叠层太阳能电池的研究与发展

叠层太阳能电池的研究与发展
叠层太阳能电池的研究与发展

叠层太阳能电池的研究与发展

郝春云 杨明辉 杨海涛 高 玲

(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)

摘 要 综述了叠层太阳能电池的最新进展和研究现状,对各类叠层太阳能电池的结构、性能指标等做了介绍和评估,并且对叠层太阳能电池的发展趋势进行了讨论和预测。

关键词 叠层太阳能电池,转换效率

R esearch and development on tandem solar cells

Hao Chunyun Yang Minghui Yang Haitao G ao Ling

(State Key Lab of Advanced Technology for Material Synthesis and Processing,

Wuhan University of Technology,Wuhan430070)

Abstract The progress in tandem solar cells were reviewed in this paper.The structures,characteristics of every kinds of tandem solar cells were introduced and evaluated.At last the develo pment trends of tandem solar cells were also dis2 cussed and predicted.

K ey w ords tandem solar cell,conversion efficiency

太阳能作为一种可再生清洁能源日益受到重视。太阳能电池发展经历了三个过程:(1)以硅片为基础的“第一代”太阳能电池,其技术已发展成熟,材料成本在全部生产成本中占据主导地位。其生产成本太高使得人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜太阳能电池。(2)过去十几年里开发了低成本的“第二代”薄膜太阳能电池。其生产单位从1个硅片(~100cm2)到1个玻璃基片(~1m2),约增大了100倍。其中以多晶硅薄膜太阳能电池性能最优。(3)太阳能光电转换效率的carnot上限是95%[1],远远高于标准太阳能电池的理论上限33%,表明太阳能电池的性能还有很大的发展空间。接下来的几十年,“第三代”高转换效率的薄膜太阳能电池将会得到长足发展。叠层太阳能电池是其中方向之一。

1 叠层太阳能电池的提出和制备方法

由于太阳光光谱中的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池,被背电极金属吸收,转变成热能;高能光子超出能隙宽度的多余能量,则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子,使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载,变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。

太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样的电池结构就是叠层电池,可以大大提高性能和稳定性。

叠层太阳能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能电池,一个是高带宽的,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,先制备出一个完整的太阳能电池,再在

第32卷第12期2004年12月

化工新型材料

N EW CHEMICAL MA TERIAL S

Vol132No112

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作者简介:郝春云(1979-),女,硕士研究生。

第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。

2 叠层太阳能电池系列

叠层太阳能电池的研究主要集中在以下几个方面:非晶硅叠层太阳能电池、多元化合物叠层太阳能电池和染敏叠层太阳能电池。2.1 非晶硅叠层太阳能电池

2.1.1 α2Si :H/α2Si G e :H 叠层太阳能电池

美国Solerax 公司建造1座容量10兆瓦/年的α2Si 太阳能电池模块工厂,该工厂已在86平方英尺的玻璃衬底上生产激光互连型单板α2Si :H/α2Si G e :H 叠层太阳能电池模块。产品的基本器件结构是:

玻璃/TCO/p/i 1(α2Si :H )/n/p/i 2(α2Si G e :H )/n/

ZnO/Al/EVA/玻璃,如图1所示。其中前pn 结采用了能隙宽度约1178ev 的α2Si :H 本征吸收层,后pn 结则使用能隙宽度从1145~1155ev 的α2Si G e :H 本征合金层。前接触电极是用常压CVD (APCVD )法沉积的绒面氧化锡透明导电膜,非晶硅膜则采用等离子增强化学汽相沉积(PECVD )法沉积,其中约10nmp 型α2SiC :H 合金膜层直接沉积在镀有TCO 膜的玻璃上,前pn 结的本征α2Si :H 膜层利用硅烷和氢气混合气体进行沉积之后再沉积约10nm 的掺磷微晶硅膜层。接下来的第二个p 型α2SiC :H 膜层形成了隧道结并作为第二个结的组成部分,然后是用硅烷、锗烷和氢气沉积的能隙宽度小的α2Si G e :H 合金膜层。背接触电极由利用低压CVD (L PCVD )法沉积的100nm ZnO 和利用磁控溅射沉积的约300nm Al 层组成。在一块单板模块中的各部分利用三个激光刻划步骤进行互连。最后再利用另一块玻璃和两块玻璃间的EVA (乙基乙烯树脂)材料进行模块封装

