太陽能電池原理及發(fā)展論文

《太陽能電池原理及發(fā)展論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《太陽能電池原理及發(fā)展論文（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 太陽能電池發(fā)展及原理 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 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

2、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(dāng)太陽光照射到半導(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

3、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(yùn)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。 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

4、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(fèi)的能量也就越大?？梢姡挥羞x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。 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

5、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。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

6、，近年來大力發(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電池。 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

7、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

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)

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，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； 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)。

10、 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。 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

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.多能帶太陽能電池 多能帶電池也稱為不純能帶電池，最簡單的就是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)的太陽光()引起能帶1和3間的轉(zhuǎn)移，而中間能量范圍的太陽光引起能帶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光譜的嘗試。因此，和多結(jié)太陽電池的情形一樣，對削減短波長域的能量損失有較好的效果。 4.3. 多載流子太陽電池 提高太陽電池轉(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，而避免其轉(zhuǎn)換成熱能。如果一個高能量光子激發(fā)出一對電子一空穴對并使它們成為具有多余能量的“熱載流子”，而這 個熱載流子具有的能量仍高于激發(fā)一對電子一空穴對所需要的能量，那么這個熱載流子就完全有可能把多余的能量用來產(chǎn)生第二對電子一空穴對，如果光子的能量比禁帶寬度的三倍還大，就可能產(chǎn)生第三對電子一空穴對。這些電子空穴對將增大太陽電池的輸出電流，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

13、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.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

14、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。 待添加的隱藏文字內(nèi)容1 參考文獻(xiàn)： [1] 趙書利,葉烽,朱剛. 太陽能電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J]. 船電技術(shù), 2010,(04) . [2] 太陽能電池的開發(fā)趨勢[J]. 中外能源, 2010,(05) . [3] 許偉民,何湘鄂,趙紅兵,馮秋紅. 太陽能電池的原理及種類[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. 太陽能電池概述[J]. 和田師范?？茖W(xué)校學(xué)報, 20

15、10,(06) . [6] 倪萌,M K Leung,K Sumathy. 太陽能電池研究的新進(jìn)展[J]. 可再生能源, 2004,(02) . [7]壽莎,黃仕華. 對太陽能電池研究進(jìn)展的探究[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保, 2009,(01) . [8]章詩,王小平,王麗軍,朱玉傳,林石裕,顧應(yīng)展,田健健,周成琳. 薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報, 2010,(09) . [9]宏娟. 太陽能電池工作原理與種類[J]. 黑龍江科技信息, 2007,(17) [10]高暉. 提高太陽能電池效率的新技術(shù)[J]. 世界電子元器件, 1997,(06)