太阳能电池IV特性研究

1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要太阳能是一种清洁的的可再生能源，应用众多。目前主要通过太阳能电池片把太阳能转换为电能加以利用。太阳能电池的材料一般都是半导体材料，电池能量转换的基础是光生伏特（光电）效应。首先，文章阐述了半导体材料的物理基础，并由此详细介绍太阳能电池的工作原理，光电转换特性、参数表征等。然后介绍目前常用的太阳能电池的种类、特点、以及发展趋势。包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、gaas太阳电池、cuinse2太阳电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池等。最后过实验测量出365nm、405nm、436nm、546nm、577nm处太阳能电池的i-v特性曲线，作出相

2、应的最大功率面积图，并分析其关系。从而找出太阳能电池的最佳响应波长，并探讨产生最佳响应波长的原因。关键词：太阳能电池；光电效应；pn 结；光谱响应度0abstractsolar energy is a kind of clean renewable energy ，it can be used in many places,but now the main way is through the solar which convert solar energy into electricity power,and solar battery are generally semiconductor

3、 materials.it is based on photovoltaic effect,and this article is also based on the principle of solar cells.it mainly discussed the internal structure and the produce mechanism and measuring the solar spectral response degrees .we also find out the best response wavelength in the condition have ran

4、ge and try to analyse why the best bestdwavelengthdisdrightdthere.firstofall,hispaperexpoundsthebasicdphsicsdofsemiconductormaterialsisintroduced,anddthedphysicalpropertiesofsemiconductordmaterials,andphotoelectriccharacteristics.introducesolarcells,includingsolarcellsworkdprinciple,parameterscharac

5、terization,etc.theninterfaceofofallkindsofbatterytechnologyprincipleofshaoxing,batterystructureanddevelopmentprospects.andinvolvestheapplicationofnewtypeandphotovoltaicdevicesthe same strong light wavelengths light conditions of the current and voltage,make out the crreesponding image,analyse the re

6、lationship with each others.key words: solarbattery；photoelectriceffect；pnjunction；spectral response degrees目 录第1章 绪论11.1 课题研究的意义11.2 太阳能电池的发展过程11.3 课题研究的主要内容21.4 课题的研究方案3第2章 太阳能电池基本知识42.1 半导体基础知识42.1.1 pn结42.1.2 能带结构42.1.3 载流子的产生与复合52.2 太阳电池工作原理72.2.1 半导体的内光电效应72.2.2 太阳电池的能量转换过程72.2.3 太阳电池的基本特性9第3章

7、 太阳能电池的种类特点及发展趋势163.1 单晶硅太阳电池163.2 多晶硅太阳电池163.3 薄膜太阳电池（非晶硅）173.5cuinse2太阳电池193.6 有机太阳电池203.7染料敏化太阳电池21第4章 太阳能电池光谱响应特性测试224.1实验原理224.2实验仪器234.2.1 光源与太阳能电池部分244.2.2 光路部分254.3 实验内容与步骤27第5章 实验结果与分析285.1 相同光强不同波长情况下的电流电压关系285.1.1 365nm波长实验结果285.1.2 405nm波长实验结果295.1.3 436nm波长实验结果315.1.4 546nm波长实验结果325.1.5

8、 577nm波长实验结果335.2 不同波长下的波长与最大功率关系35第6章 结论36参考文献38附 录39附录a 英文原文39附录b 中文译文48第一章 绪论1.1 课题研究的意义 随着石油煤炭等传统燃料的不断消耗殆尽以及由于燃烧产生的严重的环境问题，寻找清洁和可再生的能源已成为世界各国共同关心的问题。在各种可再生的能源中，太阳能可说是取之不尽、用之不竭，安全、无污染的绿色能源。太阳能的利用分为光电转换和集热两种：利用半导体器件的光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能称为太阳能光伏技术，主要有太阳能电池；把太阳辐射能转换成热能属于太阳能热利用技术，主要有太阳能热水器、太阳能温室等；而在太阳能转为

