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单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 摘要 本文对太阳能利用的特点及前景进行了阐述，介绍了太阳能电池的分 类，及其工作原理，发展趋势，分析了各自的优缺点。首先，通过实验分 析研究了单晶硅太阳能电池的输出特性，建立了输出电流、输出电压、输 出功率、路端电阻之间的关系，提出了一种测量电池效率的新方法( 在不 同光照度下测量它们的输出功率，在这一光照度范围内，单晶硅太阳能电 池的效率与光照度没有关系，作出输出功率与光照度的关系曲线，曲线是 一条直线，直线的斜率就是单晶硅太阳能电池的效率) 。接下来通过实验分 析研究了在室温范围内( 2 0 - - - 4 5 ) 温度对单晶硅太阳能电池的影响， 找到了饱和电流、开路电压、输出功率、填充因子与温度之间的关系，给 单晶硅太阳能电池的实际应用提供了一个参考。最后通过相应的理论推导 建立了单晶硅太阳能电池的传热模型，一维模型、三维模型结合具体的边 界条件，就可以知道电池里面的温度分布，这样就更清楚地了解单晶硅太 阳能电池的能量转换情况。 关键词：单晶硅太阳能电池饱和电流开路电压输出功率填充因子 温度 t h ep h o t o v o i 卫a i co fs n 呵g l ec r y s t a ls i l i c o ns o l a r c e l l sa n ds t u d yo nh e a tt r a n s f e r a bs t r a c t b a s e do nac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do fs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o na n di n t r o d u c t i o nt oc a t e g o r i e s ，p r i n c i p l e ， a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fs o l a rc e l l f i r s t , t h i s p a p e rs t u d y t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l l ，e s t a b l i s h e sr e l a t i o n s h i p b e t w e e no u t p u tc u r r e n t ，o u t p u tv o l t a g e ，e x t e r n a lr e s i s t o ra n do u t p u tp o w e rb y e x p e r i m e n t ，s u p p l yan e wm e t h o df o rm e a s u r et h ee f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l ( m e a s u r eo u t p u tp o w e r u n d e rd i f f e r e n ti l l u m i n a t i o n ，m a k eo u tt h ec u r eb e t w e e n ：p u td o w e ra n di l l u m i n a t i o n w h i c hi sl i n e a r t h es l o l ： t h ee fficienc,ofoutput o w e ra n dl l u m i n a t i o nw h i c hi se a r h es l o p ei st h ee n m l e n c yo t 1 1 s o l a rc e l l ，t h e r e f o r e ，t h e r ei sn o tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l a n di l l u m i n a t i o n ) t h e n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ( a tr o o m t e m p e r a t u r e2 0 c 4 5 c ) b ye x p e r i m e n t ，f i n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s h o r t c i r c u i t c u r r e n t ，o p e n c i r c u i tv o l t a g e ，o u t p u tp o w e r , f i uf a c t o ra n d t e m p e r a t u r e s u p p l yar e f e r e n c et o t 1 1 e p r a c t i c e u s eo fs o l a rc e l l a tl a s t ， 一 ， e s t a b l i s h e sh e a tt r a n s f e rm o d e lo fs o l a rc e l lb yd e d u c t i o n ，o n e d i m e n s i o n a l i i m o d e l ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw i t ht h es p e c i f i cb o r d e rc o n d i t i o n s ，i tc a nk n o w t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h es o l a rc e l l ，t h i si se v e nm o r ec l e a r u n d e r s t a n d i n go f s o l a re n e r g yc o n v e r s i o n s k e y w o r d s ：s i n g l ec r y s t a ls i l i c o ns o l a rc e l l ；s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ；o p e nc i r c u i t v o l t a g e ；o u t p u tp o w e r ；f i l lf a c t o r ；t e m p e r a t u r e i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：刘火茵 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年6 月d - b 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 而口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一：刮崤名刮彬扣8 嘶夕日 簟晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 第一章绪论 1 1 引言 能源的生产和消费与人类社会的进步息息相关。可以说，没有能源的开发和利用就 没有现代化社会的生存和发展。当今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，全球能 源需求量在逐年增加。1 9 7 3 年以来，西方世界出现了能源危机，石油供应不足，油价猛 涨，特别是那些依靠进口石油作为主要能源的国家经济发展受到很大的影响。同时石油、 煤炭、天然气等不可再生能源总有一天会枯竭，燃烧它们还会产生许多有害气体，如c 0 2 、 c o 、n o 、s o ：等。这样一来，寻找其它替代能源就变得十分必要，现在一些新能源相 继进入产业化，风能、核能、太阳能、潮汐能所占发电总量逐年增加。 1 2 太阳能辐射及其特点 太阳能是世界上分布最广泛、最丰富的资源之一。每年到达地球表面的太阳辐射能 约为5 5 7 x 1 0 1 m j ，相当于1 9 0 万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消耗总量的 1 5 6 x 1 0 4 倍。太阳内部极端高温条件下氢聚变成氦的热核反应是太阳能的来源，按照目 前消耗的速率来计算，还足以维持6 x 1 0 1 0 年，可谓取之不尽，用之不竭n 1 。在我国，有着 十分丰富的太阳能资源，具有发展太阳能事业的优越条件。据估算，我国陆地表面每年 接受的太阳辐射能约为5 0 x 1 0 1 6 m j 。太阳能象风能、潮汐能等清洁能源一样，其开发利 用时几乎不产生污染。但是太阳能是一种低密度、间歇性能源，这就对太阳能的收集与 应用提出较高的技术要求。另外，成本问题也是太阳能推广应用中的重要障碍之一。 1 3 太阳能电池分类 目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方 法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能电池是将太阳能 直接转化为电能的器件。自从1 9 5 4 年单晶硅太阳能电池研制成功，以后太阳能电池就进 入高速发展之列，相继出现了多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜 太阳能电池、有机物太阳能电池、纳米晶太阳能电池乜1 。 1 3 1 硅太阳能电池 硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在大规模应 l 簟晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 用和工业生产中，单晶硅太阳能电池占据主导地位，但单晶硅材料价格高而且制备工艺 相当繁琐。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叠层( 多 结) 非晶硅太阳电池。 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度3 5 0 4 5 0um 的高质量硅片上制成的，这种硅片 由提拉或浇铸的硅锭锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，上世纪7 0 年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小未能制 成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，目前较成功的为化学气相沉积法： 包括低压化学气相沉积( l p c v d ) 、等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 和快热化学气相沉 积( r t c v d ) 工艺。