光电池特性研究与应用

光电池特性研究与应用摘 要光电池是一种把光能转换为电能的光电器件，制造材料包括：硅、硒、锗、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等多种，其在光电技术、自动控制、计量检测、光能利用等很多领域都得到广泛应用，因此，研究光电池的特性具有重要的科学和应用意义。本文主要围绕硅基光电池的光能利用，开展了光电池的负载特性，伏安特性和光电特性，光伏效应研究。通过深入了解这些器件的原理和特性,可以为我们将来进入光电子领域的研究打下坚实基础。关键词：光电池；伏安特性；光电特性；负载特性Studies on the characteristic of photocell and their applicationABSTRACTPhotocell is one kind of the photoelectric device which can turn the optical energy into the electric power. The semiconductor materials used to fabricate the photocell include silicon, selenium, cuprous oxide, cadmium sulfide, gallium arsenide and etc. So far, the photocell are widely applied in the photoelectric technique, autocontrol, measuring and testing engineer, light use and etc. Thereby, it is of scientific and applied significance to study the characteristic of the photocell. We are focused on the light use of the silicon-based photocell and investigate the voltage current characteristic, photoelectric properties, load characteristic and etc. Through the a deep understanding of the theory and properties of these devices, a solid foundation are laid for the further study into the photoelectric field.Key Words: photocell；voltage current characteristic；photoelectric properties；load characteristic 第一章绪论光伏电池的来源发展可以追求1839年前，法国科学家亚历山大 - 爱德蒙。贝克勒尔首次发现光伏效应应该是在生活中（光伏效应）。直到1883年，制成光生伏打太阳能电池的美国物理学家查尔斯Fritts第一硒化合物材料开发的。在20世纪30年代，硒光电池材料和铜氧化物材料与光生伏打太阳能电池已被广泛地用在一些敏感的反应，以点亮仪器，如一个光源和一个摄像机镜头量度测光表指针。中国第一颗用太阳能光伏电池的卫星 1.1 太阳能光伏电池的发展前景太阳能光伏电池的应用已经从引进军事研究和发展，空间探索，工业区，商业贸易，农业，通信和导航，改进的领域，如家用电器和公共设施的使用及其他相关部门，还可以得到偏远地区，山穿脉，沙漠盆地，海域海岛和农村乡镇办公使用，它可以节省价格是输电线路的国家的制造成本非常昂贵。