新能源论文

新能源论文 新能源材料制备与加工论文 班 级: 学 号: 姓 名: 太阳能电池的原理及发展 摘要: 针对能源危机日益严重，积极寻找替代能源，开发节能技术尤为重要。目前，太阳能电池的利用备受关注。该项目通过进行了Si太阳能电池温度特性和光谱特性测试装置的设计研究，并利用设计的装置，对Si太阳能电池特性参数测量，得到相关特性曲线，可为Si太阳能电池的制造、性能检测、应用提供实验数据，并可用于为学生开设综合、设计型的专业实验和开放实验，为高校相应设备的技术改造提供技术参考，并且节能环保，必将带来一定的经济效益和社会效益。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。 关键字 能源危机、Si太阳能电池、温度特性、光谱特性、发电方式、能量转换、光生伏特效应、原理、发展、前景。 前言 太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪的热门课题，太阳能电池的光谱响应和温度特性的测试对提高太阳能电池的生产工艺水平和研究电池片的性能有重要的参考价值。鉴于受实验条件和实验装置的限制，传统的太阳能电池特性参数测量装置，把主要研究内容放在了电池的光照特性、I-V特性和负载特性上，对光谱特性和温度特性研究很少，甚至没研究。该项目通过进行Si太阳能电池温度特性和光谱特性测试装置的设计，测试得出Si太阳能电池温度特性和光谱特性。 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。 正文 1、太阳能电池简介 太阳能电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以 产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 2、太阳电池的基本构造 从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子(空穴)由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。在交界处，它们会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。 3、太阳能电池的原理 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。 4、太阳电池的种类和原理 (1)光—热—电转换 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一 样.太阳能热发电的缺点是 效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5,10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20,25亿美元， 平均1kW的投资为2000,2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。 (2)光—电直接转换 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。 5、太阳能电池的转换过程 数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电 中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电 阻上每秒每立方厘米流入n个电子，则加在负载电阻上的电压v=qnr=ir表示。由于电路中无电源，电压v=ir实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏 置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流id=i0[exp(qv/nkt)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流iph相反的方向流动，因而流入负 载电阻的电流值为 在负载电阻上，一个电子失去一个qv的能量，即等于光子能量hν转换成电能qv。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在p型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流 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。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 图1 太阳能电池的发电原理 6、光生伏特效应原理 当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受 内建电场的吸引，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pn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。此时，如果将外电路短路，则外电 路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将pn结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n区和p区，使n区的费米能级 比p区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差voc。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极 管的正向电流相等，并由此可以决定voc的值。 7、光生伏特效应用 光伏材料能将太阳能直接转换成电能。光伏材料又称太阳能电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、 非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。 其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳能电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。 以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为光伏产业，包括高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。 我国光照充沛，光能资源分布较为均匀;与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠;除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存， 太阳能+蓄能，几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。 太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。 光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节;中游为电池片、电池组件环节;下游为应用系统环节。