太阳电池与材料范文

太阳电池与材料范文太阳电池与材料范文 太阳电池及材料池玉娟黑龙江大学化学系物理化学实验室解决人类 社会发展在能源需求方面的问题 开发宇宙空间所需的连续不断的能 源 地面一次能源的获得 目前地面能源面临的矿物燃料资源减少与 环境污染问题 日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题 改善 生态环境 控制环境污染 利用太阳光与材料相互作用直接产生电能 是对环境无污染的可再生能源 是21世纪的重要新能源 一些发达 国家目前已出巨资并增加技术投入以占领日益扩大的太阳电池市场 科学家们公认 太阳能是未来人类最合适 最安全 最绿色 最理 想的替代能源 资料显示太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量 目前太阳能利用转化率约为 据此推算 到 年全世界能源消费总量大约需要 万亿立 升原油 如果用太阳能替代 只需要约 万公里的一块吸太阳能 的 光板 就可实现 宇宙发电计划 在理论上是完全可行的 原理理太阳电池发电的原理是基于光伏效应 photovoltaic effect PV 由太阳光的光量子与材料相互作用而产生的电势地面 用太阳电池要形成组件 需将多片太阳电池连接在一起并起支撑与 保护作用 太阳电池组件通常称为光伏组件 半导体材料薄膜用衬底材料减反射膜材料电极与导线材料组件封装 材料地面用太阳电池的制约因素 成本 材料费用是最大的支出 如 晶体硅电池中 材料费占60 80 半导体材料的选择 制备工艺与 质量直接影响太阳电池的转换效率和成品率 解决这一问题必须依靠 材料科学与技术的进步太阳能太阳是一座聚合核反应堆 发射功率 为3 8 1026W 中心温度107K 太阳表面是5743K的黑体 太阳辐射的光谱所包括的波长为10pm 10km 其中99 的能量集中 在0 276 4 96 m之间 地球一年接受太阳的总能量为1 8 108kWh 仅为太阳辐射总能量 的20亿分之一 却是现在人类消耗能量的12000倍倍 在人类使用的能源中 除直接用太阳的光能 热能外 其它所有能 源形式均于太阳能 地表与接受太阳辐照的关系对一个具体地理位置而言 太阳对地表 面的辐照取决于地球绕太阳的公转与自转 大气层的吸收与反射 气象条件 1 地球相对太阳的运动的影响 2 大气层对太阳辐射的影响 3 大气质量数 4 日照的地理分布太阳电池分类 空间用太阳电池 地面用太阳电池 电源用太阳电池消费电子产品用太阳电池耐辐射 转换效率高 单 位电能所需重量小发电成本低 转换效率高电池薄而小 可靠性高 按化学组成及产生电力方式分类 无机半导体太阳电池 有机太阳电 池 利用酞菁锌 聚苯胺 甲基卟啉 聚对苯乙炔等有机半导体形成 的异质结或与金属形成的肖特基势垒而产生光伏效应 光化学电池 是由光子能量转换成电子 电子通过电解质转移到另外的材料 然 后向外供电的 无机半导体太阳电池制作太阳电池所用的半导体材料 元素半导体 化合物半导体 各种固溶体 物性随组成而改变 半导体 材料的主要性质 能带结构 晶体结构 化学键 载流子的输运 光与半 导体相互作用 1 固体的能带结构原子与原子结合形成晶体时 由于原子间电子的 相互作用 使原来原子的各自分散的能级形成为准连续的带状结构 简称为能带 能带为彼此能量相差很小的准连续组 由于能带的结构不同 形成了金属 半导体和绝缘体 价带 满带 导带禁带 带隙 能带结构是由物质组成决定的 和材料 本性具有直接关系 金属的能带结构和其它两类不同 绝缘体在能带 结构方面与半导体相似 只是禁带宽度不同禁禁带带分分为为直直 接接禁禁带带和和间间接接禁禁带带半导体中的载流子有两种带负 电荷的电子和带正电荷的空穴 根据对载流子贡献的机理 半导体可分为本征半导体和非本征半 导体 载流子的产生与复合本征半导体是指在材料纯度较高的条件下 在 一定温度范围内 材料中的载流子主要热激发 到达导带的是电子 这时价带中就少了一个电子 于是形成了空穴 这样 电子的浓度与空穴浓度相等 即n p n i式中n为电子浓度 p为空穴浓度 n i为本征激发的电子浓度 式中k是波尔兹曼常数 T为绝对温度 B为常数 kT Ei2gBe npn 非本征半导体是指载流子一般靠杂质提供 如果杂质提供的载流子浓度明显高于本征载流子浓度 那么半导体 的导电行为就被杂质载流子控制 称为杂质半导体 在浓度不甚高而掺人的杂质又为浅能级杂质时 杂质全部电离 假设掺人的是施主杂质 则认为n N D式中N D为施主杂质的原子浓度 