但是，尽管如此，在这个阶段使用，其成本和成本仍然很高，每期电力1千瓦需要花费数千美元，因此大规模的光伏太阳能电池被广泛使用仍受到经济的制约。中国销售单晶硅光伏太阳能电池的主要用作原料进行生产。由于能源单晶硅太阳能电池的制造过程中需要大量的消耗，有专家认为，在这方面与单晶硅光伏电池生产现有的材料需要的能源消耗比在其生命周期太阳能可以在被捕获大得多，所以说的光伏电池生产是没有必要的科学价值。目前最乐观的评估将在10年之内的时间，采用单晶硅光伏电池能够吸收太阳能能量大于它的生产过程中，消耗的总能量值。然而，单晶硅是需要得到通过纯化的石英砂的还原，然后拉晶，以获得节目后熔融。能源生产过程中需要大量的选择过程大量有毒有害物质，对环境的污染也相当严重。海外已经转移到中国境内设立生产。中国各地区具有基本单晶硅材料，单晶硅光伏电池生产线。据透露，该生产行业的领导者石先生老板知道内地回答了记者的采访，在2008年的时候，在世界上中国光伏电池总产量占到了约30的全球生产，中国光伏产业连续两年第一位置。但是，我们不把握中国光伏电池的制造技术。虽然单晶硅太阳能电池的制造技术是非常成熟的和复杂的，但继续开发改进的制造工艺，生产其他类型的光伏电池技术也开放源源不断出现。光伏电池和光伏能源效率，从真正的市场的成本有很大的差异，光伏电池由政府主要营销财政资金补贴。欧洲市场光伏发电达到每千瓦时1元以上的补贴。未来，大量运用光伏电池，必须不断提高生产的光伏电池效率和生产过程中需要的成本，在此过程中，将不断改进生产工艺，该产品将不断升级。然而，需要对他的更换周期很短，只有3-5岁。在光伏电池生产行业投资较大，较长的恢复期，但由于技术更新快，国内生产企业，如果不是掌握了成熟的技术，更新生产技术，很快就会退出市场，这可能是由于关闭不回投资的崩溃。 然而，长远发展的角度来看，随着太阳能光伏电池生产技术和新的，更全面的光的提高 - 电转换设备出现在各国保护环境和增加需求为第二代的清洁能源大，太阳能光伏电池将继续利用太阳辐射能量清洁实用的解决方案，能开辟广阔范围的人类广泛利用太阳能的未来1.2 光伏电池的应用太阳能电池板的应用：1.用户太阳能电源：用户电源分为10-100W不等（1），可用于在偏远无电地区或区域，如高原，海岛，边防哨所和人民政权困难的其他领域，例如使用作为照明，电视，收录机和动力大大解决了供电问题等设备;家庭屋顶并网供电系统（2）3-5KW的;（3）光伏水泵：解决人畜饮水，灌溉问题不能提供该地区。2.交通：如警示灯，穿越灯，道路侧灯，频闪灯等高空障碍提示。3通讯：PV无人值守微波中继站，光缆维护站，广播/通讯/寻呼等通信电源系统;农村家庭承载可视电话光伏系统，小型通信机，士兵们用GPS远程定位的电源。3.石油化工，海洋勘探技术，气象观测等领域：石油管道和水电闸门阴极保护太阳能发电系统，石化钻井技术平台和应急电源，海洋资源探测系统，气象/水文观测电力设备。5.家庭灯具电源：如庭院灯，路灯，手提灯，野营灯，登山灯，垂钓探照灯，日光灯切胶灯，变压器等节能型荧光灯。6.太阳系站：100KW-550MW独立光伏电站，风系统引入混合动力装置，以及各种大中型停车场，电力设施。7.光伏系统电源架构：利用结合使用对方的太阳能感光材料，使得大型建筑的未来可以更加完美的自我充足的电力供应，这是对人类的未来的一个步骤清洁能源的方向。1.3 太阳能电池应用现状 据Dataquest的调查统计显示，目前有全世界136个国家正在投入使用的太阳能光伏电池的热潮中来，其中76的国家都进行了大规模的太阳能光伏电池制造和改进队伍，他们是相当活跃新产品的生产各种各样的太阳能光伏电池。自1998年以来，全世共生产太阳能光伏电池，1亿千瓦的总发电量。光伏发电装置太阳能电池汽车模型可达2850GW 1999年发电量。