星空体育全站app浅谈太阳能电池的发展与应用pdf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 半导体材料指常温下导电性能介于导 求。促使人们致力于开发新型能源。太阳 体 (conductor)与绝缘体 (insulator)之间 在40min内照射带地球表面的能量可供全 的材料，这种材料在某个温度范围内随温度 球目前能源消费的速度使用1年。合理的 升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下 利用好太阳能将是人类解决能源问题的 降。 半导体材料很多，按化学成分可分为 长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热 元素半导体和化合物半导体两大类。锗和 点之一。 在太阳能的有效利用中, 太阳 硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包 能的光电利用是近些年来发展最快、最具 括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、 活力的研究领域. 太阳能电池的研制和 Ⅱ-Ⅵ族化合物 ( 硫化镉、硫化锌等)、氧化 开发 日益得到重视. 太阳能电池是利用 物 (锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ- 光电材料吸收光能后发生的光电子转移 Ⅴ族化合物和 Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体 反应而进行工作的. 根据所用材料的不 （镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体 同, 太阳能电池主要可分为四种类型 : 外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导 ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄 体等。 膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺 (4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅 入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 材料为主的主要原因是其对电池材料的 在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的 要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能 变化。 太宽 ; ( 2) 要有较高的光电转换效率 ; 1.1.1关于半导体的基本概念 ( 3) 材料本身对环境不造成污染; ( 4) 共价键结构：相邻的两个原子的一对最 材料便于工业化生产且材料性能稳定. 外层电子 （即价电子）不但各自围绕自身所 随着新材料的不断开发和相关技术的发 属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属 展, 以其他材料为基础的太阳能电池也 的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子 综述了太阳能电池的原理、种类及其研究 由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的 现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 束缚变成为自由电子。 1 基本原理 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成 太阳能 （Solar Energy），一般是指太 为自由电子而留下一个空位置称空穴。 阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利 载流子：运载电荷的粒子称为载流子， 用 （光热转换）和光电转换两种方式。太阳 包括电子与空穴。 能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半 是通过光电效应或者光化学效应直接把光 导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂 能转化成电能的装置。 质半导体。 1.1 半导体的简单介绍 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。 图 1 光伏效应基本原理 1.2 P-N 节的简单介绍 1.4 太阳能电池发电原理 P 型半导体与N 型半导体相互接触时， 1.4.1 太阳能电池结构 其交界区域称为 PN 结。P 区中的自由空穴 太阳能电池的外形及基本结构如图 2 所 和 N 区中的自由电子要向对方区域扩散，造 示，基本材料为 P 型单晶硅，厚度为 0.3— 成正负电荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶 0.5mm 左右。上表面为 N+型区，构成一个 PN 极层。电偶极层中的电场方向正好阻止扩 ＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面 散的进行。当由于载流子数密度不等引起的 为金属底电极。上下电极分别与 N＋区和 P 扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡 区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着 时，P 区和N 区之间形成一定的电势差，称 减反射膜。 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，称光生伏打效应星空体育平台，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。 