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浅谈太阳能电池的发展与应用

浅谈太阳能电池的基本原理与应用

摘要:人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭,能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题,研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池,太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。为全面的了解太阳能电池的相关知识,本文通过查阅大量资料与新闻信息,综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理,基本结构,主要类型,发展现状及趋势。

关键词:太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率

引言:由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略,是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 2) 要有较高的光电转换效率; ( 3) 材料本身对环境不造成污染; ( 4) 材料便于工业化生产且材料性能稳定. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势.

1 基本原理

太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

1.1 半导体的简单介绍

半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料,这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度,电阻率下降。半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。

1.1.1关于半导体的基本概念

共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

载流子:运载电荷的粒子称为载流子,包括电子与空穴。

杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。

P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三

价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。

P型半导体的导电特性:它是靠空穴导电,掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。

N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,形成N型半导体。

N型半导体的导电特性:掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。

1.2 P-N节的简单介绍

P型半导体与N型半导体相互接触时,其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散,造成正负电荷在PN 结两侧的积累,形成电偶极层。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时,P区和N区之间形成一定的电势差,称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合,而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合。PN结的一重个要性质是受到光照后能产生电动势,称光生伏打效应,可利用来制造光电池。

1.3 光伏效应

基本原理如图1所示,光生伏特效应”,简称“光伏效应”,英文名称:Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。

浅谈太阳能电池的发展与应用

图1 光伏效应基本原理1.4 太阳能电池发电原理

1.4.1 太阳能电池结构

太阳能电池的外形及基本结构如图2所示,基本材料为P型单晶硅,厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区,构成一个PN +结。顶区表面有栅状金属电极,硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N+区和P 区形成欧姆接触,整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。

浅谈太阳能电池的发展与应用

图2 太阳能电池基本结构

1.4.2发电原理

当入发射光照在电池表面时,光子穿过

减反射膜进入硅中,能量大于硅禁带宽度的光子在N+区,PN+结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区,就对发光电压作出贡献。光生电子留于N+区,光生空穴留于P区,在PN+结的两侧形成正负电荷的积累,产生光生电压,此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后,光电池就从P区经负载流至N+区,负载中就有功率输出。

太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短波长的紫光(或紫外光)敏感,约占总光源电流的5-10%(随N+区厚度而变),PN+结空间电荷的光生电流对可见光敏感,约占5 %左右。电池基体区域产生的光电流对红外光敏感,占80-90%,是光生电流的主要组成部分。

2太阳能电池的发展历程

1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳能电池最早被应用于人造卫星的电力系统,以及尖端军事领域,到1970年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

3 太阳能电池的几种重要种类

太阳能电池种类繁多, 主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类。

3.1硅太阳能电池

硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高, 技术也最为成熟. 在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位, 但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐. 为了节省高质量材料, 寻找单晶硅电池的替代产品, 现在发展了薄膜太阳能电池, 其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层( 多结) 非晶硅太阳电池。

3.1.1单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池,是当前开发得最快的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。

3.1.2多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池,其转换效率一般为12%左右,稍低于单晶硅太阳电池,没有明显效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池。

3.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金属片等不同材料当基板来制造,形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm,目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外,也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大,可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份,应用非常广泛。

4 太阳能电池的发展现状及趋势

4.1现状及进展

太阳能发电是一项高新技术,以太阳能为资源基础的生产将是一种可持续的发展模式。从阳光直接转变成电流的太阳电池也将不再是昂贵的的市场空缺。全球太阳能产品的年销售额达14亿美元,其中12亿美元来自太阳能电池的销售。太阳能工业的年增长率估计在20%左右,太阳能利用增长的潜力是巨大的。

过去几年中, 太阳能电池级的硅原料的生产和硅衬底的制取得到重大进展。例如

带硅、锭铸硅、大晶粒多晶硅和非晶态硅/简写为# 一6 7 2 都取得重要的发展成果, 并且现在都正在用它们生产太阳能电池组件。另外, 在太阳能电池的大规模生产方面, 如生产自动化、封装、电池联接工艺方法、聚能系统、储能系统以及太阳能电池的效率上, 也都取得了进展。

4.2未来发展方向

4.2.1薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池是最富前途的下一代太阳能电池技术,它节省了硅原料的使用和硅片制造工艺。与目前常见的硅片太阳能电池相比,硅薄膜太阳能电池用硅量仅为前者的1%左右,可使每瓦太阳能电池成本从2.5美元降至1.2美元。此外,这种高科技新产品可与建筑物屋顶、墙体材料如玻璃幕墙融为一体,既可并网发电又能节约建筑材料、美化环境。

4.2.2超高级太阳能电池的探索

第三代聚光太阳能(CPV)发电方式,正逐渐成为太阳能领域的焦点。

光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池,目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV系统发电。与前两代电池相比,CPV 采用多结的III-V族化合物电池,具有大光谱吸收、高转换效率等优点;而且所需的电池面积不大,以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料,在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。

太阳能作为一种持久、普遍、巨大的能源,可以说是取之不尽用之不竭。相比于其他能源,太阳能的利用是洁净、无污染的,利用太阳能不会对生态环境造成污染。当人类面临能源与环境危机时,迫切的需要找到一种清洁,高效且相对充足的能源形势来满足社会经济的发展,而太阳能则是最好的选择之一。目前太阳能的开发方式主要为太阳能电池的形势,经过短短几十年的发展,太阳能电池已具备相当成熟的技术并应用于人们生产生活的方方面面。相信,随着技术水平的不断提高,太阳能电池会得到更大的发展,造福于人类社会。

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