图1 α2Si :H/α2Si G e :H 叠层电池结构示意图

三洋公司通过采用均匀成膜技术,可望使α2Si :H/α2Si G e :H 模块获得10%的稳定转化效率[2]。

2.1.2 μc 2Si :H/α2Si :H 叠层太阳能电池

光伏领域的一个新材料是等离子沉积μc 2Si :H ,

早在1968年Veprek 和Maracek 就沉积出了μc 2Si :

H 层,但到20世纪90年代才生产出真正的μc 2Si :H 太阳能电池。不象单晶硅和非晶硅,微晶硅是很复杂的材料,根据沉积条件的不同,它有不同的微结构形式只有一定形式的微晶硅适合用于太阳能电池中。生产的μc 2Si :H 单结电池的短路电流J S C =30mA/cm 2,开路电压V oc ≈520~560mv ,填充因子FF ≈70~77%,转换效率η>10%,从上面3个参数

可以认为,获得的μc 2Si :H 已经很不错,短期内很难再有很大提高了[3]。

为了进一步提高μc 2Si :H 电池的转换效率,人们开始了对μc 2Si :H/α2Si :H 叠层太阳能电池的研究。理论上,叠层电池的上下两个电池的带宽可以进行适当调节。据报道叠层电池的最优带宽组合是Eg top =1173ev.Eg bott =1116ev.这与α2Si :H 顶层电池和μ

c 2Si :H 底层电池的实际带宽接近。所以只要所有的技术问题可以得到较好的解决,μc 2Si :H/α2Si :H 电池将会比较有前景。

实际上,叠层电池的底层和顶层电池的应用相同的沉积条件。这适用于μc 2Si :H/α2Si :H 叠层太阳

能电池。

1994年,IM T Neuchatel 小组首次提出了μc 2Si :H/α2Si :H 叠层太阳能电池。在1997年报道了稳定效率超过10%的该系列电池。图2为该电池的基本结构和相应的光谱响应曲线

图2 μc 2Si :H/α2Si :H 叠层电池结构示意图和

相应的光谱响应曲线

2001年该研发小组报道了实验室报道了μc 2Si :

H/α2Si :H 叠层太阳能电池的稳定效率在10%~12%,该成果在韩国PVSEC 212大会上做了展示。

对于大面积模块,IM T Neuch tel 报道了4×

8cm 2的大面积模块的稳定效率为9%。最近日本的Kaneka 公司成功制备出一个大面积模块(015m 2),其稳定效率超过9%。这些模块已经在欧洲市场上小批量出现[3]。

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02?化工新型材料第32卷

μc2Si:H/α2Si:H叠层电池的α2Si:H顶层电池的设计很重要,因为顶层电池提供总功率的2/3,同时有光致衰减,故为获得稳定叠层电池性能,应该选择最优的顶层电池的i层材料和厚度,最优化应该得到高的电流而不是提高Voc.提高μc2Si:H/α2Si:H 叠层电池顶电池的电流密度的方法有两个:(1)在高的基片温度下沉积顶层材料的i层,这样可以减少带宽,从而提高给定i层厚度的电流;(2)沉积i层使得温度升高,这可以通过在p/i界面插入一个ZnO 界面层来抵消掉。ZnO界面层可以进一步提高非晶硅顶层电池的电流密度。这两种方法结合在一起使μc2Si:H/α2Si:H叠层电池的顶层i仅150nm,电流密度为13mA/cm2。

前面所指的模块性能是在标准测试条件下的,即光线垂直射入电池,在一光强下(约100mw/ cm2),AM=115,T=25℃.但在实际应用中光线可能会以θ≠90°入射,温度可能会升到60~80℃,在夜间或阴天光谱会发生移动,光强可能小于100 mw/cm2。

评估各种因素对μc2Si:H/α2Si:H叠层太阳能模块的影响的工作仍在进行中,基本数据表明此类模块在实际状况下进展很好,可能比别的类型的薄膜光伏模块要好些。

对μc2Si:H/α2Si:H叠层太阳能电池的研究是IM T Neuchatel开始的,目前日本工业研究小组也正在展开研究,预计在几年后可以达到10%的稳定的商业化模块效率(全面积效率)。

另外某些日本研究小组已在开发α2Si/p2Si薄膜叠层太阳能电池,Kaneka公司获得了初始转换效率为1014%的薄膜太阳能电池,其中,6μm厚的多晶硅薄膜太阳能电池是在低温(200~550℃)下用PECVD法沉积在玻璃衬底上的[4]。

国内关于叠层电池的研究并不多,南开大学的耿新华等采用工业用原料,以铝为背电极制备出面积为20×20cm2、转换效率为8128%的α2Si/α2Si叠层太阳能电池[5]。

