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                                                                太阳能电池技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中,大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。

太阳能是一种辐射能,它必须借助予能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能(或其他光能)变换成电能的能量转换器,就叫做太阳能电池

太阳能电池的基本工作原理

太阳能电池的工作原理基础是半导体p-n结的“光生伏打”效应。所谓光生伏打效应,简单地说,就是当物体受到光照时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,产生电子--空穴对,在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区,受内部电场的吸引,电子流入n区,空穴流入p区,结果使n区储存了过剩的电子,p区有过剩的空穴。它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。

光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外,还使p区带正电,n区带负电,在n区和p区之间的薄层就产生电动势,这就是光生伏特效应。当把能量加到纯硅中时(比如以热的形式),它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。

每有一个电子离开,就会留下一个空穴。然后,这些电子会在晶格周围四处游荡,寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子,它们可以运载电流。

这个电场相当于一个二极管,允许(甚至推动)电子从p侧流向n侧,而不是相反。当光以光子的形式撞击太阳能电池时,其能量会使电子空穴对释放出来。每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子,从而产生一个自由的空穴。

如果这发生在离电场足够近的位置,或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内,则电场会将电子送到N侧,将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏,如果我们提供一个外部电流通路,则电子会经过该通路,流向它们的原始侧(P侧),在那里与电场发送的空穴合并,并在流动的过程中做功。从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差,这就形成了电源。

由于半导体不是电的良导体,电子在通过p-n结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖p-n结(如图梳状电极),以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜,将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波,如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上,光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。

射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能,值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。

太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染。

太阳能电池的种类

太阳能电池按形态可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池;按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形;按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形;根据所用材料的不同,还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。

硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面,这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片,经过一系列的半导体工艺形成PN结。

然后采用丝网印刷法做成栅线,经过烧结工艺制成背电极,单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板),构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装,将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。

硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。

现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。

提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,实验室成果也有20%以上的。

单晶硅太阳能电池的特点

单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,虽然其转换效率高,但是制作单晶硅太阳能电池需要大量的高纯度硅材料,且工艺复杂,电耗很大池工艺影响,且太阳能电池组件平面利用率低,致使单晶硅成本价格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困难的。

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,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

多晶硅太阳能电池

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样,是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。

多晶硅太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件,半导体的PN结被光照后产生电流,当光直射太阳能电池芯片,其中一部分被反射,一部分被吸收。一部分透过电池芯片、被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子,使之成为自由电子,这些自由电子在晶体内向各方向移动,余下空穴(电子以前的位置)。空穴也围绕晶体飘移,自由电子(-)在N结聚集,空穴(+)在P结聚集,当外部环路被闭合,电流产生。

太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化,然后注入石墨铸模中,即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体,以便切片加工成方形电池片。

多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多,其光电转换效率约12%左右,稍低于单晶硅太阳能电池,但是材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。

多晶硅太阳能电池的特点

1、具有稳定高效的光电转换效率。

2、表面覆深蓝色氮化硅减反膜,颜色均匀美观。

3、高品质的银和银铝浆料,确保良好的导电性、可靠的附着力和很好的电极可焊性。

4、高精度的丝网印刷图形和高平整度,使得电池易于自动焊接和激光切割。

非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成,基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,电耗更低。

制造方法有多种,最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法制造,可一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。

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。非晶硅属于直接带系材料,对阳光吸收系数高,只需要1ùm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。

非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产。由于硅原料不足和价格上涨,促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足,未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。

但是由于非晶硅缺陷较多,制备的太阳能电池效率偏低,且其效率还会随着光照衰减,导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。

目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合,生成非晶硅/晶硅异质结太阳能电池,这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点,而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度,目前单纯非晶硅薄膜电池的最高转换效率为17.4%。

非晶硅薄膜太阳能电池的特点

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比,具有重量轻、工艺简单、成本低、耗能少和便于大规模生产等优点,因此受到人们重视,并得到迅速的发展。非晶硅薄膜太阳能电池首先实现商品化,也是目前产业规模最大的薄膜电池。

虽然非晶硅薄膜太阳能电池得到了广泛的研究和应用。但是,依然存在着很多问题需要去解决:

1、y光学禁带宽度为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域吸收不敏感,限制了其光电转换效率;

2、光电转换效率随着光照时间的增长而衰弱,即所谓的光致衰退(SW)效应,使得电池性能不稳定;

3、制备过程中,非晶硅的沉积速率较低,影响了非晶硅薄膜太阳能电池的商业化生产;

4、电池组件的后续加工困难,如Ag电极的处理问题;

5、在薄膜沉积过程中存在大量的负面杂质,如Oz,Nz和C等,影响薄膜的质量和电池的稳定性。

多元化合物薄膜太阳能电池

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染。

因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

CIS铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。

聚合物多层修饰电极型太阳能电池

在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机P-N结的单向导电装置。

其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。

当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时.光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。

由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本底等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索