此外，液相外延法( l p e ) 和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 德国夫朗霍费太阳能研究所采用r t c v d 法在s s p 衬底上制备的太阳能电池转换效率 可达8 以上，国内的北京太阳能研究所也采用r t c v d 对多晶硅薄膜太阳能电池的制备做 了尝试。美国a s t r o p o w e r 公司采用l p e 南j j 备的电池效率达1 2 2 。中国光电发展技术中 心的陈哲艮研究员采用液相外延法在冶金级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于 晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池。，多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少， 无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率高 于非晶硅薄膜电池，具有良好的发展前景。 非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本低、便于大规模生产而普遍受到人们的重视并得 到发展。目前非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，以p e c v d 法最为成熟。该法可 以在低温下来制备非晶硅薄膜太阳能电池。其中单结非晶硅太阳能电池转换效率已超过 1 2 5 。日本中央研究院制得的非晶硅电池的转换效率最高为1 3 2 。南开大学的耿新 华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为2 0 2 0 c m 2 、转换效率为8 2 8 的a - s i a - s i 叠层太阳能电池。由于非晶硅的光学带隙为1 7 e v ，使材料本身对太阳辐射光谱的 长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率 会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退s w 效应，使得电池性能不稳定。解 决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，该方面研究已取得两大进展：第一，三叠 层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到1 3 ；第二，三叠层太阳能电池年生产能力达 5 m w 。 1 3 2 多元化合物薄膜太阳能电池 单晶硅电池的替代品主要包括砷化镓等i 一v 族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒 2上 广西大掌硕士掌位论文 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 薄膜电池等。与非晶硅薄膜太阳能电池相比，上述电池具有效率高、成本低、易于大规 模生产的特点。但由于镉有剧毒，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。砷化镓等i i i - v 族化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换 效率也受到人们的普遍重视。一v 族化合物，如g a a s 、g a s b 、g a i n p 等电池材料都得到 了开发。1 9 9 8 年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的g a a s 太阳能电池转换效率为2 4 2 ， 首次制备的g a l n p 电池转换效率为1 4 7 。该研究所还采用堆叠结构制备g a a s g a s b 电 池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，g a a s 作为上电池，下电池用的是g a s b ，所 得到的电池效率可达3 1 1 。铜铟硒c u i n s e 。简称c i s ，其能隙为1 1 e v ，适于太阳光的 光电转换。另外，c i s 薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题，可用作高转换效率薄膜太 阳能电池材料。主要制备方法有真空蒸镀法和硒化法，其转换效率从上世纪8 0 年代最初 的8 已发展到目前的1 5 左右。日本松下公司开发的掺镓的c l s 电池，光电转换效率已 达1 5 3 ( 面积l c m 2 ) 。c i s 作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工 艺简单等优点，但铟和硒都是比较稀有的元素，不易获得。 1 3 3 有机物太阳能电池 有机物太阳能电池制备工艺简单( 真空蒸镀或涂敷) ，具有制造面积大、廉价、简易 柔性等优点，可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池。目前，有机太阳 能电池在特定条件下光电转换率已达9 5 。