2.2 多元化合物叠层太阳能电池

目前这类电池的研究集中在分别以G aAs和CuInSe2为组分的叠层太阳能电池上。对于每个单组分的多元化合物太阳能电池的制备方法和性能等见参考文献[6]。

G a InP/G aAs转换效率超过30%,另外G a InP/ G aAs/G e三结叠层电池在AM115测试,在峰值点电池效率为3410%,这是迄今为止报道的光伏电池中效率最高的。该三结型聚焦式太阳能电池取得了很大突破,使地面太阳能电池的效率大大提高,而制造成本大幅下降。另外德国费莱堡太阳能系统研究所制备出了G aAs/G aSb叠层电池,所得到的电池转换效率达到3111%。

人们早就预言在AM115的CGS/

CIS转换效率为3319%,该叠层电池的稳定性、直接带宽、高吸收系数对于生产低成本、高效率的两结叠层太阳能电池来说是可取的。对于两结叠层太阳能电池,其顶层电池对全部转换效率的贡献大,所以要达到CGS/ CIS25%的转换效率,需要转换效率>15%高质量的CGS顶层电池。另外以双梯度优化带宽结构的CIGS为底层电池的CGS/CIGS叠层电池,两个电池连在一起形成四个终端的叠层电池(在此类电池中两个电池的电流不需要匹配)。为得到最大的全部转换效率,需同时优化顶层和底层电池[7]。

2.3 染敏叠层太阳能电池

该类型电池由两个光电池组成:前面的电池吸收太阳光中的高能紫外和蓝光,利用纳米晶金属氧化物薄膜来产生电子2空穴对。波长在绿光到红光之间的光被Gr tzel敏化二氧化钛电池吸收,这两个电池连接起来提供电压。该设想是1999年Michael Gr tzel提出的,关于Gr tzel敏化二氧化钛染敏太阳能电池,可参见有关文献[8]。现在该类型的电池主要用于光解水制氢。其制氢气的叠层电池结构如图3所示:

图3 染敏叠层太阳能电池的基本结构

染敏太阳能电池的能量转换效率主要与敏化剂吸收太阳光谱范围的能力有关,为了提高光谱响应,在电池的两个不同隔间有两种不同的敏化剂染料的叠层结构电池已生产出来了。AM115时,全部的能量转换效率1015%,J S C=2111mA/cm2。

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第12期郝春云等:叠层太阳能电池的研究与发展

3 存在的主要问题及未来发展方向

叠层电池中顶层和底层电池的电流匹配在叠层电池中是个关键因素,例如:高效率的G aAs/G e叠层电池早在1987年就制备出来了,结果证明由于电流不匹配而不能应用。可用可行性分析方法或者用泊松比和连续性方程来设计叠层电池的电流匹配[9,10]。另外就是实际应用中叠层电池的稳定性问题。

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中要考虑的两个主要因素,对于目前的非晶硅系叠层太阳能电池,要想把效率提高很多是很困难的,而且非晶硅系叠层太阳能电池对材料纯度要求较高,价格贵,在很大程度上限制了其工业化推广。多元化合物叠层太阳能电池虽然转换效率高,但其材料稀少,从长远看来这类电池不可能占据主导地位。而染敏叠层太阳能电池的研究虽然刚刚起步,但其关键材料是二氧化钛薄膜和燃料光敏化剂,材料低廉而且来源广泛,并且染敏二氧化钛制备工艺简单。虽然目前还存在一些问题,但是我们相信,在不久的将来,随着技术的进一步发展,这种太阳能电池将有着十分广阔的应用前景。

参考文献

[1] Martin A.[J]1Physica E,2002,14∶65~70

[2] 李毅,胡盛明.[J]1真空科学与技术,2000,20(3)∶222~225

[3] J Meier3,S.Dubail,J.Cuperus,et al..[J]1Non2Crystalline

Solids,1998,1250~1256

[4] Arvind Shah3,J.Meier.[J]1Thin Solid Films,2002,403(04)

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[10] Pavelκtulík,Jai Singh.Solar Energy Materials and Solar Cells,

1997,46∶271~288

收稿日期:2004206207

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?化工新型材料第32卷

Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池

Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池 摘要 叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念,了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点,并就未来的发展趋势进行了展望。 关键词:Ⅲ-Ⅴ族化合物;太阳电池;新概念能源

III-V compound semiconductor multi-junction monolithic solar cell Abstract Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed.And the future direction was prospected. Key words:III-V compound;solar cells;new concept resource