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 硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转 光子在 N+区，PN＋结空间电荷区和P 区中激 换效率最高, 技术也最为成熟. 在大规模 发出光生电子——空穴对。各区中的光生载 应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据 流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光 主导地位, 但单晶硅材料价格高而且制备 电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生 工艺相当繁琐. 为了节省高质量材料, 寻 空穴留于 P 区，在 PN＋结的两侧形成正负电 找单晶硅电池的替代产品, 现在发展了薄 荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效 膜太阳能电池, 其中典型代表有以高温、快 应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就 速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电 从 P 区经负载流至N＋区，负载中就有功率 池和叠层( 多结) 非晶硅太阳电池。 输出。 3.1.1单晶硅太阳能电池 太阳能电池各区对不同波长光的敏感 单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅 型是不同的。靠近顶区湿产生阳光电流对短 棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快 波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源 的一种太阳能电池。它的构造和生产工艺已 电流的5－10％ （随N＋区厚度而变），PN＋ 定型，产品已广泛用于空间和地面。 结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占 3.1.2多晶硅太阳能电池 5 ％左右。电池基体区域产生的光电流对红 多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的 外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要 高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池 组成部分。 的材料制备工艺相对简化等优点的新一代 2 太阳能电池的发展历程 电池，其转换效率一般为12%左右，稍低于 1839 年，光生伏特效应第一次由法国物 单晶硅太阳电池，没有明显效率衰退问题， 理学家 A.E.Becquerel 发现。1954 年当美国 并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本 的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅 远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜 中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一 电池。 现象后，第一个太阳能电池在 1954 年诞生 3.2 薄膜太阳能电池 在贝尔实验室。太阳能电池最早被应用于人 薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的 造卫星的电力系统，以及尖端军事领域，到 玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材 1970 年代能源危机时，让世界各国察觉到能 料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚 源开发的重要性。1973 年发生了石油危机， 度仅需数μm， 目前转换效率最高以可达 人们开始把太阳能电池的应用转移到一般 13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也 的民生用途上。在美国、日本和以色列等国 因为具有可挠性可以制作成非平面构造其 家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化 应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑 的目标前进。在这些国家中，美国于 1983 体的一部份，应用非常广泛。 年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它 4 太阳能电池的发展现状及趋势 的发电量可以高达 16 百万瓦特。南非、博 4.1现状及进展 茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也 太阳能发电是一项高新技术，以太阳能 设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本 为资源基础的生产将是一种可持续的发展 的太阳能电池发电系统。 模式。从阳光直接转变成电流的太阳电池也 3 太阳能电池的几种重要种类 将不再是昂贵的的市场空缺。全球太阳能产 太阳能电池种类繁多, 主要有硅太阳 品的年销售额达 14 亿美元，其中 12 亿美元 能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜 来自太阳能电池的销售。太阳能工业的年增 太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶 长率估计在 20%左右，太阳能利用增长的潜 薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大 力是巨大的。 