1 9 7 4 年，k g h o s h 等制造出了a i m g p c a g 肖脱基势垒( s c h o t t k y _ b a r r i e r ) 光电池，并对短路电流、有机染料的光吸收常数、有机 膜层厚度、量子效率、载流子扩散长度的关系进行了研究。a r i n i g o 等在p o l y a n i i i n e ( p a n i ) s c h o t t k y - b a r r i e r 电池中加入c u p c 粉末，增加并拓宽了有机膜层的光吸收幅 度：在c u p c 单晶中掺杂i ：时，c u p c 层的电导率增大了3 个数量级。g d s h a r m a 等对 金属染料或敏化染料s n 0 2 的s c h o t t k y b a r r i e r 电池研究发现通过对染料的敏化和提 高电极的功函，势垒高度和激活能都得到了降低。染料池光电导层的光强有很大部分被 电极反射掉，降低了光电池转换率。s h a y a s h i 等从共振观点出发，用s p p ( s u r f a c e p l a s m o np o l a r i t o n s ) 激发技术改善了c u p cs c h o t t k y - b a r r i e r 电池，在入射角为4 5 。 的白光照射下，光电转换效率提高到原来的2 3 倍。 1 3 4 纳米晶化学太阳能电池 湿化学太阳能电池是一种通过光电极将太阳能转换为电能或电能和化学能的电器 件。m u a k o s h i 等以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输 运的传导介质，建立了一种固态光电池。s c h o n 等报道了通过在有机光电二极管中进行 3 广西大掌硕士学位论文 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 有机材料的分子掺杂可以提高光电转换效率。这种由掺杂的并五苯构成的薄膜器件的出 现对高效太阳能电池的生产是一个巨大的推动。染料敏化湿化学太阳能电池由镀有透明 导电膜的导电基片、多孔纳米晶t i 0 ：薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液及透明对电极等 几部分构成。染料敏化太阳能电池的关键问题在于纳米t i 0 2 薄膜的微观结构、敏化染料 的选择和载流子传输材料的选择。电极材料t i 0 。具备价格便宜、制备简单、无毒、稳定、 应用范围广，且抗腐蚀性能好。但其禁带宽度为3 2 e v ；吸收范围都在紫外区，因此需 要染料敏化。为了吸附更多的染料分子，必须制备多孔、大比表面积的纳米t i 0 。薄膜电 极。目前多孔纳米t i 0 2 薄膜的制备方法主要有两种：溶胶一凝胶法和由二氧化钛超细粉 制得。纳米t i0 2 的粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率具有非常大的影响。粒径 太大，染料的吸附率低，不利于光电转换；粒径小，界面太多，晶界势垒阻碍载流子的 输运，载流子迁移率低也不利于光电转换。另一方面，对制备的不同膜厚的t i0 2 薄膜电 极的光电性质测试表明，厚度为5 0 0 衄左右的薄膜电极的光电性质最好。作为敏化的染 料必须具备：( 1 ) t i 0 2 纳米结构半导体电极表面有良好的吸附性，即能够快速达到吸附 平衡，而且不易脱落；( 2 ) 在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带；( 3 ) 染料的氧化态和 激发态要有较高的稳定性；( 4 ) 激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率；( 5 ) 具 有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入t i 0 ：导带。大量实验证明， 吸附多层染料效果并不理想是因为只有非常靠近t i 0 2 表面的敏化剂分子才能把激发态 的电子顺利地注入到t i o ：导带中，多层敏化剂反而阻碍了电子的输运，导致转换效率下 降。为了提高染料的单层吸附效率，常采取以下方法：( 1 ) 使用高比表面积的多孔膜代 替平整膜；( 2 ) 增强有机光敏染料与半导体电极表面的相互作用。因为染料的激发态寿 命很短( 通常为1 0 1 0 呻s ) ，只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给 电极，所以染料最好能化学吸附在电极上；( 3 ) 利用有机分子设计合成灵活性高、更多、 更有效的多吡啶钌化合物或其他替代物。染料敏化纳米薄膜太阳能电池多采用液态电解 质作为电荷传输材料。液态电解质的选材范围广，电极电势易于调节，因此取得了一定 成果。但液态电解质有以下缺点：( 1 ) 液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附；( 2 ) 溶 剂挥发，可与敏化染料作用导致染料降解；( 3 ) 密封工艺复杂，密封剂也可能与电解质 反应。对于全固态太阳能电池，目前最常用的是空穴传输材料一般为p 型。p 型半导体 材料应满足：( 1 ) 在可见光区( 染料的吸收范围) 内必须是透明的；( 2 ) 沉积p 型半导体材 料的方法不能使吸附在t i 0 ：纳米晶体上的染料溶解或降解：( 3 ) 染料的激发态能级在t i 0 2 导带之上，而基态能级在p 型半导体价带之下。 4 广西大掌硕士掌位论文单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 1 4 太阳能电池温度影响因素的研究情况 太阳能电池是直接将太阳能转换为电能的装置。