N DP n2i式中p的值为p n2i N D由本征激发或由杂质电离所形成的载流子浓度在既定温度下处于平 衡状态 称为平衡载流子 由辐照 电注入等形成的载流子称为非平衡载流子 在这些激发形式下 载流子不断产生与复合 一旦去掉这些激发形式 由它们所产生的载流子就很快被复合掉 只剩下平衡载流子 为表征非平衡载流子的复合过程 提出了非平衡载流子寿命的概念 载流子寿命即载流子从产生到复合的统计平均生存时间 在小注入的情况下 一般只考虑少数载流子寿命 即在n型半导体中 的空穴寿命 TP 或在P型半导体中的电子寿命 t t n 寿命就取决于复合的机理 现在认为共有四种复合机理 即即直接复合 通过复合中心复合 俄歇复合 表面复合 1 直接复合t tp l rn0t tn l rp0式中n 0 p0为平衡载流子浓度 r为比例常数 因材料不同而异 可以看出 直接复合寿命与多数载流子的浓度成反比 直接复合对直接禁带材料是主要的 因为直接禁带便于直接复合 而对间接禁带材料则不是主要的 一些杂质和缺陷能在禁带内离开导带或价带一定距离的地方形成能 级 这些能级起到载流子产生或复合的台阶作用 故把这种杂质或缺陷 称为载流子的复合 产生中心 影响间接禁带材料少子寿命的主要是这种机制 其寿命值为t tp 1 s s V tN t tn 1 s s VtNt式中s s为复合中心的俘获载面 V1为载流子热运动平均速度 N t为复合中心浓度 有已发现在硅中能形成复合中心的杂质有Ta Mo W Nb Zr Ti V Cr Co Mn Fe等等 2 通过复合中心复合 3 俄歇复合电子与空穴复合时将多余的能量传给导带中的另一个电 子或价带中的另一个空穴 获得能量的载流子再以声子的形式将其 释放出来 其寿命为或或此种复合只在重掺杂材料中占主要地位 n2D11r Nt p2A11r Nt 4 表面复合表面复合的机制有表面的悬挂键 材料加工的表面损伤 表面吸收的杂质等 总的寿命为体寿命与表面寿命的综合结果 即即式中t t为材料的整体载流子寿命 t tv为载流子的体内寿命 t tn为载流子的表面寿命 v s111ttt pn结因为禁宽度愈大 n i愈小 V D愈大 扩散形成的电场区内的载流子几乎被扩散进来的载流子全部复合掉 故称耗尽区 其厚度式中e er e e0分别为材料的相对介电常数和真空介电常数 根据静电作用的原理 如在P型区产生了电子 空穴对 那过么电子很容易通过n区的正电场进入n区区 而空穴则 被正电场挡在p型区 同理 n型区的空穴进入P区区 而电子留在 n区区 内建电场的电压值AD D2iN kTVlnNq n Dp ApA0rn pVNNN Nq2WX XW e e 半导体与光伏效应当光射到半导体时 一部分被反射 一部分 被吸收 其余部分则透过 即即A R T 1式中A为吸收率 R为反射率 T为透过率 在制作太阳电池时希望反射率愈小愈好 但反射率是材料折射率的 函数 对硅而言 在感兴趣的范围内 反射率均在0 30左右 因此需要采 取镀减反射膜或做绒面等措施 1 光与半导体的相互作用当一束光强为I0的光垂直人射到半导体表 面时 半导体内离入射表面x处的光强Ix按吸收定律就应为Ix I0 1 R e ax式中a为与波长有关的吸收系数当半导体的厚度为d时时 透过率 可近似表达为T I2 I0 1 R 2e ad式中I2为透过光的强度 半导体对光的吸收取决于半导体的禁带宽度及能带结构 对直接禁带半导体 当光子的能量大于或等于禁带宽度 即h v E g时 一个光子可将价带中的一个电子激发到导带 形成一个电子一 空穴对 而剩余的能量 即即hv E g则作为热能传给晶体 直接禁带材料的吸收边为hv0 he l l0 Eg l l0 1 24 E g式中h为布朗克常数 v0为吸收边的频率 c为光速 l l0为吸收边的波长 当光子与间接禁带半导体相作用时 形成一个电子一空穴对就必需 吸收或放出一个声子其吸收边为hv0 E g E p式中E p为声子能量 2 光伏效应与太阳电池光伏效应光与半导体的相互作用可以产生光 生载流了 当将所产生的电子一空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时 两极间就会产生电势 称为光生伏打效应 简称光伏效应 因此太阳电池又称光伏 PV 器件 在半导体中可以利用各种势垒如pn结 肖特基势垒 异质结势垒等 形成光伏效应 短路电流与开路电压太阳能电池可处于4种状态无光照 有光照 短 路 有光照 开路 有光照 有负载太阳电池作为电源处于第4种状 