硅太阳能电池的结构及工作原理

一.引言: 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。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍,太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW,较2005年成长19%,整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW,较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年,20世纪80年代末期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW,这种产能一直持续到2002年,产量则只有2MW左右。2002年后,欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前,我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW,同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上,我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年,尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入,但投入仍然不够,与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励,尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验,在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能,充分发挥政府的示范作用,推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显

有机太阳能电池原理及其前景展望

电子信息学院 《太阳能电池》 结业论文 有机太阳能电池原理及其前景展望

班级 姓名 学号 指导教师 日期2015.10

有机太阳能电池原理及其前景展望 *** (***) 摘要:俗话说,万物生长靠太阳,地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳;即使是化石燃料(如煤炭、石油、天然气等),从根本上说也是来自于太阳。如今,这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运,如何寻找新的可替代能源成为当务之急,而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择,其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理,并对其应用前景做出了展望分析。 关键词:有机太阳能电池;原理;结构;转换效率;缺陷;优势 中图分类号:TM914.4文献标识码:A The Principle of Organic Solar Cells and its prospect *** (***) Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect. Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority 0引言 现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题,太阳能是未来最有希望的能源之一[1],

太阳能电池的发展历史

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6217073880.html, 太阳能电池的发展历史 作者:张金晶 来源:《商情》2016年第26期 【摘要】相对于风能、地热能、生物能和潮汐能等新能源,太阳能以污染小、可利用率高、资源分布广泛和使用安全可靠等优点,成为最具有发展前景的能源之一。目前,随着太阳能电池制备技术的不断完善,其技术的开发应用已经走向商业化、大众化,特别是一些小功率、小器件的太阳能电池在一些地区都已经大量生产而且广泛使用。所以谁先开发光电转换效率高、制备成本低的太阳能电池就能在将来的市场抢占先机。 【关键词】太阳能单晶硅薄膜电池 引言:随着社会的飞速发展,能源是影响当今社会进步的重要因素,但是现阶段人类社会发展大部分还是依靠化石能源提供能量。可是化石能源分布极不均衡,并且不可再生,而且燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重影响到了人类社会的可持续发展。然而太阳能是一种可再生清洁能源,可以提供充足的能量供人类使用,因此开发新能源,是人类社会薪火相传,世代相传的重要保证。 此外,不可再生能源的过快消耗对当今的环境形势提出了新的挑战。例如如何解决温室效应,臭氧空洞等问题。有限的化石能源以及在开发利用不可再生能源的过程中出现的负面影响,不仅阻碍了人类经济的飞速发展,而且还严重影响到社会的可持续发展。因此,发展一种新型能源已然成为世界各国提升自己综合国力和倡导能源发展的一个重要手段。 1. 第一代太阳能电池 第一代太阳能电池是发展时间最久,制备工艺最为成熟的一代电池,一般按照研究对象我们将其可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。按照应用程度来说前两者单晶硅与多晶硅在市场所占份额最多,商业前景最好。 单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。从单晶硅太阳能电池发明开始到现在,尽管硅材料有各种问题,但仍然是目前太阳能电池的主要材料,其比例约占整个太阳电池产量的90%以上。我国北京市太阳能研究所从20世纪90年代起开始进行高效电池研究,采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术,使单晶硅太阳能电池的效率达到了19.8%。多晶硅太阳能电池的研究开发成本较低,稳定性也比较好,这两大优势引起了科研工作者的注意。其光电转换效率随着制备工艺的成熟不断提高,它达到的最高的光电转换效率为21.9%,但是它的电池效率在目前的太阳能电池中仍处于一般水平。 2.第二代太阳能电池

有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前 言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004   X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池研究毕 业论文 Final approval draft on November 22, 2020

非晶硅太阳能电池 赵准 (吉首大学物理与机电工程学院,湖南吉首 416000) 摘要:随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化.使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能,而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源,其辐射出来的功率约为其中有被地球截取,这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面,在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来,将一定的工质加热到较高的温度(通常为几百摄氏度到上千摄氏度),然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种:一种是光—伽伐尼电池,另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件,将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单.所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展,日本、德国、美国都大力发展光伏产业,他们走在了世界的前列,我国在光伏研究和产业方面也奋起直追,现在以每年20%的速度迅速发展。 关键词:光伏发电;太阳能电池;硅基太阳能电池;非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅(简称a一Si)薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2.4%。时隔20多年,a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业,世界上总组件生产能力每年在50MW以上,组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军,对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的,全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且,由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例,其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程,简要评述其中的关键之点,指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时,物 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。 为了理解太阳能电池的运做,我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料,通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素,那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素,那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起,由于电子和空穴的扩散,在交接面处便会形成PN结,并在结的两边形成内建电场。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,也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多,按材料来分,有硅基太阳能电池(单晶,多晶,非晶),化合物半导体太阳能电池(砷化镓(GaAs),磷化铟(InP),碲化镉(CdTe), 铜铟镓硒(CIGS)),有机聚合物太阳能电池(酞青,聚乙