为了尽可能多的将太阳能转换为电 能，提高太阳能电池的效率，我们要研究外界因数对其输出性能的影响，找到一条使太 阳能电池效率最大的途径。太阳能电池的效率与短路电流、开路电压、填充因数等有关， 短路电流、开路电压、填充因数都与温度有关，所以说温度是影响太阳能电池输出效率 的一个重要参数，找到太阳能电池最佳工作温度，通过调节外界温度，使太阳能电池输 出功率最大化。目前国内外研究温度对太阳电池性能影响的文献有很多。 文献3 对份菁铝肖特基势垒光生伏特的温度效应进行了研究，通过测定铝份菁 银肖特基型太阳电池光生伏特的温度效应，得到以下结果： ( 1 ) 短路电流随温度上升而上升，当温度高于2 9 3 k 时达到饱和； ( 2 ) 开路电压在温度低于2 2 3 k 时随温度的上升而下降，当温度高于2 2 3 k 时随温度 的上升而上升，高于2 9 3 k 时则达到饱和； ( 3 ) 光电转换效率随温度上升呈上升趋势，高于2 9 3 k 时达饱和，说明随温度上升， 光生载流子产率提高； ( 4 ) 开路电压的变化受结的非线性阻抗影响，当温度低于2 2 3 k 时，热离子发射电流 起主导作用，当温度高于2 2 3 k 时，与杂质离子有关的电流起主导作用。 桨2 5 刨 恹2 0 睁 赢1 5 碧l o 墨5 密 骚0 1 5 0 2 0 0 2 5 03 0 03 5 0 t ( k ) 图1 1 短路电流与温度的关系 f i g 1 - 1n em m p e m t u r ed e p e n d e n c eo f 厶 5 广西大掌硕士掌位论文单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 o 7 0 6 ；0 5 昌o 4 塾3 欺0 2 o 1 o 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 t ( k ) 图1 2 开路电压与温度的关系 f i g 1 - 2n et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f 亿 文献m 1 1 3 对太阳能电池的温升效应进行了研究，得n t 温度与输出功率之间的关系 如图卜3 。 1 5 5 1 5 0 1 4 5 喜1 4 0 1 3 5 1 3 0 1 2 5 2 9 03 0 03 1 03 2 03 3 03 4 0 3 5 03 6 0 t ( k ) 图1 - 3 功率与温度的关系 f i g 1 3t h et e m p e r a n l r ed e p e n d e n c eo f p 6 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 文献n 2 。1 们对温度因素进行了研究，得到下面的结论： ( 1 ) 报道了温度对短路电流的影响， 上盟：0 0 3 3 k( 1 1 ) l k 以 ( 2 ) 报道了温度对开路电压的影响， ( r ) - ( 瓦) 一 导一( 瓦) 丢1 - 1 】一等1 1 1 吾 ( 1 - 2 ) ( r ) = ( 瓦) 半一( 瓦) 7 1 卜半1 1 1 ( 1 2 ) ei 。pl 对其进行简化： ( 丁) 兰u o 。( 3 0 0 k ) 一c o n s t ( t - 3 0 0 k ) ( 1 3 ) 1 5 本论文主要研究内容 本论文主要研究内容有三：( 1 ) 单晶硅太阳能电池基本性质的研究，分析建立短 路电流、开路电压、输出功率、填充因子、外接电阻各参数之间的关系；( 2 ) 通过实 验研究温度对单晶硅太阳能电池的短路电流、开路电压、输出功率、填充因子的影响， 找到单晶硅太阳能电池最佳工作温度点；( 3 ) 通过理论研究单晶硅太阳能电池的传热 过程，建立单晶硅太阳能电池吸收太阳能的传热理论模型。 7 广西大掌硕士学位论文单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 参考文献： 1 杨金焕，陆钧，黄晓槽太阳能发电地面应用的前景及发展动向新能 源19 9 5 ，v 0 1 17 n o 2 2 茅倾青太阳能电池基本特性测定实验物理实验2 0 0 4 ，2 4 ( 1 1 ) ：6 , - - 8 3 黄颂羽，张亚娣份菁铝肖特基势垒光生伏特的温度效应太阳能学 报1 9 9 5 ，1 6 ( 3 ) ：2 6 8 - 2 7 3 4 c h a n gyd ，h u a n gsy s c i t e c h n 0 1 1 9 9 1 ，a 9 ( 6 ) ：2 9 4 1 5 5 g h o s hakm o r e ld l ，e t a l j a p p l p h y s 1 9 7 4 ，4 5 ：2 3 0 6 s z esm p h y s i c so fs e m i c o n d u c t o rd e v e s w h i l e yi n t e r s c i e n c e ，n y l 9 6 9 7 d a k i njp t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n tu s i n gr a n l a nr a t i ot h e r m o m e t r y p r o c s p i e f i b e ro p t i c & l a s e rs e n s o r si i i 1 9 8 5 5 6 6 ：2 