太阳能电池论文

太阳能电池 物理学院 09物本3班 麦昌壮 学号：2009294362 太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪的热门课题， 太阳能电池的光谱响应和温度特性的测试对提高太阳能电池的生产工艺 水平和研究电池片的性能有重要的参考价值。鉴于受实验条件和实验装 置的限制，传统的太阳能电池特性参数测量装置，把主要研究内容放在 了电池的光照特性、I-V特性和负载特性上，对光谱特性和温度特性研究 很少，甚至没研究。该项目通过进行Si太阳能电池温度特性和光谱特性 测试装置的设计，测试得出 Si太阳能电池温度特性和光谱特性。 1、 研究背景 1）太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用 作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人 类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼 等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利 用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种 新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风 能，化学能，水的势能等等。 2） 火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有 限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源 再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化 物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。 3） 水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库 一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有 限的，而且还要受季节的影响。 4） 核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样 是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了 不同程度的损害，而且这一影响并未终止。 5） 这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一 是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环 境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电 池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的 新能源是大阳能。 6） 太阳能发电是最理想的新能源，照射在地球上的太阳能非常巨 大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年 能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能 源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被 誉为是理想的能源。 2、理论研究 硅光电池的结构、光电池的基本原理光伏效应如图1图2。光电池 特性参数的内容及其测量方法包括：全暗情况下硅光电池的伏安特性测 量；硅光电池的光照效应与光电性质；太阳能电池的负载特性；硅光电 池的光谱特性；硅光电池温度特性等。本课题的研究内容是设计一个能 够测量硅光电池光谱特性和温度特性的实验装置。 。 图1 太阳电池结构示意图 图2 太阳电池发电原理示意图 半导体制冷，是利用半导体材料的Peltier效应。当直流电通过两种 不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放 出热量，可以实现制冷的目的，原理见图3。 图3 半导体制冷原理 LED以其直流供电、体积小、方向性好、光强可调、颜色丰富、冷 光源和长寿命的优势，被认为是21世纪最有发展前景的新型光源 3.太阳能电池的发展 3.1第一代太阳能电池 1954年，美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池，开始了 利用太阳能发电的新纪元。由于太阳能电池价格昂贵，因此其发展缓 慢，当时主要用于航天科技工程。20世纪70年代，由于石油危机，使人 们对于可再生能源的兴趣越来越浓，太阳能电池也进入了快速发展的阶 段。近几年太阳电池市场以每年30%的速度递增。目前，第一代太阳能 电池约占太阳能电池产品市场的86% 。第一代太阳能电池基于硅晶片基 础之上，主要采用单晶体硅、多晶体硅及GaAs为材料，转换效率为 11%15%。 单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法是将硅材料在 石英坩锅中加热熔化，使籽晶与硅液面接触，向上提升以长出柱状的晶 棒。 直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径（目前硅棒的直径已经 达到100150mm），用区熔法生长单晶硅技术是将区熔提纯和制备单晶 结合在一起，可以得到纯度很高的单晶硅，但成本很高。目前，在所有 太阳能电池中此种硅片的效率是最高的，因此，采用低成本的方式改进 区熔法生长太阳能电池用单晶硅也是目前的发展方向。为了进一步提高 太阳能电池效率，近年来大力发展高效化电池工艺，主要有发射极钝化 及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。 多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。定向凝固法是 将硅材料在坩锅中熔融后，使坩锅形成由上而下逐渐下降的温度场或从 坩锅底部通冷源以造成温度梯度， 使固液界面从坩锅底部向上移动而 形成晶体。浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭，铸出的方形 硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。 目前使用最广泛的是浇铸法， 此 法简单，能耗低， 利于降低成本，但容易造成错位、杂质等缺陷，而 导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。 由于多晶硅太阳电池存在杂质问题，光电转换效率比单晶硅电池低 但成本有所降低。