根据欧洲光伏协会EPIA预计在2008年表明，根据2.4GW 2007年的值来计算的今年全球光伏装机容量，并且在2010年全球年产能的总价值就高6.9GW，然后在2020年和2030年将分别达到56GW和281GW。 2020年将达到约267GW，到2030年将达到约2200GW。全球太阳能光伏电池产量在不断增长的速度增加47的年平均复合增长率，在2008年，当生产总量已达到6.9GW。 许多国家目前正在计划制定长期的太阳能光伏电池生产项目，准备大规模开发和生产太阳能光伏电池在2000年代中期，对能源的联邦国家光伏生产计划的美国国防部已经在日本东京开能源已推出阳光计划。 NREL项目是美国联邦政府籍光伏生产计划的一个重要组成部分，在硅材料的制作和各种光伏器件，薄膜光伏技术，PVMaT技术的方面的程序，光电器件组以及系统性能测试和五个研究领域，如工程，光伏应用和发展壮大的销售市场，开展研究工作。 美国政府先后推出了“太阳能电池板供电的路灯计划”，其目的是为了让美国的一些城市正在从廉价和清洁的太阳能光伏电池电力作为能源转化为交通照明路灯，据美国联邦政府计划，每盏灯可为美国全国每年节电近800度。与此同时，东京还集中在太阳能光伏电池的实施，“7万套工程”，是目前流行的日本项目正在筹备新的住宅用太阳能光伏发电系统，主要是利用安装在承载太阳能的设备高吸收性能住宅屋顶信元以便产生电力，用户使用保存后的剩余电池也可出售或国家电力公司。一般标准的家庭可以安装3000瓦的电力系统的发电能力。欧洲和其他国家将太阳能电池包括这项工作相当著名的“尤里卡”高科技计划内的研究和开发，并推出了“100万套的项目。”这些“太阳能工程”是光伏电池的普遍应用的太阳能电池产业推动的重要力量主要内容的大发展。 目前共有11个国家，如日本，韩国和西方的区域决定共同合作开发太阳能技术，亚洲和其他地区，内陆地区和非洲，并在完成当前终端最大规模的太阳能发电在世界工厂的其他地区的干旱的沙漠，他们的主要目标是占地球陆地面积的实施约1 / 4沙漠的较干旱的地区更有效地利用太阳光长时间了更好的发展太阳能资源。它提供了150万千瓦的电力约30万用户。而从2014年的计划，历时6年完成。 以美国为首的亚洲和西方国家，日本目前持有最大的市场份额，在光伏电池市场份额在世界上。美国目前拥有世界上最大的光伏电站可达8MW，日本东京，现在已经基本建成了总发电量可达1.5MW光伏电站的总功率。目前在世界上一共有46万太阳能发电设施，以色列，德国，巴基斯坦领导人也有。 自20世纪80年代和90年代，随着太阳能电池技术产业的不断发展，不断产生新的类型的电池。据最新的统计数据及前景预测报告Dataquest公司最近发布的光伏企业展看，美国，日本和西欧工业比较发达的国家，在1998年制造太阳能电池的研究已经达到了59十亿美元的投资总额;将达到64.6十亿在1999年;高达73美元十亿美元，在2000年;预计2020年突发$ 200十亿。 1.4中国太阳能电池现状。目前，我们工作的太阳能光伏电池的中国制造业它，早在七都非常重视，非单晶硅半导体材料的发展已被列入国家重大发展;第八和第九个五年期间，我们中国的研发工作一直专注于生产和面积比较大太阳能光伏电池的发展等。早在2003年12月，我们国家发展改革委，科技部已经计划好了未来五年中国的太阳能光伏资源开发计划，国家发改委主导的“光明工程”将提高10十亿元提高利用太阳能光伏发电系统的应用技术，并计划到2015年底太阳能光伏发电系统的我国总装机容量的价值达到330兆瓦。全球最大的光伏产品国内制造商是中国，我们中国即将到来的“新能源振兴规划”的装机规划账面价值是中国的光伏发电系统，2020年达到约20GW，是原“可再生能源长期长期规划“的10倍1.8MW。2003年，相关部门的国家已经全面启动了“农村西部省区无电电计划”项目，并为西部七省区农村无电，解决了货源问题，这是太阳能和小型风力发电解决多晶硅太阳能电池片。我们的基本用电问题。