叠层电池总结

叠层太阳能电池小结 1叠层电池概述 由于太阳光光谱中的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池,被背电极金属吸收,转变成热能;高能光子超出能隙宽度的多余能量,则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载,变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。 太阳光光谱可以被分成连续的若干部分,用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池,并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用,波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用,这就有可能最大限度地将光能变成电能,这样的电池结构就是叠层电池,可以大大提高性能和稳定性。 叠层a-Si:H太阳电池能提高效率、解决单结电池存在的稳定性问题的原因在于:(1)叠层电池把不同禁带宽度的材料组合在一起,加宽了光谱响应的范围。(2)顶电池的i层较薄(<2000×10-8cm),以致光照后产生的空间电荷对i层电场的调制已不明显,i层中电场强度分布变化不大,仍是高场区,有源区上的这种高电场显然足以把i层中的光生载流子有效抽出,从而阻止光致衰退的发生。(3)底电池产生的光生载流子约为单结电池的一半,底电池的光致衰退效应较小。 双结叠层电池通常由宽禁带带隙的顶电池、隧道结和窄带带隙的底电池三部分依次串联而成。为了获得尽可能高的光电转换效率,叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求。叠层电池电流密度一般不同,顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响。设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的重要一环。 叠层太阳能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能电池,一个是高带宽的作为顶电池,一个则是低带宽的作为底电池。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,先制备出一个完整的太阳能电池,再在第一层电池上生长或直接沉积在第一层电池上面。 典型叠层电池的结构如图1所示。 图1 薄膜非晶/微晶叠层电池结构 2叠层电池的隧道结 作为有效地互连两个子电池的过渡结,隧道结应具有高透光率、阻抗小(重掺杂)的特点,且其晶格常量和热膨胀系数与上下层也要求匹配。隧穿结厚度包括非晶顶电池N层的厚度和微晶底电池P层的厚度。 在叠层电池p1-i1-n1-p2-i2-n2结构中,n1-p2结特性的好坏对电池特性参数Voc、Isc、FF均有重要影响。因为n1-p2结相对器件内建场为反偏结,任何寄生势垒都将使电池的I-V 特性变坏。因此,为了进一步提高电池的转换效率就需提供一个特性优良的隧道结,要求该

HIT太阳能电池

高效HIT太阳能电池的发展现状 2013-5-27 13:17|发布者: 沈秋晨|查看: 1973|评论: 0|原作者: 乔秀梅,贾锐等|来自: Solarzoom 摘要: 摘要:带有本征薄层的异质结(Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm(HIT))太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池,与单晶、非晶硅太阳能电池相比,其具有低温工艺,高的稳定性等优点, ... 摘要:带有本征薄层的异质结(Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm (HIT))太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池,与单晶、非晶硅太阳能电池相比,其具有低温工艺,高的稳定性等优点,具有广阔的发展前景。 本文介绍了HIT太阳能电池的基本结构和能带并对其特点进行了深入的分析,根据相关文献从清洗,透明导电氧化层(TCO)的制备,非晶硅层的制备,背表面场的制备等方面深入分析了HIT太阳能电池的技术发展状况,并以三洋公司为引线,简单介绍了HIT太阳能电池的产业发展现状。 关键词:HIT;太阳能电池;结构;特点;技术发展;产业发展 1HIT太阳能电池的结构及其特点 1.1HIT太阳能电池的结构 1.1.1基本结构 HIT电池的本质是异质结太阳能电池,A.I.Gubanov于1951年就已经提出了异质结的概念,并且进行了理论分析,但是由于当时制备异质结的工艺技术十分复杂和困难,所以异质结的样品迟迟没有制备成功。1960年Anderson成功的制备出高质量的异质结样品,还提出了十分详细的理论模型和能带结构图。带本征薄层异质结(HIT)太阳能电池是由MakotoTanaka和MikioTaguchi等人于1992年在三洋公司第一次制备成功。图1为常见的双面异质结电池的结构示意图,其特征是三明治结构,中间为衬底p(n)型晶体Si,光照侧是n(p)-i型a-Si膜,背面侧是i-p+(n+)型a-Si膜,在两侧的顶层溅射TCO膜,电极丝印在TCO膜上,构成具有对称型结构的HIT太阳电池。本征a-Si:H起到钝化晶体硅表面的缺陷的作用。最常见的是p型硅基异质结太阳能电池,其广泛应用于光伏产业,因为p型硅片是常见的光伏材料且以p型单晶硅为衬底的电池接触电阻较低,但是由于硼和间隙氧的存在,使得以p型单晶硅为衬底的太阳电池有较严重的光照衰减问题。且由于c-Si(p)/a-Si(i/p)界面氢化非晶硅价带带阶(0.45ev)要比导带带阶大(0.15ev),n型硅基比p型硅基更适合双面异质结太阳能电池。图2是异质结的能带图。对n型Si衬底HIT电池,前表面处较大的价带带阶形成少子空穴势阱,因势阱中空穴势垒较高,热发射概率小,从而有效地阻止了光生空穴的传输。在背面处,薄本征a-Si:H层以及n型a-Si:H层与n型c-Si形成有效