态 但负载的选择要考虑与短路电流和开路电压相匹配 短路电流与开路电压是标征太阳电池性能的最重要数值于如果辐射 到太阳电池的能量大于Eg的光子全都形成电子 空穴对 且可被全部收集 这时最大电流密度应为J L max qEF g式中F为光量子的数 q为电子电荷 1 短路电流在实际中要考虑到光的反射 电池的厚度等 因此实际 收集的电流为式中l l0为半导体材料吸收边 R为与波长有关的反射系数 a为与波长 有关的吸收系数 H为电池的厚度 x为离电池表面距离 由此可见 J L与禁带宽度有关 因l l0 所以a 0 而F与与光强度有关 Ha xL00J qF 1R e ddll l l l x如果电池的少数载流子寿命足够长 使载流子到pn结前未 被复合 短路电流则为光生电流 即即J SC J L而短路电流是由光在n型区 结区 P型区产生电流的总和 即即 J SC J n J p J dr实验与计算都表明 这这3个区位对载流子的贡献 首先取决于电池的结构 以以n p电池为例 顶区对光谱中的紫外光敏感 为产生的光生载 流子约为5 12 耗尽区对可见光敏感产生的光生载流子约占2 5 基区对红外波长敏感 产生的光生载流子约占90 左右 1 当电池处于光照下 通过二极管的电流为短路电流同与之相反的 二极管的正向电流之和I V I SC I0 e qv AkT 1 式中V为二级管的电压 A为二极管的曲线因子 T为为温度 k为 波尔兹曼常数 I0为二级管的反向电流 开路电压为由于开路时I V 0 此时的电压为开路电压 即V V OC SCOIVOC AkT qln 1 I 2 开路电压 3 填充因子当太阳电池接上负载R时时 所得的负载1 V曲线如图所示 R可以从零到无穷大 当当R m为最大功率点时 它对应的最大功率为P m I mV m式中I m V m分别为最佳工作电流和最佳工作电压 将将V OC与与I SC的乘积与最大功率P m之比定义为填充因子FF 则则FF P m V OCI SC V mI m V OCI SCFF为太阳电池的重要表征参数 FF愈大则输出的功率愈高 FF取决于入射光强 材料的禁带宽度 A因子 串联电阻和并联电阻 等 4 转换效率及其影响因素太阳电池的转换效率是首要的关键指标 决定着电池的成本 质量 材料消耗 辅助设施等许多因素太阳光 照射到太阳电池表面以后的经历和产生损失的环节节太阳电池的效 率定义为太阳电池的最大功率输出与照射到太阳电池的总辐射能Pin 之比 可写作式中 A t为电池面积 P in为单位面积的太阳能强度 因此在解决了表面反射膜以后 太阳电池的效率取决于电池的材料 与结构 m inOCSCt inP P VI FF A P 影响转换效率的主要因素禁带宽度温度少数载流子的寿命掺 杂浓度及分布光强 11 禁带宽度禁带宽度对转换效率的影响是双向的 一方面禁带宽度增大会使短路电流减小 因为随着它的增大 能激发光生电流的光子数在减少 另一方面禁带宽度增大会使开路电压增大 这种双向关系经复杂的运算处理 获得了不同禁带宽度材料的最大 转换率的理论值 2 温度温度升高会使转换效率下降 这是因为温度升高会造成禁带 宽度降低 33 少数载流子的寿命光生载流子产生后 少数载流子要运动到pn 结的另一方 在此期间 只有它不被复合 才有可能形成电池电流 少数载流子寿命除了取决于材料的本性外 主要取决于复合中心的 浓度 它是由晶体缺陷和有害杂质浓度构成的 长的寿命还会减少暗电流和提高开路电压 44 掺杂浓度及分布在一定的范围内 掺杂浓度愈高 V OC也随之增高 这有利于转换效率的提高 但由于载流子的简并效应 过多的掺杂V OC反而会降低 而且少数载流子寿命也会降低 另外 当掺杂浓度从电池表面的扩散区向结的方向不均匀降低时 可提高光生载流子的收集效率 有利于转换效率的提高 55 光强提高太阳的光的强度有助于提高转换效率 如将太阳光x倍倍 说一般说I SC与与x成正比 这应保证了光强增大 转换效率保持不变 但另一方面还会发生 场助效应 即在基区中产生强大的光生电 流 这个电流产生一个促使光生载流子流向pn结的电场 高的光强还可以提高电池的填充因子 太阳电池大规模应用的有关问题 接受面积问题 产生的能量与负载 匹配问题 电池材料的资源问题 发电成本问题 1 接受面积问题虽然太阳到达地面的能量远远超过人类的需求 但 是太阳的能量是分散的 为了提供所需的能源必需有够的接受面积 据测算 为了满足2000年全球电力的需求 以电池转换效率10 计算 需要的面积为640000平方公里 这与阿富汗的面积差不多 所