太阳能发电产业由该项目的启动，极大地激发了全国几十个建设太阳能光伏电池封装线设备，这使得太阳能光伏电池迅速增加的年生产能力。据中国光伏项目专家预测，中国光伏市场的需求已经达到了大约一年5MW，20012012年，光伏电池，以达到10MW的年需求量，从2012年起，中国的光伏电池市场年需求量将大于之前20MW。中国的国内太阳能电池硅材料生产企业主要有单晶硅厂在洛阳，宁晋在河北和四川峨眉半导体硅材料加工厂等厂商，其中河北硅加工基地宁津县城单晶硅加工基地是目前世界上现存规模最大，单晶硅太阳能电池制造基地，占世界总产量的太阳能硅片市场份额占有率超过25。在下游市场对太阳能光伏材料，中国的国内生产太阳能光伏电池企业部门主要是乔氏集团，一个巨大的锡尚德，海平稳V，南京电力，固定保利英，天津光伏技术，视康集团，海尔集团全年总发电量超过800MW。2009年，党中央，国务院根据现场表示，由通信提供的报告，指出我国多晶硅产能可能有点过分，实际行业的人不承认这一点，该部已确定的位置，不多晶硅的多余的能量产生的。第二章光伏电池的光电转换的工作原理及其应用【实验原理】2.1太阳电池的结构单结晶硅太阳能光伏电池的异常，其图1中晶体硅太阳能光伏电池中所示结构由具有进行大面积的pn结的工作硅半导体材料的加工。在正常情况下是它们的结构的n + /对同质结，是要求使用扩散实验的薄层的是在p型硅晶片的在约10cm10厘米区域（约500微米厚）法律的n型层，并通过规则（厚0.3微米）我们的重掺杂。然后我们做在片金属网格线的顶层的n型层，如在接触使用的正极。在金属膜制作的其整个背面上我们有作为背面欧姆接触电极来使用。所以我们成了制造晶体硅太阳能电池。我们必须减少光的反射在能量的损失，在一般情况下，我们需要应用层抗反射涂层向上最好在电池的整个表面上。图一 单晶硅太阳能光伏电池内部结构示意图2.2光伏效应 图二 太阳电池发电原理示意图当太阳的表面照射光从板附近的pn结，只要我们使入射的光子的能量的表面上的太阳能光伏电池可以是远高于带隙单晶硅例如带宽越大空穴对 - 即可以，那么我们将立即与p和n结部分区面积后产生一个自由移动电子和光子的区域的半导体材料由光伏电池吸收。这使得少数载流子的通过而导致与其周围环境的迅速增殖想的因素大浓度梯度的存在所产生的n pn结区的附近。当一个小数目从pn结的最大长途运营商的是远小于其值可被扩展到周围的长度，那么我们将始终有机会载体或孔会结界面扩散。周围或在p区这两个领域和n区域之间的接口的两侧，我们常说的结界领域，仿佛周围的结界将是一个点电荷在空间方面，这就是我们通常被称为耗尽区。在小区的单晶半导体耗尽区，还静电场的电荷产生空间等效方向的正和负点之间形成的，磁场强度是由在n区域P区的指示时，静电场也就是我们所说的内置电场。这使得少数载流子或空穴迅速蔓延到去pn结边界内，拉至p型区域中的静电场内置的电场强度。同样地，少数载流子（电子）所产生，如果邻近pn结的p型区将扩散到结界面，它将建在静电场很快被拉向n型区域。区域内的结界将有电子自由流动 - 空穴对，它会移动到n区和p区都建在静电场场力。如果外部电路处于关闭状态，则这些因光照生成的电子和空穴将累积邻近pn结边界的p型区，以获得额外的正电荷，n型区域，得到带负电荷的额外电荷，所以在pn结将产生由阳光产生电动势。这种现象被称为光伏效应（光伏效应，简称为PV）2.3太阳电池的表征参数太阳能光伏电池的工作主要是光电转换作用。在太阳能电池表面日光照射时，会产生一种n-型区域的光电流电流Iph p型区域。由于pn结二极管的光电特性，有一个正二极管电流ID，这个过程的方向是从p型区的n型区，以及光能转换流动的电流，以产生在相反方向上的电流。因此，目前我真正得到（1）其中，VD是结界电压，I0为反向饱和值的光电二极管电流，电流Iph成正比的强度入射到光伏电池板的光能量被转换，以产生一个电流值，其比例因子是太阳能的pn结构和结构特性硅光电池材料决定。 