类。 过去几年中, 太阳能电池级的硅原料 3.1 硅太阳能电池 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/ [参 考 文 献] 简写为# 一 6 7 2 都取得重要的发展成果, [1] 王远, 吴麟章, 罗雪莲, 等. 一种在室温下 并且现在都正在用它们生产太阳能电池组 制备柔性太阳能电池的新方法[J].武汉科学 件。另外, 在太阳能电池的大规模生产方面, 院学报, 2005, 18(8): 9-11 如生产自动化、封装、电池联接工艺方法、 [2] 魏奎先, 戴永年, 马文会,等.太阳能电池硅 聚能系统、储能系统以及太阳能电池的效率 转换材料现状及发展趋势[J] . 轻金属,2006 上, 也都取得了进展。 (2) : 52 -56 4.2 未来发展方向 [3] 张晓丹, 张发荣, 赵颖, 等. 1 nm / s 4.2.1 薄膜太阳能电池 高速率微晶硅薄膜的制备及其在太阳能电 薄膜太阳能电池是最富前途的下一代 池中的应用[J] . 半导体学报, 2007, 28 太阳能电池技术，它节省了硅原料的使用和 (2) : 209 -212 硅片制造工艺。与目前常见的硅片太阳能电 [4] 沐俊应, 徐娟, 粱氏秋水, 等. 有机薄膜 池相比，硅薄膜太阳能电池用硅量仅为前者 太阳能电池的研究进展[J] . 电子工艺技 的 1%左右，可使每瓦太阳能电池成本从 2.5 术,2007, 28(2) : 93-96 美元降至 1.2 美元。此外，这种高科技新产 [5] 苏孙庆. 多晶硅薄膜太阳能电池的研究进 品可与建筑物屋顶、墙体材料如玻璃幕墙融 展[J] .技术物理教学,2007, 15(2): 45- 47 为一体，既可并网发电又能节约建筑材料、 [9]钟文建. 多晶硅太阳能电池工艺技术 美化环境。 讨及应用前景分析[J] .陶瓷科学与技术, 4.2.2 超高级太阳能电池的探索 2005, 39 (5) : 36-40 第三代聚光太阳能 （CPV）发电方式， [6] 薛俊明, 麦耀华, 赵颖, 等. 薄膜非晶 正逐渐成为太阳能领域的焦点。 /微晶硅叠层太阳电池的研究[J] . 太阳台 光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代 能学报, 2005, 26( 2 ): 166-169 薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效 [7] 朱锋, 赵颖, 魏长春, 等. 薄膜非晶/微 的 CPV 系统发电。与前两代电池相比，CPV 晶叠层电池中NP 隧穿结的影响[ J] . 人 采用多结的 III-V 族化合物电池，具有大光 工晶体学报, 2006, 35 ( 1) : 81-84 谱吸收、高转换效率等优点；而且所需的电 [8] 叶宏伟, 陈红征, 汪 茫1 染料敏化太阳电 池面积不大，以相对廉价的聚光器件替代昂 池中固体电解质研究进展[ J] . 2002, 贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可 23( 5) : 543-549. 有效降低成本、降低生产能耗。 [9] 于站良, 马文会, 戴永年, 等. 太阳能级 硅制备新工艺研究进展[J] . 轻金属, 太阳能作为一种持久、普遍、巨大的能 2006( 3) : 43- 47 源，可以说是取之不尽用之不竭。相比于其 [10] 郭志球, 柳锡运, 沈辉, 等. 各向同性腐 他能源，太阳能的利用是洁净、无污染的， 蚀法制备多晶硅绒面[J] . 材料科学与工 利用太阳能不会对生态环境造成污染。当人 程学 报,2007, 25(1) :95- 98 类面临能源与环境危机时，迫切的需要找到 [11] 刘萍, 杨仕娥, 王生钊, 等. 陶瓷衬底上 一种清洁，高效且相对充足的能源形势来满 多晶硅薄膜太阳电池研究进展[J] . 人工 足社会经济的发展，而太阳能则是最好的选 晶体学报,2006, 35(2) :409- 414 择之一。目前太阳能的开发方式主要为太阳 [12] 王育伟, 刘小峰, 陈婷婷, 等. 薄膜太阳 能电池的形势，经过短短几十年的发展，太 能电池的最新进展[J] . 半导体光电, 阳能电池已具备相当成熟的技术并应用于 2008,29(2) : 151- 157, 195 人们生产生活的方方面面。相信，随着技术 [13] 杨定宇, 蒋孟衡, 涂小强. 低温多晶硅薄 水平的不断提高，太阳能电池会得到更大的 膜制备技术应用进展[J] . 电子元件与材 发展，造福于人类社会。 料, 2007, 26(8):8- 11 [14] 徐立珍, 李彦, 秦锋. 薄膜太阳电池的研 究进展及应用前景[J] . 可再生能源, 12: 55- 621 2006(3) : 9- 12 [29] 王红成, 林璇英, 曾晓华. a-S :i H 叠 [15] 于站良, 马文会, 戴永年, 等. 太阳能级 层薄膜太阳电池的最佳设计的计算机模 硅制备新工艺研究进展[J] . 轻金属, 拟 [J] .功能材料, 2003, 34 (6):673 - 2006(3) : 43- 47 675 [16] 郭志球, 柳锡运, 沈辉, 等. 各向同性腐 [30] 王文静. 多晶硅薄膜太阳电池[J] . 太阳 蚀法制备多晶硅绒面[J] . 材料科学与工程 能光电, 2005, 98 (3):9-11 学报, 2007, 25(1):95- 98 [17] 刘萍, 杨仕娥, 王生钊, 等. 陶瓷衬底上 多晶硅薄膜太阳电池研究进展[J] . 人工晶 体学报. 2006, 35(2) :409- 414 [18] 王育伟, 刘小峰, 陈婷婷, 等. 薄膜太阳 能电池的最新进展[J] . 半导体光电, 2008,29(2) : 151- 157, 195 [19] 杨定宇, 蒋孟衡, 涂小强. 低温多晶硅薄 膜制备技术应用进展[J] . 电子元件与材 料, 2007,26(8):8- 11 [20] 徐立珍, 李彦, 秦锋. 薄膜太阳电池的研 究进展及应用前景[J] . 可再生能源, 2006(3) : 9-12 [21] 黄子乾, 李肖, 潘彬, 等.

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