太阳能电池 光学 新能源 论文.doc

太阳能电池的原理及应用摘 要： 太阳能电池以飞快的速度发展，成为近年来的一个优势产业。本文就太阳能电池的构造、原理、能量转换过程及光生伏特效应进行了分析。关键词： 太阳能电池、发电方式、能量转换、光生伏特效应索引：1.1太阳能电池简介1.2太阳能电池的基本构造2. 太阳能电池种类原理2.1太阳能发电两种方式2.2太阳电池的能量转换过程2.3光生伏特效应原理2.4光生伏特效应用3. 太阳能电池基本特性正文：1.1太阳能电池简介太阳能电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。1.2 太阳能电池的基本构造从电的角度来看，我们所用的硅都是中性的。多余的电子被磷中多余的质子所中和。缺失电子（空穴）由硼中缺失质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的交界处混合时，中性就被破坏了。在交界处，它们会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。2. 太阳能电池种类原理2.1太阳能发电两种方式2.1.1光热电转换 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一 样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元， 平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞 争。2.1.2光电直接转换 光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的2.2太阳电池的能量转换过程太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的pn结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅pn结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流iph流过。 当给太阳电池连结负载r，并用太阳光照射时，则负载上的电流im和电压vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与v=-ir表示的直线的交点来确定。 此时负载上有pout=ri2m的*gong*率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输 出*gong*率。输出*gong*率（电能）与输入*gong*率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。下面我们把目光转到太 阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻r外，电路中无其它电阻成分。当 具有h（ev）（heg，eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子 被激发到比导带底还高的能级处。对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。 这时电子及空穴将总的h - eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结 的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电 中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电 阻上每秒每立方厘米流入n个电子，则加在负载电阻上的电压v=qnr=ir表示。由于电路中无电源，电压v=ir实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏 置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流id=i0exp(qv/nkt)-1朝着与光激发产生的载流子形成的光电流iph相反的方向流动，因而流入负 载电阻的电流值为在负载电阻上，一个电子失去一个qv的能量，即等于光子能量h转换成电能qv。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在p型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流太阳光照在半导体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。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。2.3光生伏特效应原理当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受 内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场 除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电 路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将pn结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n区和p区，使n区的费米能级 比p区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差voc。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极 管的正向电流相等，并由此可以决定voc的值。2.4 光生伏特效应用光伏材料能将太阳能直接转换成电能。光伏材料又称太阳能电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、 非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。 其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳能电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。 以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为光伏产业，包括高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。 我国光照充沛，光能资源分布较为均匀；与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠；除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存， 太阳能+蓄能，几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。 太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。 光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。从全球范围来看，产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加，光伏市场产业链呈金字塔形结构3. 太阳能电池基本特性3.1光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。3.2光照特性：光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。