9、热能后再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域。在太阳能的有效利用中，太阳能光伏发电被认为是最有发展前途的，成为近年来发展最快，最受关注的新能源技术。太阳能的主要用途是转化成电能，又称光伏发电。它有以下优点：无污染、无噪声，取之不尽，不受地域限制，规模设计自由度大，建设周期短，可以无人值守等。常规发电方法和其他发电方法不具有以上优点。目前，很多国家已经把开发利用太阳能作为可持续发展的重要决策1。我国的太阳能资源非常丰富。全年的总辐射量可以达到每平方米2333千瓦小时，我国有108万平方公里的荒漠面积，荒漠主要分布在西北地区，那里光照资源丰富。如果利用了其中五分之一的面积安装太阳

10、能发电系统，按照我国现有的技术水平，每平方米太阳能电池仿真的有效输出功率为1700千瓦时。这差不多相当于我国预计的2020年的用电量的4倍。太阳能发电在我国很有发展潜力1。1.2 太阳能电池的发展过程太阳能电池工作基本原理的光伏效应是1839年被发现的。由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，进而把光的能量转换成电能，这种进行能量转化的光电元件叫做太阳能电池，也可以叫做光伏电池。1954年贝尔实验室研制出第个太阳能电池，但是它的效率太低，造价昂贵，缺乏商业价值。随着航天技术的飞速发展，太阳能电池的作用越来越重要，太阳能电池成为太空飞行器中不可取代的重要部分。美国1958年3月发射的人造卫星上

11、首次装设了太阳能电池。1958年5月苏联发射的第3颗人造卫星上也开始装设太阳能电池。1969年美国人登陆月球，这使得太阳能电池的发展达到了第1个巅峰期。从此此后，差不多所有发射的人造天体上都装设太阳能电池。加上世纪70年代初期，由于中东战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断，出现了“能源危机”，人们开始认识到不能长期依靠传统能源。特别是近年来地面能源面临的矿物燃料资源的减少与环境污染的问题日趋严重，在这种情况下太阳能电池的应用又被提上了各国政府的议事日程。1990年以后，太阳能的发展开始与民用电相结合，与市电并联型太阳能电池发电系统开始推广，不断有新的太阳能电池结构与制造技术被研发出来。至

12、今太阳能电池已经发展到了第2代。第一代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅两种，工业化产品效率一般为1315 ，目前可工业化生产、可获得利润的太阳能电池就是指第一代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池，其成本低于第一代太阳能电池，可大幅度增加电池板制造面积，但是光电转化效率不如第一代。在将来的第三代太阳能电池应该具有以下特征：高效率、薄膜化、无毒性和原材料丰富。实现的第三代电池效率的方式有以下几种：多带光伏电池、叠层电池、光子下转换、碰撞离化、热离化、热光伏电池，热载流子电池等。近年来，光伏电池产业发展迅速。据2004年数据分析，各种太阳能电池中硅

13、基太阳能电池占总产量的98 ，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6 ，多晶硅太阳能电池占总量的56。2005年，世界太阳能电池总产量1656mw，其中日本仍居首位，762mw，占世界总产量的46 ；欧洲为464mw，占总产量的28 ；美国156mw，占总产量的9 ；其他274mw，占总产量的17。2005年，世界光伏市场安装量1460mw，比2004年增长34 ，其中德国安装最多，为837mw，比2004年增长53 ，占世界总安装量的57 ；欧洲为920mw，占总世界安装量的63 ，日本安装量292mw，增幅为14 ，占世界总安装量的20 ；美国安装量为102mw，占世界总安装量的7 ，其他安装

14、量为146mw，占世界总安装量的102。阳能光伏发电是指通过以太阳电池为核心的光伏系统，把太阳光转换为电能的一种技术。通过各国光伏科研工作者的不懈努力，近10年来太阳电池技术的发展非常迅速，世界太阳电池产业的平均增长速度达到41.3，是发展最快的新兴产业。2000年后，伴随着晶体硅太阳能电池生产技术的成熟，价格不断降低，应用领域和范围的不断扩大，形成了市场驱动下的良性循环。2008年全球太阳能电池产量达到7.7 gw，与2007年的3.4gw相比增长了124，预计到2012年，该数字将增长到33.75 gw。美国权威半导体市场调研公司isuppli预计，到2013年，全球光伏发电系统安装容量将

