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太阳能电池


太阳能电池
——太阳能芯片 or 光电池
太阳能光伏 (PV) 它是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,即 只要被光照到,瞬间就可输出电压及有回路的情况下 产生电流。 化工1502 杨蓓蓓

背景
自从两次工业革命以后,煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛 地应用到生产生活的各个方面。随着社会经济的不断发展和人类文明的 不断进步,人类对能源的需求量不断飞速增长。 然而,这些曾经被人类广泛应用并且现在还在被使用的基本都是不 可再生能源。其有限的储量与人类无限的需求之间构成了不可调和的矛 盾。 其次,煤、石油、天然气等化石燃料的储量有限,预计最多还能继 续使用一个世纪,且燃烧后会产生大量的CO2气体,造成温室效应,加 速全球气候变暖,给人类及其它动物的生存构成了巨大挑战。 再者,这些不可再生能源的大量使用,还会产生环境污染、生态 破坏等严重问题。

三大优势
如今开发一种储量巨大、清洁、无污染的可再生能源已经成为当今社会的 广泛共识。 与常规能源相比,太阳能具有三大优势:

一、它是人类可以利用的最丰富的能源,据统计,在过去的漫长的十几亿年
中,太阳只消耗了它本身能量的2%,按照这样的速度计算,太阳足以供给人 类使用十几亿年,可谓取之不尽,用之不竭。 二、在地球上,只要有光照的地方都有太阳能,这样我们就可以就地开发利 用,不存在运输问题,尤其对于交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有 实用价值。 三、太阳能是一种十分清洁的能源。在开发和利用太阳能时,不会产生废渣、 废水和废气;也没有噪音,更不会因此产生大气污染、影响生态平衡等环境 问题。

太阳能电池发展史
太阳能光伏发电最核心的器件

太阳能电池

太阳能电池发展史
*太阳能电池的理论基础

1839年:法国科学家埃德蒙.贝克雷
尔发现光伏现象 1904年:爱因斯坦的光电效应

太阳能电池发展史

太阳能电池发展史

应用原理
光伏效应
太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下, 空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。

太阳能电池原理
N型半导体

杂志半导体
P型半导体

1、N型半导体 (1)构成 在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,也称电子半导体。 一般掺入的5价元素如磷,锑、砷等。

太阳能电池原理
(2)原子结构 本征半导体中掺入5价元素后,原 来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代 替。杂质原子最外层有5个电子,其中4 个与硅构成共价键,多余1个电子只受 自身原子核吸引,室温下即可成为自由 电子。

自由电子数目远大于空穴数目

太阳能电池原理
2 P型半导体 (1) 构成 在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素,也称空穴半导体 一般掺入3价的元素如硼、镓、铟等。 空穴主要由杂质原子提供,自由电子由热激发形成。掺入的杂质越 多,空穴的浓度就越高,导电性能就越强。

自由电子数目远少于空穴数目

太阳能电池原理
PN结及其单向导电性
在一块半导体单元晶一侧掺杂构成P型半导体,另一侧掺杂构成 N型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,成为PN结。 1、PN结形成

太阳能电池原理

PN结的形成
在空间电荷区及PN结中,多数载流子已经扩散到对方并复合掉了,或着说 消耗尽了,因此又称PN结为耗尽层。

太阳能电池原理
2、PN结的单向导电性 (1)PN结正偏时处于导通状态 P端接电源的正极,N端接电源的负极称之为PN结正偏

太阳能电池原理
(2)PN结反偏时处于截止状态 P端接电源的负极,N端接电源的正极称之为PN结反偏

“正向导通,反偏阻断”

太阳能电池原理

当晶片受光后,PN结中,N型半导体的空穴往P型区移动,而P型区中的 电子往N型区移动,从而形成从N型区到P型区的电流。然后再PN结中形 成电势差,这就形成了电源。

太阳能电池的更新换代
第一代:单晶硅和多晶硅两种 第二代:薄膜太阳能电池 第三代:铜铟镓硒CIGS(CIS中掺 入Ga)等化合物薄膜太阳能电池及 薄膜Si系太阳能电池

太阳能电池的更新换代
第一代太阳能电池占太阳能电池产品市场的89.9%。第一代 太阳能电池基于硅晶片基础之上,主要采用单晶体硅、多晶体 硅为材料。其中,单晶硅电池转换效率最高,可达到18-20%, 但生产成本高。多晶硅电池转换效率低一些,可达到14-16%, 由于生产成本低而成为目前的主流。

太阳能电池的更新换代
第二代太阳能电池占太阳能电池产品市场的9.9%, 第二代太阳能电池基于薄膜技术基础之上,主要采用 非晶硅及氧化物等材料为材料。效率比第一代低,最 高的转化率为13%,但生产成本最低(单晶硅的1/5)。

太阳能电池的更新换代
第三代太阳能电池现在还处于实验室生产状态。第三代太 阳能电池的效率为17%,成本仅有单晶硅的1/3.由于其的高效 率,低成本而存在潜在庞大的经济效应。但由于技术还未成熟, 因此产量很少,仅占世界的0.29%

