《新能源材料与器件》课件-任务1 太阳能电池概述

模块二

太阳能电池材料与器件任务1太阳能电池概述知识目标:1.了解太阳能电池的光电转换过程，包括光吸收、载流子分离、传输和收集；2.理解各种太阳能电池的优缺点、适用范围和发展趋势。能力目标:1.能够运用光电效应和半导体理论，分析太阳能电池的工作原理；2.能够查阅文献资料，了解太阳能电池领域的最新研究进展。

素质目标：

1.培养科学探究精神，能够独立思考和解决问题；2.培养创新意识，能够提出改进太阳能电池性能的新思路。

任务1太阳能电池概述3.1光电转换理论

太阳能是一种辐射能，要将这种辐射能(或其它光能)转换为电能，必须借助“能量转换器”——太阳能电池，也称为光电池。因为常见的太阳能电池都是由半导体材料制造，所以有时也称为半导体光电池。

当光线照射在p-n结上并且光在界面层被吸收时，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过内建电场的作用被相互分离。3.1光电转换理论

太阳能电池工作原理是基于半导体p-n结的光生伏特效应。即太阳光或其它光照射半导体p-n结时，就会在p-n结的两边出现电压，叫做光生电压。

光生电场的方向与内建电场相反，因此它的一部分可与内建电场相抵消，其余部分则可使p区带正电，n区带负电；这样就在n区与p区之间的产生了一个电动势，称为光生伏特电动势，当外电路接通时，即可产生电流。3.1光电转换理论

太阳能电池工作原理是基于半导体p-n结的光生伏特效应。即太阳光或其它光照射半导体p-n结时，就会在p-n结的两边出现电压，叫做光生电压。

光生电场的方向与内建电场相反，因此它的一部分可与内建电场相抵消，其余部分则可使p区带正电，n区带负电；这样就在n区与p区之间的产生了一个电动势，称为光生伏特电动势，当外电路接通时，即可产生电流。晶体硅太阳能电池原理图太阳能电池的发电过程1.太阳光或其它光照射在太阳能电池的表面上；2.太阳能电池吸收具有一定能量的光子激发出非平衡载流子(光生载流子)，即电子-空穴对，它们的寿命要足够长，以确保它们在被分离之前不会复合；3.电子-空穴对在p-n结内建电场的作用下被分离，电子与空穴分别集中n区和p区，p-n结两边的异性电荷的积累形成光生电动势；4.在太阳能电池两侧引出电极并接上负载形成电路，即在电路中获得了光生电流，从而获得电功率输出（电能）。3.2太阳能电池的分类

太阳能电池是一种重要的光电子器件，被人类赋予了未来解决能源危机的希望，它通过半导体结构由光生电动势进行光电转换，利用零成本的太阳光发电。1、同质结电池：在相同的半导体材料上构建的一个或多个p-n结的电池；2、异质结电池：在不同禁带宽度的两种半导体材料接触的界面上构成一个异质p-n结的光伏电池。按照太阳能电池的发展历程可将其分为三代太阳能电池，具体分类如下图所示：3.2太阳能电池的分类

第一代太阳能电池单晶硅的实验室效率已经达到25.6%，但由于其禁带宽度仅有1.12V，因此已经非常接近其29%的理论极限，同时晶体硅生产过程中伴随的重污染和高能耗问题也导致其价格较为昂贵，尽管经过多年的发展，太阳能电池组件的成本已经降低至目前的约0.6美元/W，但与传统能源相比仍有较大差距。3.2太阳能电池的分类

第二代太阳能电池是指以薄膜技术为核心的非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）等电池，这些材料大多为直接带隙半导体，具有较高的吸光系数，因此可以通过薄膜技术大大降低活性材料的使用量而降低成本，但效率及寿命相对晶体硅而言也逊色很多，即通过牺牲效率来换取成本。同时薄膜电池目前仍大多采用真空蒸镀的方法制备，生产成本很高，质量也很难控制，仅有少量实现了规模化产业应用，除此之外，镉污染和铟资源的稀缺也制约着其进一步的应用和发展。3.2太阳能电池的分类

第三代太阳能电池是指突破传统的平面单pn结结构的各种新型电池，这类电池通过引入多pn结叠层、介孔敏化、体相异质结等新型结构以及新型材料以获得低成本、高效率的太阳能电池，代表了太阳能电池未来的发展方向。目前主要包括叠层电池（Tandem）、染料敏化电池