太阳能的光电利用一太阳能电池的研究.doc

太阳能的光电利用一太阳能电池的研究.txt年轻的时候拍下许多照片，摆在客厅给别人看;等到老了，才明白照片事拍给自己看的。当大部分的人都在关注你飞得高不高时，只有少部分人关心你飞得累不累，这就是友情！ 本文由cjjlww贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 太阳能的光电利用一太阳能电池的研究 太 阳能的光电利用一太阳能电池的研究 王瑞敏 张庆范 山 东大学控制科学与工程学院 （ ） 摘 要： 本文介绍了利用太阳能的迫切性和优点， 以及太阳能的转换。并重点介绍了太阳能的光电利用一太阳能电池。 本 文还介绍了太阳能电池的材料、 主要类别、 特点优势、 以及发展趋势。 叙 词： 太阳能电池 太阳能 光电利用 引言 随着社会发展和技术不断创新， 人类对能源的需求也在不 断增加。由于传统的材料、 研发设计理念、 结构、 工艺等不能与 科学技术飞速发展相适应， 代之以新型能源材料为基础的技术 及产品应运而生， 它以无比强大的生命力将成为 世纪新型能 源技术与产品的研究和发展方向。 从长远的观点来看 人们需求的能源最终只能来源于永不 枯竭的天然储量资源或者来源于恒定的流人地球的能量的资 源。核聚变属于前一范畴， 太阳能属于后者。当然还可以提到 另外一些能源， 从人类的能量需求来说， 它们在全球范围只占微 不足道的比重， 例如： 作为库存资源的有地热， 作为流人能源的 有潮汐能。人类可利用的太阳辐射能包括： 直接的辐射能， 间接 的有流动的水域、 波浪、 风、 海流和在空气几近地表的水层几土 壤层中储存的热。其中， 太阳辐射能占有最大的分量。 上看， 可将太阳能产品分为两大类： 太阳能利用和太阳能光伏发 电。 光伏发电具有非常大的市场前景。其中主要有： 边远农牧 区的用户电源系统， 光伏水泵系统， 光伏发电在海岛上的应用， 光伏屋顶发电系统， 风能光能互补发电系统， 太阳能备用电源系 统， 与汽车配套的发电系统， 太阳能制氢技术与燃料电池结合的 再生发电系统。 太阳能电池 所谓太阳能电池是指由光电效应或光化学效应直接把光能 转化成电能的装置。太阳光照在半导体 结上形成新的空穴 电子对， 在 结电场的作用下， 空穴由区流向 电子由 区， 区流向区， 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。太阳电池的性能指标有开路电压、 短路电流、 填充因子、 光电转换效率等多项， 其中最主要的指标是光电转换 效率。 太阳能的转换 目 前人们通常把太阳辐射能转换为热能、 电能和化学能。 可行的转换途径是： 辐射接收器的热转换、 光电池的光电转换和 类似于光合作用的光化学转换， 如图 所示。图中还补充了一 些次级转换关系。例如， 吸收太阳辐射产生热， 再利用热力机发 电或经热化学反应合成发动机可用的燃料。哪一种途径是值得 推荐的， 主要取决于技术水平和投资的可能性。目 前利用太阳 能使水沸腾， 然后用热电机发电， 这种方法比直接利用太阳能的 太阳能电池材料 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础， 其工作原理 是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应， 根据所用 材料的不同， 太阳能电池可分为：硅太阳能电池；以无机 （） （） 盐多元化合物为材料的电池； ） （ 纳米晶太阳能电池等。 不论以何种材料来制作电池， 对太阳能电池材料的一般要 求有： （） 半导体材料的禁带不能太宽； ） （ 要有较高的光电转换 效率； ） （ 材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产 （） 且材料性能稳定。 硅是地球上储量第二大元素， 人们对它研究得最多， 技术最 成熟， 而且晶硅性能稼定、 无毒。 基于以上几个方面考虑， 硅成为太阳电池研究、 开发、 生产 和应用中的最理想材料。但是由于硅的提取工艺复杂， 致使其 成本高居不下。为此， 人们一直在研究新的材料并取得很大进 展。 晶体硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 光电池更经济合理， 太阳能作为一种资源， 有着广泛的应用。从太阳被利用的方式 单晶硅太阳电池是开发得最早、 最快的一种太阳电池， 其结 构和生产工艺已 定型， 产品已广泛用于空间和地面。 硅主要以 形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是 第十五届全国电源技术年会论文集 在电弧炉中用碳还原石英砂而成。单晶硅太阳电池的生产需要 消耗大量的高纯硅材料， 而制造这些材料工艺复杂， 电耗很大， 纳米晶化学太阳能电池 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的， 但 由于成本居高不下， 远不能满足大规模推广应用的要求。为此， 人们一直在工艺、 新材料、 电池薄膜化等方面进行探索， 而这当 中新近发展的纳米 晶体化学太阳能电池受到国内外科学家 的重视。纳米晶化学太阳能电池（ 简称（电池） ： 是一种窄带半 导体材料修饰、 组装到另一种大能隙半导体材料上形成的， 窄禁 带半导体材料采用过渡金属 以及 等有机化和物敏化燃 料， 大能隙半导体材料为纳米多空 并制成电极， 此外（ 电 池还选用适当的氧化一还原电介质。纳米晶工作原理： 嫩料分 子吸收太阳光能跃迁到激发态， 激发态不稳定， 电子快速注人到 该过程能量消耗约为 ， 在太阳电 吨 池生产总成本中已超 。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状， 切片制作太阳电池也是圆 片， 组成太阳能组件平面利用率低。由于受单晶硅材料价格及 相应的萦琐的电池工艺影响， 单晶硅成本居高不下， 若要大幅度 的降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料， 寻找单晶 硅电池的替代产品， 现在发展了薄膜太阳能电池， 其中典型代表 有以高温、 快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和层 叠（ 多结） 非晶硅太阳电池。 