目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问 题，为进一步降低成本，基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史 舞台。 3.2第二代太阳能电池 第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。在薄膜 电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上， 大大地减小了半导体材料的 消耗（薄膜厚度仅1um），也容易形成批量生产（其单元面积为第一代 太阳电池单元面积的100 倍），从而大大地降低了太阳能电池的成本。 薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉等。多晶硅薄膜太 阳能电池技术较为成熟。 目前，多晶硅薄膜生长技术主要有液相外延生长法、低压化学气相 沉淀法、 快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、 等离子增强化 学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和区熔再结晶法 等。薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题，但是效率很 低。目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6%8%【3】。为了进一步提 高太阳能电池的光电转换效率， 各国学者开始研究太阳能电池的效率 极限和能量损失机理，并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。 3.3 第三代太阳能电池 太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到95%，而目前标准太阳 能电池的理论转换效率上限为33%， 这说明提高太阳能电池的效率还有 很大的空间。为了进一步提高太阳能电池的转换效率， 新南威尔士大 学对太阳能电池中能量损失机理进行了研究。 图是太阳能电池能量损失机理的示意图。图中为热损失，和 为PN结和接触电压损失，为电子-空穴结合所造成的损失。 由图可见，造成太阳能电池的能量损失主要是热损失，光生载流 子对能很快将能带多余的能量以热的形式损失掉； 另一主要的能量损 失是由电子-空穴对的重新结合引起的； 还有一部分能量损失是由PN 结和接触电压损失引起的。为减少热损失，可以设法让通过太阳能电池 的光子能量刚刚大于能带能量，使得光子的能量激发出的光生载流子没 有多余的能量可以损失。为减少电子-空穴结合所造成的损失，可设法 延长光生载流子的寿命，这可以通过消除不必要的缺陷来实现。减小PN 结的接触电压损失，可以通过聚集太阳光，加大光子密度的方法来实 现。 基于以上分析，澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概 念。当然，目前第三代太阳能电池主要还在进行概念和简单实验研究。 第三代太阳能电池主要有前 后重叠电池，多能带电池， 热太阳能电池，热载流子电 池，和冲击离子化太阳能电 池等。 4.第三代新型太阳能电池的 介绍 4.1.叠层太阳能电池 叠层太阳电池的制备可 以通过两种方式得到。一种 是机械堆叠法，先制备出两 个独立的太阳电池，一个是高 带宽的，另一个则是低带宽 的，然后把高带宽的堆叠在低 带宽的电池上面；另一种是一 体化的方法，电池间通过隧道 结串接。在多结叠层串接太阳 电池中，由于各分电池由P-N结 组成，如果直接串联在一起， 则由于P-N结反偏而不导电， 采用隧道结结构可以解决这一问题。据分析，无限增加太阳电池的 层数，理论上可获得的最高效率为86.8%。 4.2.多能带太阳能电池 多能带电池也称为不纯能带电池，最简单的就是3能带电池。能带1 和能带3是大块结晶中的价电子带和传导带，能带2是人工制备的中间能 带。这样，高能量范围内的太阳光()引起能带1和3间的转移，而中间能 量范围的太阳光引起能带1和2以及能带2和3间的转移而被吸收，这是覆 盖更宽的太阳光谱的尝试。因此，和多结太阳电池的情形一样，对削减 短波长域的能量损失有较好的效果。 4.3. 多载流子太阳电池 提高太阳电池转换效率即是尽可能多地将光子的能量用于激发出电 子一空穴对，而避免其转换成热能。如果一个高能量光子激发出一对电 子一空穴对并使它们成为具有多余能量的“热载流子”，而这个热载流 子具有的能量仍高于激发一对电子一空穴对所需要的能量，那么这个热 载流子就完全有可能把多余的能量用来产生第二对电子一空穴对，如果 光子的能量比禁带宽度的三倍还大，就可能产生第三对电子一空穴对。 这些电子空穴对将增大太阳电池的输出电流，从而提高光子的利用效 率。 4.4.热光伏电池 热光伏 技术是将受 热高温热辐 射体的能量 通过半导体 P-N结电池 直接转换成 电能的技 术。热光伏电池使用一个吸热装置吸收太阳光，再把吸收的能量放出来 供给电池，原理如图11所示。该装置的温度远低于太阳的温度，因此其 辐射的平均光子能量远小于阳光。这些光子中能量较高的被电池吸收转 化成电能，而其中能量较小的又被反射回来，容易被吸热装置吸收，用 以保持吸热装置的温度。这种方法的最大特点是电池不能吸收的那部分 能量可以反复利用。 5、总结 世界能源危机使人们一直没有停止寻找新能源，而太阳能作为可再生能 源日益受到人们的关注。到21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发 电量的15%20%，有望成为21世纪的重要新能源。 太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。目前正在进行着从第一代 基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太 阳能电池的过渡。 第一代太阳能电池转换效率为11%15%，但成本太 高。第二代太阳能电池成本大大降低，但转换效率只有6%8%。 为进一 步提高效率，同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制， 其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍， 它的问世将使人 类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。 太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪的热门课题， 而太阳能电池是太阳能利用中的关键环节。 太阳能电池的特性测量与它的开发利用有密切的关系，涉及到半导体物 理、光电技术等综合知识，同时由于该课题与新能源的开发及环保都有 直接的联系，所以具有一定的新颖性和实用价值。 在本项目的研究中，我们讨论了“常用光源对太阳能电池特性影