太阳能电池的更新换代

太阳能电池的发展与分析
第一代太阳能电池: (1)单晶硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池使用的 硅原料主要为:半导体硅碎片,半导体单晶硅的头、 尾料,半导体用不合格的单晶硅。目前单晶硅薄膜电 池的最高转换效率达24.7%。 (2)多晶硅太阳能电池:多晶硅太阳能电池一般采 用低等级的半导体多晶硅,或者专门为太阳能电池使 用而生产的铸造多晶硅等材料。与单晶硅太阳能电 池相 比,多晶硅太阳能电池成本较低,而且转换效率 与单晶硅太阳能电池比较接近,它是太阳能电池的主 要产品之一。

第二代太阳能电池:第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的 一种太阳能电池。其核心是一种可粘接的薄膜,这种薄膜的优 势:可以大批量,低成本的生产。 (1)非晶硅薄膜太阳能电池 非晶态硅,其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则,而 是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅对阳光吸收系数高, 只需1?m厚的薄膜就可以吸收80%的阳光 (2)多晶硅薄膜太阳能电池:多晶硅薄膜:一种是采用非硅衬 底;另一种是采用低品质的硅衬底。薄膜技术所需的材料较 晶体硅太阳能电池少得多,且易于实现大面积电池的生产, 是一种有效降低成本的方法,薄膜电池主要为多晶硅薄膜电 池,目前多晶硅薄膜电池的最高转换效率达19.2%。

第三代太阳能电池:化合物薄膜太阳能电池 (1)铜铟镓硒薄膜太阳能电池

CIGS 薄膜太阳能电池通常采用钠钙玻璃(soda-lime glass,SLG)作为衬底, 其典型结构为SLG/Mo/CIGS/CdS/HR-ZnO/n+-ZnO,如图所示。其一般制备过 程是首先在SLG 衬底上沉积一层Mo作为背电极,接下来沉积p 型CIGS 吸收层 和CdS缓冲层,然后沉积高阻(high resistance,HR)ZnO和n 型重掺杂ZnO 来作为窗口层,最后沉积Ni-Al顶电极作为电流收集栅线,有时候还要在窗口层 上沉积一层抗反射膜MgF2 来减少太阳光的反射损失。 在各种薄膜太阳能电池中,铜铟镓硒薄膜太阳能电池由于材料有近似最佳的光 学能隙、吸收率高、抗辐射能力强和稳定性好等特点,被国际上称为最有希望 获得大规模应用的太阳能电池之一,受到了广泛的关注。2010 年8 月,德国太 阳能和氢能研究中心(ZSW) 研究的CIGS 太阳能电池的光电转化率达到20. 3%。 在产业化组件转换效率方面,2010 年12 月,CIGS 薄膜太阳能电池板制造 MiaSol 研发的大面积生产组件( 面积为1 m2 )效率达到15. 7% ,是商业规模薄膜 组件中已证实的最高效率。采用柔性衬底也是CIGS 薄膜电池的发展趋势之一。 有文献报道称以金属箔为衬底制造的CIGS 电池最高效率达到17. 7%。2011 年5 月,瑞士联邦材料科学与技术实验室EMPA 在PI 衬底上制造出转化效率为18. 7% 的柔性CIGS 电池。Islam M M 等人研究了AZO(Al∶ ZnO)薄膜窗口层厚度 对CIGS 太阳能电池光电性能的影响,研究表明: 当AZO 窗口层厚度为400 nm时, CIGS 太阳能电池光电性能达到最优,转换效率可达17. 2%

(2)碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe) CdTe 薄膜太阳能电池具有成本低、转换效率高且性能稳定的优势, 是技术上发展较快的一种薄膜太阳能电池。制备CdTe 薄膜太阳能 电池主要的工艺有丝网印刷烧结法、近空间升华法( CSS)、真空蒸 发法、电沉积法、溅射法等。此类电池最早由Kodak 公司于1982 年制造出来,转换效率超过10%。赵守仁等用inline 方式全部近空 间升华方法制备的n-CdS /p-CdTe 的转换效率约为11%,其中nCdS 层采用磁控溅射方法可取得约10% 的转换效率。据了解,半 导体硅的禁带宽度为1. 12 eV,而CdTe 的禁带宽度为1. 46 eV。 在阳光下,太阳能电池效率的最大值出现在禁带宽度为1. 4 eV 时。 CdTe 可能是比硅更为优越的光电材料,而且其良好的稳定性也受 到研究者的青睐。但是构成CdTe 的Te 和Cd 都属于有毒元素,一 旦进行市场化,所引起的安全和环保问题需要引起高度重视。

