光伏材料与新能源

1、光伏材料与新能源研讨总结姓名：张美军学号：13122562学院：社区学院目的：为了提高学生学习兴趣和培养学生独立思考能力，并对本学科做初步了解 内容：各种材料制成的太阳能电池的优劣性、太阳能电池工作原理以及太阳能利用率、太阳能发张前景以及存在的问题、解决问题的方法及设想方法：教授讲解、课外自学、课内交流、学生展示、教授总结结果：认识到太阳能发展对人类的重要性，学到了许多学科性的东西，提高了个人自学能力Objective: In order to improve the students learning interest and cultivate students independent t

2、hinking ability, and do a preliminary understanding of their subjectContent: All kinds of materials of solar cells and inferiority, working principle of solar battery and solar energy utilization, send a prospect and existing problems of the solar energy, the method and idea to solve the problem.Met

3、hods:Professor explanation, extracurricular self-study, classroom communication and show of students, professors summary.Results: To know the importance of solar energy development of human, learned of many disciplines, improve the ability of self-study.参考文献：Solar CellsTom Markvet太阳能电池材料杨德仁新能源材料雷永泉在

4、近些年人类能源发展史中，依赖煤炭、石油等化石燃料做为能源，环境影响非常严重，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素，人类的发展需要寻找能够代替传统能源的新型的清洁能源，其中一个重要的方面就是太阳能的开发和利用。新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新实际中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约因素少、故障率低、维护简便等优点。太阳能电池发展始于约1954年，1973年的“能源危机”促使各国大力发展太阳能发电，产生了几种典型的太阳能电池。综合来看，晶体硅是现金被

5、用于制造太阳能电池最多的材料，主要原因是来源丰富和易于制造，并且转换效率较高。太阳能电池按结构分类有：p-n同质结和p-n异质结，这里所说到的p-n结是太阳能工作的原理所在。所以这里说一下太阳能的工作原理，而工作原理就要从半导体的特性说起，半导体的电阻率范围为10(-5)108,所以也可制成二极管，则太阳能电池的等效电路图大概如图则光生电流I0=Iph -I0（eqv/KB*T-1）（Iph为光生电流，KB为波尔兹曼常数，T为热力学温度，V是电池两端的电压，。I0为二极管饱和电流）也可以说暗光下太阳能电池只是一个半导体整流器或二极管。那么Iph是影响I的因素之一，而Iph又与光波长有关，在理想

6、情况下，开路电压Voc=(KB*T/ q)ln(1+Iph/I0)。图1为其伏安特性图和功率电压图，图2是不同半导体的光吸收系数我们知道半导体另一特性就是其导电是靠电子与其中的空穴，二者合称为载流子，在高纯度的半导体即本征半导体中，电子和空穴浓度相等其电导率=neun+peup（u为载流子迁移率，n为载流子浓度），而在高纯度的半导体掺杂不同类型及浓度的杂质从而精确控制电子或空穴浓度，当电子浓度大于空穴浓度，称为n型半导体，空穴浓度大于电子浓度，称为p型半导体。对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙

7、，带隙宽度用Eg 表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。对于本征半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴,这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电就是依靠导带底的少量电子和价带顶的少量空穴。光照可以激发价带的电子到导带，形成电子空穴对，这个过程称为本征光吸收，本征光吸收光子的能量 应满足 其中为 为光波的波长，上式表明，存在有长波限称为本征吸收边，在本征吸收边附近的光跃迁有两种类型，即直接带隙半导体和间接带隙半导体，这在这里就不做详细描述了。1 太阳能电池光电转换基本原理固体样品的电