15、从2008年的5.235 gw增长到25.9 gw。全球太阳电池生产企业的年收入将从2008年的300亿美金增长到900亿美金2。1.3 课题研究的主要内容本课题通过对太阳能基本的原理的理解与研究，进一步分析，太阳能电池关于不同光强、不同温度、不同波长情况下的光谱响应度，从而确定出太阳能电池的最佳温度、最优波长、最佳光强。本文总共分五章，具体安排如下：第一章首先介绍了本课题所涉及的应用背景、研究意义以及发展过程和应用前景；第二章是关于光电池产生光电流的基本原理，光谱响应度的基本概念的阐述，然后对光谱响应度的影响因素进行简单的分析；第三章介绍目前应用广泛的太阳能电池的种类，并对三代太阳能电池做简

16、单的介绍，最后对太阳能电池的发展趋势进行简单的分析；第四章利用实验仪器测出太阳能电池在不同的光强、温度波长下的太阳能电池的i-v特性曲线，此章是本文的重点与难点，是本文的精华之所在；第五章第五章总结本文的主要成果及创新点，并指出了进一步的研究方向。1.4 课题的研究方案本课题主要考察实验的动手能力，基础知识的理解深度，以及基本实验数据统计，画图的能力。首先应掌握太阳能电池产生电流的基本原理，然后根据实验室所提供杭州大华公司仪器，进行正确的连线、测量及统计，最后能够通过统计图像给出太阳能电池一些基本参数。第二章 太阳能电池基本知识太阳电池发电的原理是基于光伏效应(图2.1)：当太阳光或其他光照射

17、到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，于是负载中就有电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。图2.1 光伏效应原理图2.1 半导体基础知识2.1.1 pn结在同一片半导体基片上，分别制造p型半导体和n型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了pn结。其中n型区的电子和p型区的空穴向对方扩散，直到所形成的电场阻止载流子进一步扩散，从而形成内建电场。如图2.2。pn结具有单向导电性：(a）pn结加上正向电压、正向偏置的意

18、思都是： p区加正、n区加负电压。(b）pn结加上反向电压、反向偏置的意思都是： p区加负、n区加正电压。图2.2 pn结2.1.2 能带结构 图2.3 导体、绝缘体、半导体能带示意图原子与原子结合形成晶体时，由于原子间的电予相互作用，使原来原子的各自分散能级形成能带。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3。(图2.3)金属的能带相互搭接，只需很小的能量电子就可以自由流动。而在半导体和绝缘体中，电子必须具有超过eg的能量才能从稳定的价带到达导带。价带与导带之间的能带称为禁带，又叫带隙，这里没有电子可以存在的能级。绝缘体和半导体能带结构相似，只是禁带宽

19、度较大，在正常条件下无法形成导电所需的载流子。2.1.3 载流子的产生与复合半导体中的载流子分两种：带负电荷的电子和带j下电荷的空穴。半导体受光照射时会产生电子一空穴对，此时载流子的浓度超过无照射时的浓度，如果去掉照射，光激发产生的载流子会很快被复合掉，载流子的浓度会衰减到平衡时的浓度，这个过程被称为复合过程。因此载流子的寿命很重要。载流子的寿命取决于复合机理。现在认为共有四种复合机理，即直接复合、通过复合中心复合、俄歇复合、表面符合。(1)直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的非平衡载流子的复合过程。非平衡载流子的寿命(在小注入的情下)：t=1/r(n0+p0) 。r：复合概率，对于

20、特定的材料是一特定的常数，no，po为平衡载流子的浓度。在小注入的情况下t取决于复合概率。一般而言带隙越小，温度越高，直接复合的概率越大，t还与多数载流子的浓度成反比。(2)通过复合中心复合半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，有促进非平衡载流子复合的作用，使其寿命明显缩短，这种杂质或缺陷称为复合中心，非平衡载流子通过这种复合中心的复合称为通过复合中心复合，也叫间接复合3。tp=1svtnt tn=1svtnttp，tn:分别为n型和p型半导体的载流子的寿命s：为复合中心的俘获截面vt:为载流子的热运动的平均速度 nt:为复合中心浓度以上说明载流子的寿命与复合中心的种类有关，截面越大，说