n称为理想系数（正的值），这是表示pn结的特性，通常为1或2。Q A参数子的电荷量，B是玻尔兹曼常数，T表示温度。如果我们忽略的太阳能光伏电池中的时间串联电阻Rs的大小，以使太阳能光伏电池VD端电压V，则（1）可写成 （2）当太阳能电池的输出被短路，V = 0（VD0），从（2），得到短路电流即，当太阳能电池的短路电流的大小等于光能转换的大小产生电流正比于入射光的强度。当太阳能光伏电池的输出断裂，我们可以得出结论，I = 0，从（2）和（3），得到的开路电压。 （3）当连接到负载电阻R，所得负载伏太阳能光伏电池的正端子和负端子 - 电压曲线在图2负载电阻器R示出可以被转移到一个无限的值从零欧姆。当负载电阻Rm太阳能光伏发电输出为最大，它显示为最大功率Pm（4） 公式IM和VM，目前分别为电压值，当运行状态最好的效果最好。我们可以将最大功率Pm的短路电流的产品被称为填充因子FF，则 （5）FF为表征的太阳能电池，FF的一个重要参数，较大的输出功率更高。 FF取决于入射光强度，该材料的带隙，处理想系数，串联电阻和分流电阻。太阳能电池转换效率被定义为太阳辐射的总辐射引脚太阳电池比最大输出功率，即（6） 图三 太阳电池的伏安特性曲线2.4太阳电池的等效电路可用串联电阻Rs pn结太阳能电池二极管D，恒流源电流Iph，造成太阳能电池的电极和电气上等同于pn结泄漏。分流电阻硫醇流电路来表示，如图3所示，该电路是太阳能电池的等效电路。的等效电路图可从当前和整个太阳能电池的电压之间的关系可以得出图四 太阳电池的等效电路图 （7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh第三章实验测量光伏电池的伏安特性曲线的变化【实验数据记录、实验结果计算】实验中测得的在不同的条件下的电流、电压以及它对应的功率的数据值如下所示：第四章对测量的结果中的现象或问题进行分析、讨论各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论 从图中的曲线可以明显看出：1. 距离越近的光，即，光强度越大由电池所产生的力（但不能确定是否有上限）;2. 的力的大小的2研究中，两个电池并联，电动势几乎是恒定的，电池串联，电动势基本上是两倍;3. 研究电池电阻的大小，在图四，函数线更陡，电阻越低，更平坦的函数行，阻力越大。在该图中可以看出：在系列，使得电池单元的乘法，并联连接，从而电池的总电阻减小的总电阻;越大的光强度，较小的电池电阻（但应该是下限），更大的光强度，电池的阻力越大。4. 研究细胞短路电流（此处在图中，作为各自的最大电流的短路电流），使电池并联的短路电流增加，从而使短路电流串联减小（这是由于串联和并联）的内部电阻;更大的光强度，短路电流，较小的光强度，短路电流减小（从太阳电池所示的原理是：光强度决定的光电流的大小，由此确定了短路电流的大小和电动力）各个条件下输出功率P随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论1.虽然每个曲线没有特别顺利，但其最大输出功率的测量依然很成功，因为最高点附近测得的各曲线的数据点是更充分的，因此，估计有精度的最大功率很好的帮助。2.研究的最大功率的条件下的大小，可以看出：双电池供电（串联或并联）会增加总电池的输出功率;在更大的光强度，输出功率是，较小的光强度的输出功率也较小。3.研究电压达到最大功率，它可从图中可以看出：更高的光强度，更大的光强度变小，相对较小;变化不大的电池并联，而显著增加电池系列大型（觉得这个电路中的总相关比例电池电阻）。各个量的统计 /mA/V/mW/mA/v/欧FF60cm112.19.68410.257.77.11123.20.37880cm86.