有机太阳能电池的原理和应用

有机太阳能电池的原理和应用 一、结构和基本原理 目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的,其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料,染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中,电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级,产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取,空穴则被来自高功函数电极的电子填充,由此在光照下形成光电流。理论上,有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时,会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上,他们观测到了200 mV的开路电压,光电转化效率很低。此后二十多年间,有机太阳能电池领域内创新不多,所有报道的器件之结构都类似于1958 年版,只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的,因此效率比较低,现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池 在肖特基型有机太阳能电池的基础上,1986 年,行业内出现了一个里程碑式的突破。 实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物(又称作PV)和铜酞菁(CuPc)组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中,p-型半导体材料(电子给体(Donor),以下简记为D)和n-型半导体材料(电子受体(Acceptor),以下简记为A)先后成膜附着在正负极上(下图)。D 层或者A 层受到光的激发生成激子,激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子,然后电子经A层传输到电极,空穴经D层传输到对应的电极。1992 年,土耳其人Sariciftci 在美国发现,激发态的电子能极快地从有机半导体分子注 入到C60 分子中,而反向的过程却要慢得多。也就是说,在有机半导体材料与C60 的界面上,激子可以以很高的速率实现电荷分离,而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构,电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域,可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年,Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”,是一种导电聚合物,也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后,以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池 随后,研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念:混合异质结(Bulk Heterojunction)。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中,虽然两层膜的界面有较大的面积,但激子仍只能在界面区域分离,离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低,在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。 而所谓“混合异质结”,就是将给体材料和受体材料混合起来,通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域,在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面(即结面),电荷分离的效率得到了提高。同时,在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极,从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月,大阪大学和大阪市立研究所宣布,成功开发出了单元转换效率高达5.3%的有机固体太阳能电池。这一转换效率是通过采用纯度99.99999%以上的C60 结

太阳能电池特性研究_实验报告参考

E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性,用实验测得的正向偏压时I ~ U关

系数据,画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下,|对U变化关系,画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA,相关系数0.9996,电流与电压的指数关系得到验证。

2 ?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。

图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ,最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线

填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题

晶硅太阳能电池的特点和种类

晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多,;主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50%,多晶硅电池占20%、非晶占30%。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈是成本高。为此,需加大研发力度,集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破,主要包括:a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本:开发专门用于晶体硅太阳能电池的硅材料,是生产高效和低成本太阳电池的基本条件;同时实现硅材料国产化和提高性能,从产业链的源头,抓好降低成本工作。提高电池/组件转换效率:高效钝化技术,高效陷光技术,选择性发射区,背表面场,细栅或者单面技术,封装材料的最佳折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向,高效率、高稳定性、低成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,也是最具活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体,硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80%以上,每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅,虽然利润比较低,但是市场需求量大,供不应求,如果进行规模化生产,其利润仍然很可观。目前,中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用多晶硅和单晶硅材料,其中单晶硅400多吨,而且,需求量还以每年15%~20%的增长率快速增长。硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%,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熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺已近成熟,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。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n,P型单晶硅,进而制备出p/n结、二极管及晶体管,从而使硅材料有了真正的用途。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,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,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。 多晶硅众所周知,利用太阳能有许多优点,光伏发电将为人类提供主要的能源,但目前来讲,要使太阳能发电具有较大的市场,被广大的消费者接受,提高太阳电池的光电转换效率,降低生产成本应该是我们追求的最大目标,从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。从工业化发展来看,重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为:(1)可

(整理)太阳能电池性能研究项目简介.