21、明越短，其寿命与复合中心的浓度成反比，与载流子的热运动的平均速度成反比。(3)俄歇复合载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子并使之激发到较高的能级上去，当他重新跃迁到较低的能级时，多余的能量以声子的形式释放。载流子的寿命随着掺杂浓度的增加而迅速减小3。(4)表面复合载流子的寿命在很大程度上受到半导体表面状态的影响，表面有促进复合的作用。表面的悬挂建，杂质及特有的缺陷等在禁带形成复合中心能级。就复合机制而言，表面复合仍是间接复合。2.2 太阳电池工作原理2.2.1 半导体的内光电效应当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电

22、子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：（1） 价带电子；（2） 自由电子或空穴（free carrier）；（3） 存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。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

23、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。2.2.2 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

24、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。图2.4表示了无光照时典型的电流电压特性（暗电流）。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v=-ir表示的直线的交点来确定。此时负载上有pout=ri2m的功率消耗，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功率。输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率4。图2.4 无光

25、照及光照时电流电压特性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

26、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13。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=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

27、方向流动，因而流入负载电阻的电流值为 （2.1）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4。 2.2.3 太阳电池的基本特性1 短路电流太阳电池的短路电流等于其光生电流。分析短路电流的最方便的方法是将太阳光谱划分成许多段，每一段只有很窄的波长范围，并找出每一段光谱所对应的电流，电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和： (2.2)式中0 本征吸收波长限r()表面反射率f()太阳光谱中波长为+d间隔内的光子数。f（）的值很大的程度上依赖于太阳天顶角。作为表示

28、f（）分布的参数是am（airmass）。am 表示入射到地球大气的太阳直射光所通过的路程长度，定义为 (2.3)式中：b0标准大气压b测定时的大气压z太阳天顶距离一般情况下，b b0，例如，am1 相当于太阳在天顶位置时的情况，am2 相当于太阳高度角为30时的情况，am0 则表示在宇宙空间中的分布在实际的半导体表面的反射率与入射光的波长有关，一般为3050。为防止表面的反射，在半导体表面制备折射率介于半导体和空气折射率之间的透明薄膜层。这个薄膜层称为减反射膜（antireflective coating）。设半导体、减反射膜、空气的折射率分别为n2、n1、n0，减反射膜厚度为d1，则反射率

29、r 为 (2.4)式中：r1=(n0 - n1)/(n0 + n1)r2=(n1 - n2)/(n1 + n2)=2n1d1/波长显然，减反射膜的厚度d1 为1/4 波长时，r 为最小。即 时 (） (2.5)一般在太阳光谱的峰值波长处，使得r 变为最小，以此来决定d1的值5。以硅电池为例，因为在可见光至红外光范围内，硅的折射率为n2 = 3.44.0，使式（2.5）为零，则n1的值为1.8 n12.0。设=4800 埃，则600 埃d1667埃，满足这些条件的材料一般可采用一氧化硅，在中心波长处，反射率达到1%左右。由于制备了减反射膜，短路电流可以增加3040%。此外，采用的减反射膜sio2

30、（n11.5）、al2o3(n11.9)、sb2o3（n11.9）、tio2、ta2o5（n12.25）。将具有不同折射率的氧化膜重叠二层，在满足一定的条件下，就可以在更宽的的波长范围内减少折射率。此外也可以将表面加工成棱锥体状的方法，来防止表面反射。2 开路电压当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。设i=0（开路），iphisc，则 (2.6)在可以忽略串联、并联电阻的影响时，isc 为与入射光强度成正比的值，在很弱的阳光下，isci0， (2.8)图2.5 开路电压与短路电流的关系由此可见，在较弱阳光时，硅太阳电池的开路电压随光的强度作近似直线的变化。而当有

