太阳能电池原理及发展

太阳能电池原理及发展专业：应用物理班级：1201班姓名:李彦强学号：201205422太阳能电池原理及发展人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力,己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来,光伏市场快速发展并取得可喜的成就。1.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源。太阳在40min内照射到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。本文介绍了太阳能电池的原理和发展,以及各类新型太阳能电池,比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。2.太阳能电池原理太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N结区，通过P—N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。3.太阳能电池的发展3.1第一代太阳能电池1954年，美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元。由于太阳能电池价格昂贵，因此其发展缓慢，当时主要用于航天科技工程。20世纪70年代，由于石油危机，使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓，太阳能电池也进入了快速发展的阶段。近几年太阳电池市场以每年30%的速度递增。目前，第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的86%。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、多晶体硅及GaAs为材料，转换效率为11%~15%。单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法是将硅材料在石英坩锅中加热熔化，使籽晶与硅液面接触，向上提升以长出柱状的晶棒。直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径（目前硅棒的直径已经达到100~150mm），用区熔法生长单晶硅技术是将区熔提纯和制备单晶结合在一起，可以得到纯度很高的单晶硅，但成本很高。目前，在所有太阳能电池中此种硅片的效率是最高的，因此，采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电池用单晶硅也是目前的发展方向。为了进一步提高太阳能电池效率，近年来大力发展高效化电池工艺，主要有发射极钝化及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。定向凝固法是将硅材料在坩锅中熔融后，使坩锅形成由上而下逐渐下降的温度场或从坩锅底部通冷源以造成温度梯度，使固液界面从坩锅底部向上移动而形成晶体。浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭，铸出的方形硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。目前使用最广泛的是浇铸法，此法简单，能耗低，利于降低成本，但容易造成错位、杂质等缺陷，而导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。由于多晶硅太阳电池存在杂质问题，光电转换效率比单晶硅电池低但成本有所降低。目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问题，为进一步降低成本，基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史舞台。3.2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。在薄膜电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上，大大地减小了半导体材料的消耗（薄膜厚度仅1um），也容易形成批量生产（其单元面积为第一代太阳电池单元面积的100倍），从而大大地降低了太阳能电池的成本。薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉等。多晶硅薄膜太阳能电池技术较为成熟。目前，多晶硅薄膜生长技术主要有液相外延生长法、低压化学气相沉淀法、快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和区熔再结晶法等。薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题，但是效率很低。目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6%~8%【3】。为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率，各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。3.3．第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到95%，而目前标准太阳能电池的理论转换效率上限为33%，这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。为了进一步提高太阳能电池的转换效率，新南威尔士大学对太阳能电池中能量损失机理进行了研究。图⑵是太阳能电池能量损失机理的示意图。图中①为热损失，②和③为PN结和接触电压损失，④为电子--空穴结合所造成的损失。由图⑵可见，造成太阳能电池的能量损失主要是热损失，光生载流子对能很快将能带多余的能量以热的形式损失掉；另一主要的能量损失是由电子--空穴对的重新结合引起的；还有一部分能量损失是由PN结和接触电压损失引起的。为减少热损失，可以设法让通过太阳能电池的光子能量刚刚大于能带能量，使得光子的能量激发出的光生载流子没有多余的能量可以损失。为减少电子--空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子的寿命，这可以通过消除不必要的缺陷来实现。减小PN结的接触电压损失，可以通过聚集太阳光，加大光子密度的方法来实现.基于以上分析，澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念。当然，目前第三代太阳能电池主要还在进行概念和简单实验研究。第三代太阳能电池主要有前后重叠电池，多能带电池，热太阳能电池，热载流子电池，和冲击离子化太阳能电池等。4.第三代新型太阳能电池的介绍4.1.叠层太阳能电池叠层太阳电池的制备可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳电池，一个是高带宽的，另一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面；另一种是一体化的方法，电池间通过隧道结串接。在多结叠层串接太阳电池中，由于各分电池由P-N结组成，如果直接串联在一起，则由于P-N结反偏而不导电，采用隧道结结构可以解决这一问题。据分析，无限增加太阳电池的层数，理论上可获得的最高效率为86.8%。4.2.多能带太阳能电池多能带电池也称为不纯能带电池，最简单的就是3能带电池。能带1和能带3是大块结晶中的价电子带和传导带，能带2是人工制备的中间能带。这样，高能量范围内的太阳光(13hEv引起能带1和3间的转移，而中间能量范围的太阳光引起能带1和2以及能带2和3间的转移而被吸收，这是覆盖更宽的太阳光谱的尝试。因此，和多结太阳电池的情形一样，对削减短波长域的能量损失有较好的效果。4.3.多载流子太阳电池提高太阳电池转换效率即是尽可能多地将光子的能量用于激发出电子一空穴对，而避免其转换成热能。如果一个高能量光子激发出一对电子一空穴对并使它们成为具有多余能量的“热载流子”，而这个热载流子具有的能量仍高于激发一对电子一空穴对所需要的能量，那么这个热载流子就完全有可能把多余的能量用来产生第二对电子一空穴对，如果光子的能量比禁带宽度的三倍还大，就可能产生第三对电子一空穴对。这些电子空穴对将增大太阳电池的输出电流，从而提高光子的利用效率。4.4.热光伏电池热光伏技术是将受热高温热辐射体的能量通过半导体P-N结电池直接转换成电能的技术。热光伏电池使用一个吸热装置吸收太阳光，再把吸收的能量放出来供给电池，原理如图11所示。该装置的温度远低于太阳的温度，因此其辐射的平均光子能量远小于阳光。这些光子中能量较高的被电池吸收转化成电能，而其中能量较小的又被反射回来，容易被吸热装置吸收，用以保持吸热装置的温度。这种方法的最大特点是电池不能吸收的那部分能量可以反复利用。5.总结太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡。第一代太阳能电池转换效率为11%~15%，但成本太高。第二代太阳能电池成本大大降低，但转换效率只有6%~8%。为进一步提高效率，同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制，其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍，它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。6.附图：