CdS敏化太阳能电池性能研究 项目简介 申报意义: 面对能源的潜在危机和生态环境的不断恶化,基于能源及环境两方面的考虑,一种对环境友好的可再生能源的开发利用受到人们的关注。鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加,太阳能是各种可再生能源中最重要最丰富的清洁能源,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的研究热潮。 采用无机半导体纳米粒子作为敏化纳晶薄膜太阳能电池的光敏剂具有明显的优点: 首先,无机半导体纳米粒子光吸性能可通过改变粒子尺寸来调节。而改变无机纳米半导体材料的尺寸小需要改变材料的化学组成,因此具有操作简单、方便的特点。 其次,无机半导体材料通常具有比有机染料分子更大的消光系数及更好的(光)化学稳定性。基于这些理论,无机半导体材料有望其成为一种可取代有机染料分予的光敏材料,而对无机纳米半导体敏化太阳能电池的研究对开发廉价有效的太阳能电池具有非常重要的意义。背景: 敏化太阳能电池是由一种通过在可见光区具有较强光吸收性能的有机或窄禁带无机半导体材料(敏化剂)吸收太阳光的光子能量后 将光生电荷转移到另一种宽禁带半导体材料,从而实现太阳能光电转换的光电转换太阳能电池系统。其中宽禁带半导体多为纳米多孔

Ti02。按照所用光敏化剂的种类不同,敏化太阳能电池可分为有机染料敏化太阳能电池和无机纳米材料敏化太阳能电池。 1991年,瑞士Gratzel研究小组研制出用羧酸联吡啶钌(II)染料敏化的Ti02纳米晶多孔膜的太阳能电池,称为Gratzel太阳能电池或染料敏化Ti02纳晶太阳能电池。目前,在染料敏化太阳能电池中普遍使用的,也是效率较好的敏化剂为钌的多联吡啶络台物系列染料。染料敏化纳米薄膜太阳能电池的制作方法简单,成本低,光电转换效率高,是目前广泛研究的太阳能电池系统。但可用作高效太阳能电池敏化剂的染料为数不多,许多染料在近红外区的吸收很弱,其吸收光谱不能与太阳光谱很好的匹配。因此大量的研究集中在合成能与太阳光谱很好的匹配的有机染料化合物。但新染料的合成通常需要比较复杂的合成及分离、提纯路线。 近年来,利用无机纳米半导体粒子作为光敏剂进行敏化纳晶太阳能电池的研究正在逐渐增多。已有的研究表明窄禁带半导体材料如PbS,CdS,CdSe,Ag2S,Sb2S3和Bi2S3等都可以用作敏化太阳能电池的光敏剂。 设想: CdS纳米半导体材料在太阳光可见区具有优良的光学吸收性能,而且其导带能级比Ti02的导带能级更负,因此当光激发CdS时产生的光生电子能有效地转移到Ti02的导带从而实现光生电子空穴的有效分离。同时CdS作为无机半导体材料还具有大的消光系数及优良的光化学 稳定性。因此CdS为一种优良的无机光敏剂材料。

太阳能电池的基本原理

太阳能电池的基本原理 光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理:无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。 一、硅太阳能电池 硅太阳能电池的基本结构如图1所示,它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子·cm-3~1019个原子·cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中,每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后,硼原子取代某些硅原子的位置,并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子,与周围4个硅原子成键时缺少1个电子,它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果,硼原子变成负离子,硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅,例如掺入磷(107个原子·cm-3~1019个原子·cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置,并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子,成键后剩下1个价电子,这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多,很容易脱离磷原子,成为自由电子,结果该磷原子成为正离子。需要说明的是,P型和N型硅都是电中性的。 当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时,发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近,N区的自由电子较多空穴较少,P区则是空穴较多自由电子较少,这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散,自由电子从N区向P区扩散,二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后,留下带负电荷的硼,因此形成1个负电荷区。同理,在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下,空穴和电子发生漂移,方向与它们各自的扩散方向相反,即电子从P区漂移到N 区,空穴从N区漂移到P区。显然,内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行,空间电荷逐渐增多,内建电场逐渐增强,空穴和电子的漂移也逐渐增强,但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时,空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时,空间电荷的数量一定,空间电荷区不再扩展,内建电场的大小就确定下来。 当具有一定能量的光子入射到PN结表面时,光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减,因而沿着光照方向,材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低,这导致电子–空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时,在内建电场的作用下,空穴、电子被分别