31、较强的阳光时，voc则与入射光的强度的对数成正比。图2.5表示具有代表性的硅和gaas 太阳电池的isc与voc之间的关系。si与gaas比较，因gaas的禁带宽度宽，故i0值比si的小几个数量级，gaas的voc值比si的高0.45伏左右。假如结形成的很好，禁带宽度愈宽的半导体，voc也愈大5。3 太阳电池的输出特性(1) 等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的太阳电池，其光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可把它看作是恒流源。光电流一部分流经负载rl，在负载两端建立起端电压v，反过来它又正向偏置于pn 结二极管，引起一股与

32、光电流方向相反的暗电流ibk，这样，一个理想的pn 同质结太阳电池的等效电路就被绘制成如图2.6(a)所示14。但是，由于前面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，基区和顶层都不可避免的要引入附加电阻。流经负载的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效果用一个串联电阻rs 来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻rsh 来等效。其等效电路就绘制成图2.6（b）的形式。其中暗电流等于总面积at 与jbk 乘积，而光电流il 为电池的有效受光面积ae 与jl

33、 的乘积，这时的结电压不等于负载的端电压，由图可见 (2.9)(2) 输出特性根据上图就可以写出输出电流i 和输出电压v 之间的关系 (2.10)其中暗电流ibk 应为结电压vj 的函数，而vj 又是通过式（2.10）与 输出电压v 相联系的。当负载rl 从0 变化到无穷大时，输出电压v 则从0 变到voc，同时输出电流便从isc 变到0，由此得到电池的输出特性曲线，如图2.7 所示。曲线上任何一点都可以作为工作点,工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压,其乘积p=iv为电池的输出功率44 转换效率转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻r时，得到的最大能量转换效率，其定义为 （ 2.11

34、）即电池的最大功率输出与入射功率之比，这里我们定义一个填充因子ff 为 (2.12)填充因子正好是i-v 曲线下最大长方形面积与乘积vocisc 之比，所以转换效率可表示为4 （2.13)图2.6同质结太阳电池等效电路（a）不考虑串并联电阻（b）考虑串并联电阻图2.7 太阳电池的输出特性5 太阳电池的光谱响应光谱响应度：(1)指光阴极量子效率与入射波长之间的关系， (2)光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或

35、对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应。如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。 (3)太阳电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱响应特性。光谱响应特性的测量是用一定强

36、度的单色光照射太阳电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱响应特性。 (4)光谱响应特性与太阳电池的应用：从太阳电池的应用角度来说，太阳电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳电池的光电转换效率16。例如，有的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输出的变动4。设单位时间波长为的光入身到单位面积的光子数为f0（l），表面反射系数为（l），产

37、生的光电流为jl，则光谱响应sr（l）定义为 (2.14)其中jljl|顶层jl|势垒jl|基区。理想吸收材料的光谱响应应该是：当光子能量heg时，sr1。6 太阳电池的温度效应载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随温度的升高稍有增大，因此，光生电流jl也随温度的升高有所增加。但是j0随温度的升高是指数增大，因而voc随温度的升高急剧下降。当温度升高时，iv曲线形状改变，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低6。7 太阳电池的辐照效应作为人造卫星和宇宙飞船的电源，太阳电池已获得了广泛的应用。但是在外层空间存在着高能粒子，如电子、质子、g粒子等。高能粒子辐照时通过

38、与晶格原子的碰撞，将能量传给晶格，当传递的能量大于某一阈值时，便使晶格原子发生位移，产生晶格缺陷，如填隙原子、空位、缺陷簇、空位一杂质复合体等。这些缺陷将起复合中心的作用，从而降低少子寿命15。大量研究工作表明，寿命参数对辐照缺陷最为灵敏，也正因为辐照影响了寿命值，从而使太阳电池性能下降。第三章 太阳能电池的种类特点及发展趋势按照材料分类:硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池(硫化镉、砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟)。有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳碳键且导电能力介于金属和

39、绝缘体之间的半导体材料制成的电池(分子晶体、电荷转移络合物、高聚物)。3.1 单晶硅太阳电池硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微 结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本据高不下，严重影响了其广泛应用20。单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7m的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电