8、子结构或其他性质存在某种不均匀性或异质性，当光照固体时出现外电压的光生伏特效应。这种不均质固体想接触时，势垒区域产生光激发载流子，内建场将使异号的剩余载流子向相反方向运动，形成电子和空穴在不同区域积累，导致电子结构的突变，形成光电压。2 影响光生伏特效应的因素提高光电转换效率主要取决于开路电压，闭路电流和填充因子三个物理量。下面从以下几个影响因素论述其对这三个物理量的影响提高太阳能电池光电转换效率。2.1梯度掺杂对于均匀掺杂的p-n结太阳能电池，在p区与n区界面处通过扩散作用产生了自建电场，在厚度很小的耗尽层内，光照时，只在电场区域及附近的电子空穴对守电场力的驱使定向移动形成光电流。其他区域电

9、子空穴对由于无电场力无法分离，激子复合率较大，重新辐射出光子，相当于降低了光子吸收率。若在n区p区进行梯度掺杂，在同型区域内由于浓度差引起载流子的扩散形成自建电场。指数递增掺杂【2】，且远离耗尽层浓度高，n区静电荷分布随浓度增大而从负至正，且与耗尽层电场方向一致，有利于光生电子被n区收集，空穴被驱使至p区，减少了载流子的复合从而增大了闭路电流，提高效率。线性递增掺杂，耗尽层外电场强度较小，光生载流子的收集效果不明显，因此闭路电流提高较小。2.2增加p-n结数目开路电压V0随反向饱和电流I0的减小而增大，而Eg的增大使I0迅速减小，所以V0随Eg的增加而增加。Eg的增加，太阳光中能量大于Eg的光

10、子数减少，所以闭路电流Is减小，则一定存在着一个最佳的Eg使得能量转换效率最高。增加p-n结数目相当于电池的串联，多层p-n结电池各层材料应使其各自不同的禁带宽度匹配可见光中不同的频段，增大了电池对光子的响应范围，形成更多的电子空穴对，增加了电池效率。但这种途径往往受到材料的晶格匹配，化学融合的差异，热膨胀差异的限制，较难同时实现各种化学晶格匹配和最佳禁带宽度材料的生长。2.3缺陷的影响材料中载流子的复合所造成的损失也直接决定光电转换效率，其主要由材料中的缺陷程度决定。延长少数载流子的寿命可以减少载流子的复合速度，有助于载流子在p-n结两端长时间较高浓度的积累，导致p区和n区较高的电位差，载流

11、子通过扩散的复合愈加困难，即增大了材料中的开路电压。对于材料中本证结构不可避免的点缺陷，由于空位的产生或间隙点杂质为电子空穴对的复合提供了能级陷阱，增加了非直接复合的几率从而减小了载流子数目，由电流密度I=nev知光电流减小。但若适当提高材料制备温度，内部点缺陷向晶界或表面扩散，大大减小了材料内部缺陷密度，延长了少数载流子寿命，但表面高浓度的缺陷间隙会使得表面失去光生伏特效应。同时，点缺陷产生的载流子可以在一定程度上弥补载流子因缺陷的复合。当点缺陷浓度过高时，点缺陷移动形成缺陷线面，产生缺陷能级，大大增加了复合作用，光伏效应剧烈下降。高浓度的线缺陷延生至界面上形成针状，导致内部短路，降低光伏效

12、应效率。若材料中有固溶第二相，阻止了载流子的迁移，迁移率的下降是电阻率增大，降低了材料的电学性能，短路电流减小。另外，第二相还是很强的复合中心，即显着降低光伏发电效率。但是，第二相有利于改善禁带宽度。2.4量子阱结构的引入在p-n结中间结构中掺入势阱杂质，晶格材料作为势垒，形成量子阱结构，增大势垒宽度，导致高频光子吸收增多，光生载流子数目升高。同时由于p-n结中心层高势垒阻止了电子空穴对越过耗尽层内电场的复合，光电流提高，导致效率的提高。这种势阱结构的内部高势垒阻止了表面区光生载流子的收集，开路电压减小。但增加量子阱数目产生的光电流增加能弥补开路电压减小的损失。2.5杂质带的适当引入太阳能电池