太阳能电池的研究与发展

太阳能电池的研究与发展 文献综述 摘要:能源是人类不可忽视的一个问题,因为它同我们的生活息息相关并且制约着未来经济的发展。面临非可再生能源被大规模地开采利用,其储量越来越少,总有枯竭之时这样一个现实问题,可再生能源显得尤为重要,因为可再生能源可以循环再生,不因长期使用而减少。而我国作为一个能耗大的国家,考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况,若到22世纪初不能用核能、太阳能等这些非化石能源代替化石能源,那么我们国家、我们民族的发展都会受到严重的影响。 太阳能具有环境友好、与之不尽用之不竭等特点,由此在可再生能源中的位置得以突显。而本文选择从光伏发电这个方面来说明太阳能电池的研究与发展。讲述了太阳能光伏发电的模式,输送方式及原理等。 关键词:太阳能;光伏发电;独立光伏发电;并网光伏发电;分布式光伏发电 1引言 能源是现今人类不得不考虑的一个重大问题,面临着严峻的能源形势和生态环境的恶化,人们对于绿色能源的需求显得迫切起来。改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。 化石燃料为不可再生能源,随着社会的进步与发展,人类对能源的需求量日益增大,所以化石燃料是无法满足的。除此之外,化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质.其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时,会产生二氧化硫等污染空气的气体,燃料燃烧不充分,会产生一氧化碳和碳粒,加上未燃烧的碳氢化合物,如果直接排放到空气中必然对空气造成污染。因此,对于可再生能源的概念中最重要的要保证两点:第一,要求提供的可再生能源的源头是巨大的、无限制的。第二,从整体技术效率而言,要有明显的安全保障性。从这两点出发,显现了太阳能的利用在可再生能源中领域中的重要地位。 太阳能发电分光热发电和光伏发电。但不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源可以无处不在。

我国太阳能电池的发展历史

从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来,到现在已走过半个多世纪。光伏专家、上海交通大学太阳能研究所所长崔容强告诉编辑:“中国的太阳能电池也经历了从无到有、从空间到地面、由军到民、由小到大、由单品种到多品种以及光电转换效率由低到高的艰难而辉煌的历程。” 据统计,从2002年至今,中国太阳能电池产量猛增了77倍。2008年,我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一,连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。 1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应;1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池;1983年美国在加州建立了当时世界上最大的太阳能电厂……人类从来未曾停止过追逐太阳的步伐。 1969年研制完成硅太阳能电池组 1958,我国研制出了首块硅单晶 中科院院士、中科院半导体研究所研究员王占国对编辑说:“美国1957年左右拉出了首块硅单晶,我国1958年也研制出了首块硅单晶,随后,中科院物理新成立的半导体研究室正式开始研发太阳能电池。” 最初,研发出的电池主要用于空间领域。从1958年到1965年间,半导体所研制出的PN结电池效率突飞猛进,10×20mm电池效率稳定在15%,同国际水平相差不大。 1968年至1969年底,半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中,研究人员发现,P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射,造成电池衰减,使电池无法长时间在空间运行。

于是,包括王占国在内的6人小组开始进行人造卫星用硅太阳电池辐照效应研究,实验过程中,由于技术不成熟、设备落后,致使王占国的右手严重电子灼伤,从此他一直饱受痛苦,直到1978年夏天进行植皮手术才有所缓解。编辑注意到,王占国院士右手手背上有一些黑色的褶皱,这正是老一辈科学家殚精竭虑献身科学的印记。 经过刻苦攻关,实验结果给研究人员带来巨大惊喜。王占国院士介绍,NP 结硅太阳电池抗电子辐照的能力比PN结硅电池大几十倍!随后,半导体所做出了将硅PN电池改为NP定型投产的决定,生产出了5690片NP结硅太阳电池,其中达到空间应用要求的成品3350片,圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制、生产任务。1971年实践1号发射升空,在8年的寿命期内,太阳电池功率衰降不到15%,该项目在1978年全国科学大会上获重大成果奖。 1969年,半导体所停止了硅太阳电池研发,随后,天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。 王占国院士说:“70年代末,我国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究,该电池具有很高的光发射和光吸收系数,1999年,2×2cm2电池的转换效率达22%。” 1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂,电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺,太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。 1998,我国太阳能产业有了第一个“吃螃蟹”的人 上世纪80年代开始,我国太阳能电池开始进入萌芽期,研发工作在各地次第展开,但进展缓慢。

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