40、池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5m）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性10。3.2 多晶硅太阳电池单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，

41、有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难12。迄今为止，多晶硅太阳能电池经过不断的努力，其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。特别是多晶硅薄膜可以制成方形，在制作太阳能电池组件时面积利用率高19。今后，在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料，如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，占据太阳电池的主要市场。但是，晶体硅的禁带宽度eg=1.12ev，太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如同样吸收95以上的太阳光，gaas太阳电池

42、只需要510m，而硅太阳电池在150200m以上，才能有效地吸收太阳能；晶体硅材料需要多次提纯，成本较高；硅太阳电池尺寸相对较小，若组成光伏系统，要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统成本较高10。3.3 薄膜太阳电池（非晶硅）薄膜太阳能电池具有重量轻、工艺简单、成本低和耗能少等优点。太阳能电力如果要与传统电力进行竞争，其价格必须要不断地降低，而这对单晶硅太阳能电池而言是很难的，只有薄膜电池，特别是下面要介绍的非晶硅太阳能电池最有希望。因而它在整个半导体太阳能电池领域中的地位正在不断上升。非晶硅太阳能电池的优点：（1）非晶硅具有较高的光吸收系数这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低

43、价格太阳能电池的最主要因素。（2）非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0ev的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。（3）材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100300c。（4）由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。（5）易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率

44、。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）（6）多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不同需求的多品种产品。（7）易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成电路非晶硅太阳能电池的缺点（1）与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实验室中电池的稳定最高光电转换效率只有13左右。在实际生产线中，非晶硅薄膜太阳电池

45、的效率也不超过10；（2）非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减，到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄膜太阳电池主要应用于计算器、手表、玩具等小功耗器件中8。作为非常有希望的低成本太阳能电池，开发新结构，提高效率和稳定性，将会使非晶硅太阳能电池在民用及独立电源系统中获得广泛应用。3.4 gaas太阳电池化合物半导体材料大多是直接带隙半导体材料，光吸收系数较高，因此，仅需要数微米厚的材料就可以制备成高效率的太阳电池。而且，化合物半导体材料的禁带宽度一般较大，其太阳电池的抗辐射性能明显高于硅太阳电池。由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长，导致生产成本高，难以与硅太阳

46、电池相比，所以仅用于部分不计成本的空间太阳电池上。与太阳光谱匹配良好，具有高的光电转换效率，是很好的高效太阳电池材料21。由于禁带宽度相对较大，可在较高温度下工作。gaas材料对可见光的光吸收系数高，使大部分的可见光在材料表面2m以内就被吸收，电池可采用薄层结构，相对节约材料。高能粒子辐射产生的缺陷对gaas中的光生电子空穴复合的影响较小，因此电池的抗辐射能力较强。较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比si的电阻率小，因此由电池体电阻引起的功率损耗较小。pn结自建电场较高，因此光照下太阳电池的开路电压较高9。gaas太阳电池发展趋势：gaas叠层电池的设计，关键是调节各子电池材

47、料的带隙、各个异质结之间的带隙匹配及各子电池的厚度，使各子电池之间的电流匹配，尽可能大的吸收和转换太阳光谱的不同子域，以获得最大的能量输出，从而大大提高电池的转换效率18。优化gaas叠层电池的结构仍然是研究的重点，为更好的提高太阳电池的转换效率，在叠层电池设计中采用聚光技术成为开发的新热点。gaas叠层太阳能电池由于制造成本较高，尚未大量进入地面应用市场，目前主要应用于空间电源系统。但由于其具有超高转换效率、强抗辐照性等独特性能，因此随着制备工艺的进步和聚光技术及跟踪系统技术的成熟，相信其地面应用前景更加美好17。3.5 cuinse2太阳电池薄膜材料是另一种重要的太阳能光电材料，它属于i-