4 9 - - - 2 5 3 8 a i m o h a n a d im r o s sjn ，b r i g n e l lje o p t i c a l l yp o w e r e da n di n t e l l i g e n ts e n s o r s s e n s o r sa n da c t u a t o r s 1 9 9 7 ，a 6 0 ( 2 ) ：1 4 2 - 1 4 6 9 m o r e yww ，m e l t zg ，g l e n nw h f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s p r o es p i e ，f i b e ro p t i c & l a s e rs e n s o r sv i i 1 9 8 9 ，11 6 9 ：9 8 - 1 0 7 10 r o m e nf t h et r a n s i e n tb e h a v i o ro fi n s b ( p v ) d e t e c t o ri r r a d i a t e db yl a s e r h i g hp o w e r l a s e ra n dp a r t i c l eb e a m s 1 9 9 1 ，3 ( 1 ) ：1 0 8 - - 1 2 0 1 1 张玉存，刘彬r a m a n 散射型光纤测量太阳能电池的温度光电工程2 0 0 5 ，3 2 ( 1 2 ) ： 8 6 - 8 9 1 2 m o r i t ay ，f u j i s a w at ，t a n it ，m o m e n tp e r f o r m a n c eo f p h o t o v o l t a i c t h e r m a lh y b r i d p a n e l ( n u m e r i c a la n a l y s i sa n de x e r g e t i ce v a l u a t i o n ) ，e l e c t r e n g j p n 2 0 0 0 ，1 3 3 ( 2 ) ：4 3 - - - 5 1 13 g a r gh p ，a d h i k a r ir s ，t r a n s i e n ts i m u l a t i o no fc o n v e n t i o n a lh y b r i d p h o t o v o l t a i c t h e r m a l ( p v t ) a i rh e a t i n gc o l l e c t o r s ，i n t j e n e r g yr e s 2 2 ( 1 9 9 8 ) ：5 4 7 5 6 2 1 4 d r a m i n c a n i nm d ，r i v t o s k iz d ，n i k o l i cp m ，e t a l p h o t o a c o u s t i ci n v e s t i g a t i o no f t r a n s p o r ti ns e m i c o n d u c t o r s ：t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fag es i n g l ec r y s t a l ，p h y s r e v b 5 1 ( 2 0 ) ( 1 9 9 5 ) ：1 4 2 2 6 1 4 2 3 2 15 m a c d o n a l dd h ，r e c o m b i n a t i o na n dt r a p p i n gi nm u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s ， p h d t h e s i s ，t h ea u s t r a l i a nn a t i o n a lu n i v e r s i t y ，c a n b e r r a , a u s t r a l i a , 2 0 01 16 m y e r sd re m e r ykg u e y m a r dc ，r e v i s i n ga n dv a l i d a t i n gs p e c t r a li r r a d i a n c e 8 广西大掌硕士掌位论文革晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 r e f e r e n c es t a n d a r d sf o rp h o t o v o l t a i cp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，j s 0 1 e n e r g ye n g 12 6 ( 2 0 0 4 ) ： 5 6 7 5 7 4 17 h o u c i n ei ，b e n j e m a af ，c h a h b a n im h ，e t a l r e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e sf o rw a t e r d e s a l i n a t i o ni nt u n i s i a d e s a l i n a t i o n1 9 9 9 ；1 2 5 ：1 2 3 1 3 2 18 b a l i g ab r , p a t a n k a rs