13、材料，一般只存在相应的导带和价带，并没有中间能带。这就导致了一般的太阳能电池只能吸收太阳能光谱中大于电池材料禁带宽度的高能量光谱，对低于其禁带宽度低能量光子则无法利用，限制了太阳能电池的效率。当材料带隙中引入一层中间杂质带的时候，就有两种方式能够导致电子空穴对的产生。一种是电子从价带跃迁到中间带，然后通过中间带跃迁到导带，另外的一种方式就是电子直接从价带跃迁到导带。这样，杂质带太阳能电池就可以等效于三个不同带隙太阳能电池的并联，能够极大地提高太阳能电池的效率。但另一方面，如果杂质带不能够得到良好的控制，在材料中引入杂质能级的同时，也相当于在材料中引入了复合中心，从而会导致非辐射复合的产生。 A

14、.Luque等指出当掺杂浓度大到足以形成杂质带的时候可以抑制非辐射复合。如果当杂质引入的电子之间有相互作用的时候，就能够实现电子在不同原子的原子轨道上自由移动，非辐射复合就能够受到抑制。当然为了达到这种目的，杂质掺入要达到一定的浓度，这个浓度一般认为是Mott相变浓度。中间杂质带上的电子必须处于半填充的状态，保证杂质带既有空穴又存在电子。这样既能够使电子从中间带跃迁到导带，又能同时使电子从价带跃迁到中间带。2.6异质绒面结构的影响为提高光吸收率，降低表面光反射是十分必要的，一般经过特殊化学腐蚀的p区和n区构成良好的绒面结构，且形成随机分布的金字塔结构交错在一起。即相当于增加了p-n结的有效光吸

15、收面积，从而提高光电转换效率。但同时，由于这种交错结构疏松，空气中的O2容易渗透到交界处，产生绝缘层，严重影响了载流子的传输，迁移率的下降和不稳定造成光电流的下降和不稳定。因此，光电池稳定性有待加强，可以尝试在界面间隙处沉积一层薄膜，既阻止O2的渗入和绝缘层随老化的增厚，同时又确保了载流子的迁移不受影响，一定程度提高光伏发电效率。3 结论(1) 量子阱结构，p-n结数目，指数梯度的掺杂，绒面结构有助于提高电池效率。(2) 缺陷，杂质带的作用较复杂，需实验验证综合考虑当前有机半导体太阳能电池面临的主要问题1.硅片本身的前期制造流程 2.绒面 3.蓝膜 4.印刷时浆料（浆料本身问题） 5.烧结时的

16、温度最主要的应该在印刷段，浆料本身的金属含量比例及烧结时的温度太阳能(solar energy) 一般指太阳光的辐射能量。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利用方式。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。 使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能 使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水 利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电 利用太阳能进行海水淡化 现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。 目前，全球最大的屋顶太

17、阳能面板系统位于德国南部比兹塔特(Buerstadt)，面积为四万平方米，每年的发电量为450万千瓦。 日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求，全日本都普设太阳能光电板，位于日本中部的长野县饭田市，居民在屋顶设置太阳能光电板的比率甚至达2%，堪称日本第一。 太阳能可分为2种: 1.太阳能光伏 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，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

18、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。 2.太阳热能 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 有机化的太阳能 人类对于再生性能源的需求在石化原料日渐耗尽的同时日受重视。太阳能利用是个源源不绝的绝佳能源替代方案，因为每天太阳投射到地球表面的能量大於地球所需的一万倍以上。 最近美国新泽西州，Murray Hill的贝耳实验室发展出了一种新的技术制造太阳能电池，可以使太阳能的利用更有效率以及便宜。以往由於太阳能电池的价格昂贵，不能广泛的被大型工业所采用。仅有少数多千瓦电力供应的太阳能电池存在於美国、日本与欧洲。这些电厂发电都无法像传统燃烧煤炭、天然气与石油一般的便宜。 过去的技术与经验在太阳能电池的发展上必