48、iii-vi族，这种薄膜材料的光吸收系数较大。cuinse2的禁带宽度为1.02ev，太阳电池光电转换理论效率在2530左右，而且只需要12m厚的薄膜就可以吸收99以上的太阳光，从而可以大大降低太阳电池的成本，因此，它是一种具有良好发展前景的太阳电池。目前，在实验室中cuinse2太阳电池的光电转换效率已经超过19，在国际上也已经投入了商业化生产。由于cis（cigs）薄膜材料是多元组成的，元素配比敏感，多元晶体结构复杂，与多层界面匹配困难；材料制备的精度要求、重复性要求和稳定性要求很高，因此，材料的制备技术难度高；最大的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素 ，这也潜藏着一个成本的问

49、题。cds薄膜作为窗口层具有很多优点，但也有其弱点，如对人体有害、污染环境等cuins2由于具有良好的性质，被认为是一种非常有前途的太阳电池材料，但是它仍处在研究阶段，没有规模工业化生产，主要问题包括：如何开发最佳的沉积技术、生产工艺，以降低成本，适应大规模、低成本生产；如何理解cuins2薄膜生长机理及缺陷作用，进一步提高光电转换效率。除-化合物半导体材料和太阳电池以外，-化合物半导体材料在太阳能光电转换方面也得到了广泛的关注，其中cdte、cuinse2(cuins)材料和电池是其中的典型。cdte多晶薄膜的禁带宽度为1.45ev，太阳电池光电转换理论效率在30左右，是一种高效、稳定且相对

50、低成本的薄膜太阳电池材料，而且cdte太阳电池结构简单，容易实现规模化生产，是近年来国内外太阳电池研究的热点之一。目前，在实验室中cdte太阳电池的光电转换效率已经超过16，在国际上也已经小规模生产。缺点在常温下cdte是相对稳定和无毒的，但是cd和te是有毒的，在实际工艺制备cdte薄膜时，并非所有的cd2+都会沉积成薄膜，也会随着废气、废水等排出制备cds薄膜时，多采用化学浴方法，溶液中存在大量的cd2+11地球上的cd和te资源十分有限，特别是稀有元素，这也潜藏着一个成本的问题,cdte太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在2002年其全球市占率仅0.42，2000年时全球交货量

51、也不及70mw，目前cdte电池商业化产品效率已超过10，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：（1）模块与基材材料成本太高，整体cdte太阳能电池材料占总成本的 53。（2）碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。（3）镉的毒性，使人们无法放心的 接受此种光电池9。3.6 有机太阳电池优点（1）化学可变性大，原料来源广泛；（2）有多种途径，可改变和提高材料光谱吸收能力、扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传送能力；（3）加工容易可大面积成膜，可采用旋转法流延法成膜，可进行拉伸取向使极性分子规整排列，采用l.b膜技术可在分子水平控制膜的厚度；（4易进行物理改

52、性如采用高能离子注入掺杂或辐照处理以提高载流子的传导能力，减小电阻损耗提高短路电流；（5）电池制作可多样化；（6）价格便宜，有机染料高分子半导体等的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业化生产，因而成本低廉。缺陷及原因与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：（1）半导体表面和前电极的光反射；（2）禁带越宽没有吸收的光传播越大；（3）由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；（4）光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合；（5）有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。展望（1）优化电

53、池表面结构，将电池表面反射的光重新集聚进入电池；（2）使用抗反射镀膜俘获光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理的光子吸收效率；（3） 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前电极以获得大的填充因子和高的光电流；（4）除制造薄的光电池(可以减小串联电阻)外，还可以用优化集聚和钝化技术降低载流子的复合；（5）当用酞菁作材料制造光电池时，应该考虑其结晶型，因为光生载流子产率与结晶型有关；（6）制造由纳米级材料组成的光电池。因为纳米材料是由超细微粒组成，而这些微粒边界区的体积大约是材料总体积的50。这样的结构可能会带来奇特性能7。3.7 染料敏化太阳电池优点（1）成本低：仅为硅太阳能电池的1/51/10 ；（2）寿命长：使用寿命可达15-20年；（3）大规模生产：结构简单、易于制造。结构染料敏化纳米晶体太阳能电池（dsscs）（或称grtzel型光电化学太阳能电池）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、