纳米晶化学太阳能电池

在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的,但由于成本居高不下,远不能满足大规模推广应用的要求。为此,人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索,而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。

纳米晶化学太阳能电池(简称NPC电池)是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的,窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料,大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极,此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。

纳米晶TiO2工作原理:染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5-1/10.寿命能达到2O年以上。

钙钛矿型太阳能电池

2015年,日本、中国和瑞士研究人员借助薄膜掺杂技术,制造出一种面积为1平方厘米的钙钛矿太阳能电池,其公证效率为15%,研究人员给钙钛矿电池的无机界面层氧化镍薄膜重掺杂锂与镁,将其导电性提高了10倍左右。

钙钛矿型太阳能电池,是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,即是将染料敏化太阳能电池中的染料作了相应的替换。

如图示,钙钛矿太阳能电池由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层(ETM)、钙钛矿光敏层、空穴传输层(HTM)和金属电极。

其中,电子传输层一般为致密的TiO2纳米颗粒,以阻止钙钛矿层的载流子与FTO中的载流子复合。通过调控TiO2的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力,以提高电池的性能。

下图为钙钛矿太阳能电池的结构及其载流子传输机制

钙钛矿太阳能电池中的物理过程

在接受太阳光照射时,钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异,这些载流子或者成为自由载流子,或者形成激子。而且,因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率,所以载流子的扩散距离和寿命较长。这就是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。

然后,这些未复合的电子和空穴分别别电子传输层和空穴传输层收集,即电子从钙钛矿层传输到TiO2等电子传输层,最后被FTO收集;空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层,最后被金属电极收集。

当然,这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失,如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能,这些载流子的损失应该降到最低。最后,通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。

薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池就是根据其厚度特征定义出来的。硅晶太阳能电池有350微米左右厚的吸光层,但是薄膜太阳能电池的吸光层只有1微米厚。

薄膜太阳能电池的生产者们开始减少吸光材料的层数,比如基体上的半导体、涂层玻璃等。用作半导体的材料不需要很厚,因为它们吸收太阳能非常高效。所以,薄膜太阳能电池轻质、耐用、简单。

根据所用半导体的类型,薄膜太阳能电池主要有以下三类:非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。

非晶硅是传统硅晶太阳能电池的改进版,它们被广泛应用于太阳能电子器件中,但是非晶硅也存在着一些缺点和不足。

非晶硅太阳能电池最大的问题之一就是其半导体所用的材料,硅在市场上并不容易找到,往往是供小于求;而非晶硅的效率又不够高。因此,这种电池正经历着显著的没落。

更薄的非晶硅电池克服了这一缺点,但是厚度减小后的电池吸收光能的效率更低了。非晶硅电池适用于小尺寸器件,比如说计算器,但不适用于大尺寸器件,比如靠太阳能供电的建筑物。

无硅薄膜光电技术的良好发展开始克服非晶硅存在的问题,如碲化镉电池和铜铟镓硒电池。

基于玻璃的铜铟镓硒太阳能电池

基于箔条的铜铟镓硒太阳能电池

薄膜太阳能电池背后的基础科学知识与传统的硅晶电池还是相同的。光电转换电池需要依赖于半导体。半导体以纯物质存在时是绝缘体,但是被加热或和其他材料结合时便能够导电。当半导体材料被混合或掺杂磷后,就有了额外的自由电子,这就是我们所熟知的N型半导体。当半导体以其他材料掺杂(如硼),就有了额外的空位能够接收电子,这就是P型半导体。

薄膜太阳能电池通过一层膜将N型半导体和P型半导体连接起来,这就是连接面。即使在没有光的情况下,少量的电子能够从N型半导体穿过连接面到达P型半导体,产生一个小电压。在有光的条件下,光子能够击出大量的电子,这些电子流过连接面形成电流。

传统的太阳能电池在P型半导体和N型半导体中加入硅,而最新一代的薄膜太阳能电池使用碲化镉或铜铟镓硒薄层替代硅。以纳米粒子的形式存在,铜铟镓硒四种元素在均匀分配系统中进行自装配,以确保这四种元素的比例永远是正确的。

铜铟镓硒太阳能电池有两种基本的外形。玻璃态的电池需要用钼制造正电极,但是在箔条状电池中不需要钼薄层,因为箔条可以作为电极。氧化锌薄膜在铜铟镓硒电池中扮演另一电极的角色。在正负电极之间插入的是半导体材料和硫化镉,这两个薄层扮演了N型半导体和P型半导体的角色,用于传到电极之间产生的电流。

碲化镉电池和铜铟镓硒电池有着相似的结构。它的一个电极由一层渗了铜的碳胶制成,另以电极由氧化锡或锡酸镉制成。所用的半导体是碲化镉,和硫化镉一起扮演了N型半导体和P型半导体的角色。

太阳能电池的未来发展方向

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。

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。



18-09-03 10:40    回复
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