前使用最廣泛的是澆鑄法， 此法簡單，能耗低， 利于降低成本，但容易造成錯位、雜質(zhì)等缺陷，而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽能電池。 由于多晶硅太陽電池存在雜質(zhì)問題，光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅電池低但成本有所降低。目前阻礙太陽能電池推廣應(yīng)用的最大障礙就是成本問題，為進(jìn)一步降低成本，基于薄膜技術(shù)的第二代太陽能電池登上了歷史舞臺。 3.2第二代太陽能電池 第二代太陽能電池是基于薄膜技術(shù)之上的一種太陽能電池。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

7、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電池單元面積的100 倍），從而大大地降低了太陽能電池的成本。薄膜太陽能電池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化鎘等。多晶硅薄膜太陽能電池技術(shù)較為成熟。 目前，多晶硅薄膜生長技術(shù)主要有液相外延生長法、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能電池的成本問題，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

8、能量損失機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了第三代太陽能電池的概念。 3.3． 第三代太陽能電池 太陽能轉(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)太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限為33%， 這說明提高太陽能電池的效率還有很大的空間。為了進(jìn)一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率， 新南威爾士大學(xué)對太陽能電池中能量損失機(jī)理進(jìn)行了研究。 圖⑵是太陽能電池能量損失機(jī)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，造成太陽能電池的能量損失主要是熱損失，光生載流子對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--空穴對的重新結(jié)合引起的

9、； 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)法讓通過太陽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)法延長光生載流子的壽命，這可以通過消除不必要的缺陷來實(shí)現(xiàn)。減小PN結(jié)的接觸電壓損失，可以通過聚集太陽光，加大光子密度的方法來實(shí)現(xiàn)。 基于以上分析，澳大利亞和美國分別提出了第三代太陽能電池的概念。當(dāng)然，目前第三代太陽能電池主要還在進(jìn)行概念和簡單實(shí)驗(yàn)研究。第三代太陽能電池主要有前后重疊電池，多能帶電池， 熱太陽能電池， 熱載流子電池，和沖擊離子化太陽能電池等。

10、 4.第三代新型太陽能電池的介紹 4.1.疊層太陽能電池 疊層太陽電池的制備可以通過兩種方式得到。一種是機(jī)械堆疊法，先制備出兩個獨(dú)立的太陽電池，一個是高帶寬的，另一個則是低帶寬的，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，電池間通過隧道結(jié)串接。在多結(jié)疊層串接太陽電池中，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-N結(jié)反偏而不導(dǎo)電， 采用隧道結(jié)結(jié)構(gòu)可以解決這一問題。據(jù)分析，無限增加太陽電池的層數(shù)，理論上可獲得的最高效率為86.8%。 4.2.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

11、一個吸熱裝置吸收太陽光，再把吸收的能量放出來供給電池，原理如圖11所示。該裝置的 溫度遠(yuǎn)低于太陽的溫度，因此其輻射的平均光子能量遠(yuǎn)小于陽光。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，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.太陽能電池的應(yīng)用 上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系

12、統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢 目前,太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、 通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。 　　 但是，從長遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光—電轉(zhuǎn)

13、換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護(hù)和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。 6.總結(jié) 太陽能光發(fā)電是太陽能利用的最佳途徑。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)體太陽能電池的過渡。 第一代太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為11%~15%，但成本太高。第二代太陽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)的第三代太陽能電池已經(jīng)開始研制， 其轉(zhuǎn)換效率將是第一代和第二代太陽能電池的數(shù)倍， 它的問世將使人類在太陽能利用的歷史上翻開新的一頁。 參

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