(3)砷化镓薄膜太阳能电池(GaAs) 制备GaAs 薄膜太阳能电池的方法有晶体生长法、直接拉制法、 气相生长法、液相外延法等。1954 年,首次发现GaAs 材料具有 光生伏特效应,1974 年,GaAs 电池效率的理论值达22% ~ 25%。20 世纪80 年代中后期,美国的ASEC 公司改用MOVPE 技术制备GaAs /GaAs 太阳能电池,并于1987 年成功地用Ge 单 晶代替GaAs 作为外延衬底,制备出GaAs /Ge 太阳能电池。目前, 其最高效率超过20%,生产过程中转化效率已经达到了19% ~ 20%。2009 年,荷兰的Bauhuis G J等使GaAs 单结电池转换效 率达到26.1%。2008 年,美国Emcore 公司通过大尺寸薄膜剥离 技术,从0.1 mGaAs衬底上将GaAs 太阳能电池完整地剥离下来, 剥离后制作的电池具有21.1% 的光电转换效率,而且剥离后的 GaAs 衬底经过处理可以再次使用。2011 年,美国国家可再生能 源实验室(NREL)研制的小面积(0.99 cm2 )GaAs 薄膜太阳能电池 实现了28.3% 的光电转换效率,其制备的面积为856.8 cm2 的 GaAs 薄膜太阳能电池组件效率也达到了23.5%。

(4)铜锌锡硫薄膜太阳能电池(CZTS) CIGS 薄膜太阳能电池虽然具有优异的性能,但是存在In 和Ga 稀缺的问题。CZTS( Cu2ZnSnS4) 薄膜是替代CIGS 光伏电池 吸收层的最佳选择之一,原材料Cu,Zn,Sn 和S 在地壳中储 量丰富。CZTS 是一种直接带隙半导体材料,光学吸收系数超 过104 cm - 1 ,光学带隙在1. 45 eV 左右,非常接近光伏电池 的理想带隙1. 4 eV,理论上可达到单结电池的最高转换效率。 CZTS 薄膜太阳能电池目前尚处在实验室研究到中试研究阶段, 目标是使用相对便宜、丰富的原材料获得最大的转换效率。

(5)聚合物薄膜太阳能电池 聚合物薄膜太阳能电池的基本工作原理是基于半导体异质结(p - n 结)或金属/半导体界面附近的光生伏特效应。目前,制作聚合物半 导体层主要采用真空镀膜溅射和分子束外延生长等真空技术,以及 溶液处理成膜技术,主要有电化学沉积技术、铸膜技术、分子组装 技术、印刷技术等,以及电化学法、扩散法和气相法等单晶技术。

(6) 染料敏化太阳能电池(DSSC)
瑞士科学家Gr?tzel 利用多孔纳米结构的TiO2 电极材料并在其上涂 覆适当的有机染料光敏化剂, 以达到吸收可见光的效果, 成功制备 出效率为7 .1 %的太阳电池,这样的太阳电池称为染料敏化太阳电 池(Dye-sensitized solar cell ,DSSC)。

染料敏化太阳能电池的结构: 染料敏化电池主要由5 部分构成:透明导电基板、光导电极、染料 敏化剂、电解质和透明辅电极。评价太阳能电池的指标有很多, 通常包括开路电压(Open circuit phot ovoltage)Voc 、短路电流 (Short circuit photocurrent)Isc 、电池的总效率η、光电转换 IPCE(Incident photon-cur rent conversion efficiency)等

DSSC的工作原理: ? 太阳光照射到电池表面时,吸附在二氧化钛光阳 极表面的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态 S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内,此时 染料分子自身转变为氧化态S+。 ? 注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底,并通 过外电路流向对电极,形成电流。 ? 处于氧化态的染料分子从电解质溶液中的电子给 体得到电子,自身恢复为还原态,使染料分子再 生。 ? 被氧化的电子给体扩散至对电极,在对电极表面得 到电子被还原,从而完成一个光电化学反应循环。

DSSC的制备: 薄膜太阳电池中起着接收和传输电子作用的纳米多 孔薄膜, 至少应满足以下3 个条件:(1)必须有足够大 的比表面积, 从而能够吸附大量的染料;(2)纳米多孔 薄膜吸附染料的方式必须保证电子有效地注入薄膜 的导带;(3)电子在薄膜中有较快的传输速度,从而减 少薄膜中电子和电解质受主的复合。 当前,制备TiO2 和ZnO 光电极薄膜的主要方法有溶 胶-凝胶法、沉积法、溅射法、自组装装备法、水 热法等。

优点: ? 制成透明产品,应用范围广 ? 在各种条件下使用 ? 光的利用率高 ? 对光阴影不敏感 ? 可在很宽的温度范围内工作

液态电解质存在的问题:
? ? ? ? ? 易导致敏化染料的脱附 溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解 密封工艺复杂 载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定 存在其他氧化还原反应

固态电解质存在的问题
? TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高,导致电池 填充因子低。 ? 空穴材料本身导电率低,导致电池光电流低。 ? 电解质与电极纳米粒子之间的接触性能差,影响界面上 的电荷传质速度,降低填充因子

还有些新型太阳能电池: ? 叠层电池 ? 多能带电池 ? 多次激发电子空穴对 ? 热载流子电池


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