从全球范围来看，产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加，光伏市场产业链呈金字塔形结构。 8、太阳能电池的基本特性 (1)光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4-1.2μm，而硒光电池只能为0.38-0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 (2)光照特性: 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压(即负载电阻RL无限大时)与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。 (3)温度特性光 电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较 快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 9、太阳能电池的发展 (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。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。 (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【3】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%。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)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?是太阳能电池能量 损失机理的示意图。图中? 为热损失，?和?为PN结和 接触电压损失，?为电子-- 空穴结合所造成的损失。 由图?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。 10、第三代新型太阳能电池的介绍 (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%。 (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 h,E的太阳光()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v13 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。 (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)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。 11、提高太阳能转换效率的方式 (1)聚光太阳电池的效率 串联电阻很小时，聚光度对小面积太阳电池转换效率的影响 串联电阻较大时，聚光度对大面积太阳电池转换效率的影响 聚光度GaAs太阳电池转换效率的影响 使用聚光系统需要注意的问题: 1、随着聚光度的增加，不能转换为电能的光能将会转化为热能，大量热能的积累将会导致电池温度的上升，不仅造成太阳电池的转化效率降低，而且过高的温度将导致电池系统破坏。 2、对于浓聚光度太阳电池，需要设置冷却系统对电池进行冷却。 (2)基于分光的复式电池系统 分段式复式电池 联级叠层式复式电池 聚光联级式太阳电池系统的理论效率 12、影响太阳能电池转换效率的因素 (1)禁带宽度的影响 禁带宽度与太阳电池转化效率曲线 (2)温度的影响 ，，EC,,CkTBgpn ,,， Vln,,,,ocqqJNN,,scda,,，， ，，dEC,,dVCkBgpocn,, ,,， qln,,,,dTdTqJNN,,scda,,，， dEE,,11gg,, ,,,Voc,,qdTTq,, 温度每增加一度，电压下降0.4%，效率也下降同样的百分数; (3)复合寿命的影响 增加载流子的复合寿命，可提高太阳电池的短路电流;增加载流子的复合寿命， 暗电流的降低，太阳电池的输出电压增加，从而提高了太阳电池的转换效率。 (4)光强的影响 ，，EC,,CkTBgpn,,， Vln ,,,,ocqqJNN,,scda,,，， V 单位面积的短路电流与光强成正比，随入射光的增加而增加。 oc PVIFF，，mocsc ,,,P入射太阳功率in V 入射光强增加，短路电流增加，增加，太阳电池的转换效率大幅度提高。 oc (5)掺杂浓度及剖面分布的影响 ，，EC,,CkTBgpn,,，Vln ,,,,ocqqJNN,,scda,,，， N和NV 随着的增加，增加，则太阳电池的转化效率提高。 adoc V掺杂浓度对有效浓度和的影响 oc (6)表面复合速率的影响 ，，EC,,CkTBgpn ,,， Vln,,,,ocqqJNN,,scda,,，， IV 随着表面复合速率的增加，短路电流增加，暗电流下降，增加，太阳能电scoc池的转化效率提高。 (7)串联电阻的影响 串联电阻相当于内阻，通过改变I-V曲线的位置，影响转化效率。 (8)金属栅与光反射的影响 金属栅起收集电流和引线的作用，因其不透光，占据一定的受光面积，所以为了 I提高，应尽量减少金属栅的表面积。 sc 表面存在反射，减少进入太阳电池表面的光能，所以应尽量降低太阳能电池表面的反射，从而提高太阳能电池的转化效率。 (9) 13、太阳能电池的特点 181.8，10 (1)广泛性:地球一年接受太阳的总能量为KWh，(约为太阳总辐射能的20亿分之一)，为人类消耗总能量的12000倍，可在任何形状的基底上制作，可以使用柔性基底; (2)清洁性:不存在污染; (3)分散性:存在接受太阳能的问题，未获取足够的太阳能，需要足够的接收面积; (4)间歇性:产生的能量与负载的匹配问题，受昼夜、季节、气候变化的影响，较难与负载匹配; (4)电池材料资源问题，接收面积布满太阳电池，需要大量材料; (5)太阳电池的成本问题:电池组件、电力的储存与转换、电池组件的支持与架设、土地与场所、设备费用等。 13、开发太阳能电池所面临的问题 (1)如何提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的发电成本; (2)开发薄膜电池，减少对材料的需求; (3)降低材料关键材料的制造成本，从而降低太阳能电池的发电成本。 14、 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。 参考文献: [1] 赵利,叶烽,朱刚. 太阳能电池技术应用与发展[J]，船电技术, 2010,(04) 。 [2] 太阳能电池的开发趋势[J]. 中外能源, 2010,(05) 。 [3] 许伟民,何湘鄂,赵红兵,冯秋红， 太阳能电池的原理及种类[J]，发电设备, 2011,(02) 。 [4] 李丽,张贵友,陈人杰,陈实,吴锋. 太阳能电池及关键材料的研究进展[J]. 化工新型材料, 2008,(11) 。 [5] 王秀波，太阳能电池概述[J]， 和田师范专科学校学报, 2010,(06) 。 [6] 雷永泉，新能源材料 ，天津大学出版社，2000。 [7] 赵富鑫，魏彦章，太阳电池及其应用，国防工业出版社，1985。