多晶硅太阳能电池 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少， 又无效 率衰减问题， 并有可能在廉价底材上制备， 其成本预期要远低于 单晶硅电池。因此， 多晶硅薄膜电池被认为是最有可能代替单 晶硅电池和非晶硅薄膜电池的一代太阳电池。 目 前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法， 包括低 压化学相沉积（ ）等离子增强化学气相沉积（ ） ， 和快 热化学气相沉积（ ） 工艺。此外， 液相外延法（） 和溅射 沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 紧邻的 导带， 燃料中失去的电子则很快从电解质中得到补 偿， 进人 导带中的电子最终进人导电膜， 然后通过外回路产 生光电流。 纳米晶 太阳能电池优点在于它的廉价的成本和简单的 工艺及稳定的性能。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步， 走上市场估计还需要相当长的时间。 太阳能电池的特点和优势 与传统的化学电池相比， 太阳能电池具有无可比拟的特点 和优势 非晶硅太阳能电池 由 于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低， 便于大规模生产， 普 遍受到人们的重视并得到迅速发展。由于非晶硅对太阳光的吸 收系数大， 因而非晶硅太阳电池可以作的很薄， 通常硅膜厚度仅 能转化过程简单、 安全 太阳能电池是把太阳光辐射能直接转化为电能， 并且能够 持续工作的能源装置。在由太阳能转化为电能的过程中， 无噪 声、 物化学污染， 供给人类的能源是安全可靠的清洁（ 绿色） 能 源， 利于环境保护， 利于人类健康。 为 单晶 一 ， 是 硅或多晶 池厚度的 ， 硅电 所以制作非晶 硅电池， 资源消耗少。非晶硅太阳电池一般是用高频辉光放电 等方法使硅烷（ 气体分解沉淀而成的。非晶硅由于其内部 ） 结构的不稳定性和大量氢原子的存在， 具有光疲劳效应， 经过长 期光照后， 效率会变低， 特别是在强光光照下长期稳定性存在问 题。故作为电力电源， 尚未大量推广。 设备简单、 易行 太阳能电池无需机械传动装置， 无需燃料， 无需架设输电 网， 型号可大可小， 免维修， 寿命长。只要有日照的地方， 就可以 根据需要进行安设装置或制成成品， 容易实现无人化和全自动 化。 化合物半导体太阳能电池 化合物半导体太阳电池是另一大类太阳电池， 研究、 应用较 多的有砷化稼 族化合物、 硫化锅、 蹄化隔及铜锢薄膜电池 等。上述电池中， 尽管硫化锅、 蹄化隔多晶薄膜电池的效率较非 晶硅薄膜太阳能电池效率高， 成本较单晶硅电他低， 并且也易于 大规模生产， 但由于锅有剧毒， 容易产生环境污染问题， 因此， 并 不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化稼等 化合物 及铜锢硒薄膜电池由于具有较高的转换效率而受到人们的普遍 应用范围广 太阳能电池的应用范围很广。目 太阳能电池已在民用 前， 电力、 交通 以及军用航海、 航天等诸多领域发挥着愈来愈大的 作用。大型的可用于电话通讯系统、 卫星地面接收站、 微波中继 站等； 中型的可用于电车、 轮船、 卫星、 宇宙飞船等； 微） 小（ 型的 可用于太阳能手表、 太阳能计算器、 太阳能充电器、 太阳能手机 等。 重视。 铜锢硒 简称 ， 电他薄膜的制备主要有真空 蒸 法 硒 法 作 太阳 池的 导 材 具 价 镇 和 化 。 为 能电 半 体 料，有 格 低廉、 性能良 好和工艺简单等优点， 将成为今后发展太阳能电池 的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源， 由于锢和硒都是 比较稀有的元素， 因此， 这类电池的发展又必然受到限制。 太阳能电池的发展趋势 作为太阳能电池材料， 族化合物及 等属于稀有元 素， 尽管以它们制成三太阳能 （ 下转第 页） （ 上接第 页） 电池转换效率较高， 但从材料来源看， 这类太阳能电池将来不可 能占据主导地位； 而纳米晶太阳能电池的研究刚刚起步， 技术不 是很成熟， 转换效率还比较低， 短时间内不可能替代硅系太阳能 电池。因此， 从转换效率和材料的来源角度讲， 今后发展的重点 仍是硅太阳能电池， 特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多 晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和较低的成本， 将 最终取代单晶硅电池， 作为市场的主导产品。 提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个 主要因素， 对于目 前的硅系太阳能电池， 要想进一步提高转换效 率是比较困难的。因此， 今后研究的重点应集中在如何降低成 本上来， 现有的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的， 这是制 造硅太阳能电池成本最高的部分。因此， 在如何保证转换效率 仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要， 也是今后 太阳能电池发展急需解决的问题。 有效利用中， 太阳能光电利用是近年来发展最快， 最具活力的研 究领域， 太阳能电池的研制和开发日 益得到重视。 在科学技术是第一生产力的思想指导下和当今“ 心思维、 新 科学、 新技术” 革命波及整个国际社会的浪潮冲击下， 我国太阳 能电池的研究、 开发和利用必将得到迅速发展， 并促进我国太阳 能电池工业体系的逐步形成和趋于完善。为人类共同拥有清洁 环保的这一能源装置 太阳能电池做出贡献。 参考文献 汇 沈辉， 梁宗存， 李哉洪， 太阳能电池研究进展， 能源工程， （） ， 一 仁 石建， 董天午， 李昊， 王宗文， 世纪新能源技术应用与 展望。中国电力， （） ， 太阳能电池研究和发展现状，