硅光伏电池原理.doc

太阳能电池的原理及制作作者：魏锐 文章来源：本站原创点击数：2508 更新时间：1/3/2006太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 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光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。 一、硅太阳能电池1硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：/heatpipe05/05/2008-10-17/810174694339.htm图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示）由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2硅太阳能电池的生产流程通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。上述方法实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积知道 余下全文主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。 三、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，人们一直不断在工艺、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TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。 以染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）为例，这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。 阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜） 阴极：镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I- 如图所示，白色小球表示TiO2，红色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。 纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。 四、染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作 1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜 (3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结1015分钟，然后冷却 2.利用天然染料为二氧化钛着色 如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。 3.制作正电极 由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上+，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 4.加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 5.组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。 6.电池的测试 在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。 参考文献 /energy1/2004-2/20042467.html /index.htm /.x.html 同学：什么是硅光电池?它的主要特性是什么? 老师：硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结(图9)。大家可以自己做一个简单的实验，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。例如，国产2CR型硅光电池在100mW/cm2的入射光强下，开路电压(需用高内阻的直流毫伏计测量)为450600mV，短路电流为1630mA，转换效率为612。 同学：硅光电池的受光面为什么是蓝色的?硅光电池可以串联和并联吗? 老师：为了减少光线在硅光电池表面的反射，在它的表面还蒸有一层一氧化硅抗反射膜，可以使反射系数由30 光伏技术、产业及市场 简述 摘自中国电子报 光伏技术可直接将太阳的光能转换为电能，用此技术制作的光电池使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划，开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性，降低成本，不断扩大产业。目前已有80多个国家和地区形成商业化、半商业化生产能力，年均增长达16，市场开拓从空间转向地面系统应用，甚至用于驱动交通工具。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池 作屋顶、外墙、窗户等建材用）投资规模为600亿美元，而到2005年还会再翻一倍达1200亿美元，光伏技术制作的光电池有望成为21世纪的新能源。以下按其材料分类，展示光伏技术、产业及市场发展动向。 晶体硅光电池 晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷 光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为10至20cm的圆片，年产能力46MWa。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5?18，地面用大量生产的在AM1条件下多在11?18之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，切磨抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6。 非晶硅光电池 a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化 （0.5m1.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层p in 等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。其商品化产量连续增长，年产能力45MWa，10MW生产线已投入生产，全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。发展集成型a-Si光电池组 件，激光切割的使用有效面积达90以上，小面积转换效率提高到14.6，大面积大量生产的为8-10，叠层结构的最高效率为21。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。 多晶硅光电池 p-Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p-Si光电池转 换效率为15.3，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7，用CVD法制备的转换效率约为 12.6-17.3。采用廉价衬底的p-Si薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对a-Si：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8和9.2的无退化电池。微晶硅薄膜生长与a-Si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7。大面积低温p-Si膜与-Si组成叠层电池结构，是提高a-S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。铜铟硒光电池 CIS（铜铟硒）薄膜光电池已成为国际光伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到2?3m，吸收层CIS膜对电池性能起着决定性作用。现已开发出反应共蒸法和硒化法（溅射、蒸发、电沉积等）两大类多种制备方法，其它外层通常采用真空蒸发或 溅射成膜。阻碍其发展的原因是工艺重复性差，高效电池成品率低，材料组分较复杂，缺乏控制薄膜生长的分析仪器。CIS光电池正受到产业界重视，一些知名公司意识到它在未来能源市场中的前景和所处地位，积极扩大开发规模，着手组建中试线及制造厂。 碲化镉光电池 CdTe（碲化镉）也很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30，是非常理想的光伏材料。可采用升华法、电沉积、喷涂、丝网印刷等10种较简便的加工技术，在低衬底温度下制造出效率12以上的CdTe光电池，小面积CdTe光电池的国际先进水平光电转换率为15.8，一些公司正深入研究与产业化中试，优化薄膜制备工艺，提高组件稳定性，防范Cd对环境污染和操作者的健康危害。 砷化镓光电池 GaAs（砷化镓）光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高 达29.5（一般在19.5左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，用MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。 其它材料光电池 InP（磷化铟）光电池的抗辐射性能特别好，效率达17?19，多用于空间方面。采用SiGe单晶衬底，研制出在AM0条件下效率大于20的GaAsSi异质结