v ac o n t r o lv o l u m ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rt w od i m e n s i o n a l f l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e r n u m e rh e a tt r a n s f e r19 8 3 ；6 ：2 4 5 2 6l 19 p r a k a s hc a ni m p r o v e dc o n t r o lv o l u m ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rh e a ta n dm a s s t r a n s f e r ，a n df o rf l u i df l o wu s i n ge q u a l - o r d e rv e l o c i 帅r e s s u r ei n t e r p o l a t i o n n u m e rh e a t t r a n s f e r19 8 6 ：2 5 3 2 7 6 9 广西大掌硕士掌位论文 簟晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 第二章太阳能电池的原理和基本性质 2 1 太阳能电池的基本原理 2 1 1 硅太阳能电池 光电效应是在1 8 8 7 年由h e i n r i c hh e r t z 实验发现的。而在1 9 0 5 年，爱因斯坦使用 光子的概念，在理论上予以成功的解释。光电效应一般而言是描述光子射到金属表面， 金属内的电子吸收足够的光子能量，离开金属，成为真空中的自由电子。在实验设置上， 通常是用两个金属和一个电压电源连接起来，照光的金属当阴极放射器，不照光的金属 当阳极接受器，外加电压让照光后逃离金属的束缚的电子从阴极跑到阳极，形成光电流。 我们知道，金属的电子能带结构和半导体或绝缘体不一样，因为电子可以自由运动 的导带和电子参与键结的价带是重迭的，也就是说，金属内参与键结的电子是可以自由 运动的导电电子。而金属内的电子能带结构有二个重要的物理参数，即费米能和真空能 阶，真空能阶和费米能的能量差就是所谓的功函数能量。简单的说，在温度0 k 时，费米 能是指金属内的电子占据的最高能阶。也就是说，在温度o k 时，费米能以下，填满电子， 费米能以上，没有电子。功函数则是金属内的正电背景离子对电子的净束缚能，若电子 脱离金属的束缚而跃升至真空能阶，自然是变成真空中的自由电子。通常有两种方式可 以让电子获得额外的能量，脱离金属的束缚，而跃升至真空能阶。一是加热，电子吸收 声子的能量，产生热离子放射，或是照光，电子吸收光子的能量，产生光电效应。 当然，理论上利用金属的光电效应也可以用来当电池。有光照的金属，其电子吸收 光子的能量，从费米能下的低能阶提升至费米能上的高能阶，当然如果光子能量大于功 函数，电子就会提升至真空能阶，成为真空中的自由电子。而我们知道，电子的能量分 布二个重要的物理参数：化学势和温度。吸收光子至高能阶的电子，经由电子一电子碰 撞，就会提高整个金属电子的化学势与温度。也就是说，有光照的金属其化学势会稍微 大于没有光照的金属的化学势。因此，有光照的和无光照的二金属之间存在一个电压差， 也就是太阳能电池开路电压。当有光照和无光照的二金属间用导线连接时，光照金属端 真空能阶的自由电子，就会因这电压差的驱动，从阴极放射器传输至阳极接受器，形成 光电流，也就是太阳电池的短路电流。 l o 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 太阳能电池在无光照时等效于一个二极管，在有光照的条件下工作，等效于一个受 控的电流源，等效电路图如图2 - 1 ： 光 生 电 流 源 图2 1 太阳能电池等效电路 f i g 2 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f s o l a rc e l l 2 1 2 有机太阳能电池的基本原理m 围绕提高有机太阳能电池的研究，开展了大量的工作，并且在过去的几年中出现 了大量的成果，从材料的选择到器件结构的优化都经历了不同层次的创新。在材料方 面有：有机材料、有机染料无机材料、有机染料有机染料、有机染料聚合物材 料、聚合物材料、聚合物材料无机材料、聚合物材料聚合物材料等。目前施主一 受主分子结合制作太阳能电池主要有三种方法t( 1 ) 将施主和受主分子分别涂覆在 导体表面形成单异质结； ( 2 ) 将施主和受主分子混合在一起，在整个器件内形成一 个异质结体系；( 3 ) 在施主和受主分子层之间插入一层激子中间层，使产生的电子 和空穴载流子向受主和施主层迁移，形成双异质结多层结构。通过对材料和器件结构 的改进、优化，有机太阳能电池的效率和性能均有不同程度的提高。 就典型的光电池而言，p 一型和n 一型半导体材料匹配而成器件，在这两者之间形成 p - n 结。从n 一型半导体漂移而来的电子填充从p 一型半导体漂移而到达结的空穴。在足 够的能够克服半导体禁带宽度的外界能量源( 如电能和光子) 影响下，自由电子和自由 空穴就能够分别产生于n 一型和p 一型半导体材料。这些电子和空穴就i 甸p - n 结运输并扩 散通过p - n 结，并且继续朝着相反的方向运输，直到它们到达半导体的另一边被某种 导体吸收。 在半导体体系，光引发电流的电压是依据使用材料禁带带隙宽度的大小而设定， 广西大学司陆掌位论文单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 而光引发电流是由入射到光电池的光强而确定。禁带宽度越大，电子产生的势能也就 越大。这类体系能量的损失来源于诱获过程带电载流子与中间能态在半导体缺陷 处的结合。 2 1 3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理州 染料敏化太阳能电池主要由：染料敏化的二氧化钛或其它半导体氧化物纳米薄 膜、电解质以及阴极组成的“三明治 式结构，如图2 - 2 所示。 1 一 l 玻璃 门门 上 墨余，； n 二一 f 。 负 f 三o 一，一， 载 t j l 1 r i 0 2电子 r1 r 玻璃 广西大学硕士掌位论文单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 电解质中的电子供体和氧化态的染料分子( s + ) 反应，使染料得以再生并自身被氧化为 o i ，然后扩散到对电极，从而完成一个光电化学循环。此外，激发态的电子在注入半 导体导带的过程中会发生电子复合反应( 即暗电流) ：注入到导带中的电子与氧化态的 染料分子、电解质中的电子受体反应。显然，复合反应的发生降低了染料敏化太阳能 电池的光电流。 图2 3d s s c 的工作原理口1 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo fd s s c 2 2 单晶硅太阳能电池的基本性质 太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的装置，单晶硅太阳能电池的基本性质就 是研究输出电流与输出电压，输出功率与输出电流、输出电压之间的关系。因此，只 有把单晶硅太阳能电池的基本性质研究透切，才能够更深入地理解单晶硅太阳能电池 内部各因素之间的本质联系。 2 2 1 实验原理 单晶硅太阳能电池( f d o e 一4 型) 可以吸收太阳光中的部分能量，并将吸收的太阳 能转化为电能。单晶硅太阳能电池的输出特性是指它吸收了太阳能量后，能够转化为 多少电能与其它因素之间的关系。单晶硅太阳能电池的输出特性是一个很复杂的性质， 1 3 帖 。 帖 d 4 怒m 。 簟晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 它和电池本身、光照强度、外接电路性质等等因素有关。单晶硅太阳能电池的输出特 性有电压输出、电流输出、功率输出，我们研究的是功率输出和电压、电流、外接电 阻之间的关系以及最大输出功率和光照强度之间的关系口q 帕。实验装置于图2 4 ： 抛光罩 图2 4 太阳电池实验装置图 f i g 2 - 4t h ee x p e r i n a e n t a li n s t a l l a t i o no fs o l a rc e l l 当光照强度一定时，也就是当d 一定时，改变变阻箱的阻值，用数字万用表测量 其两端的电压，这样就可以得出输出功率与电阻、输出电流、输出电压之间的关系。 改变光照强度，也就是单晶硅太阳能电池与光源之间的距离d 变化，测量几组不同的 输出电压和输出电流数值，可以得到在不同的光照下的最大输出功率，以及最大输出 功率和光照强度的关系。 2 2 2 实验数据及讨论n 保持单晶硅太阳能电池与光源的距离d = 1 5 m 时，改变电阻箱的阻值，用数字万用 表测量电阻箱两端电压，得到数据如表2 - 1 ： 利用表2 - 1 的数据计算得到输出功率和电阻关系如图2 - 5 所示，从图2 - 5 可以看 到，开始阶段输出功率随电阻增大而增大，增大到一定值时，输出功率随电阻增大反 而减少，当r = 4 1 0 0q 时，输出功率最大，p - - o 2 5 m w 。这说明单晶硅太阳能电池( f d - o e 一4 型) 并不是一个纯粹的电流源或电压源，它的输出特性比较复杂，随着许多因素的变 化而变化，并且它有一个极值点，找到这个极值点是我们研究问题的着手点。 1 4 广西大掌硕士学位论文 簟晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 表2 1f d 啦一4 型单晶硅太阳能电池( 由8 块1 r e x1 锄串联) 输出电压与外接电阻 t a b 2 1t h e 陀l a t i o n s h i pk 帅e e no u t p u tv o l t a g ea n de 斌e m f lr e s i s t o ro ft y p ef d 旬e ds o l 缸 c e l l ( e i 曲tl m x l m d e s ) 1 5 广西大掌硕士掌位论文 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究 o 3 5 0 3 0 2 5 童0 2 色 堑0 1 5 督 o 1 0 0 5 0 o2468 1 01 2 r ( 1 0 0 0 0 欧姆) 图2 - 5 输出功率与外接电阻的关系 f i g 2 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u tp o w e ra n de x t e r n a lr e s i s t o r 根据表2 - 1 数据计算得到输出功率p 与输出电流i 的关系如图2 6 所示： 一 o 3 5 o 3 o 2 5 金 30 2 白 鐾0 1 5 坩 o 1 o 0 5 o 00 20 40 60 81 图2 - 6 输出功率与输出电流的关系 f i g 2 - 6t