太阳能电池的工作原理及种类

《太阳能电池的工作原理及种类》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能电池的工作原理及种类（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、太阳能电池的工作原理及种类1 太阳电池概述进入 21 世纪，环境和能源问题是当前整个国际社会所共同面临 的两大问题。随着世界人口增长、经济发展，人类社会活动对能源的 需求越来越大。根据国际能源署的预测，在未来的近30 年间，全球 一次能源需求年平均增幅达到1.7%，到 2030 年时，年需求量将达到 153 亿吨石油当量。特别是近几年来，能源，特别是石油短缺问题越 来越突出，由此引发了许多国际和社会争端。为了保持整个社会生产 的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们逐渐把关注的重点转移 到新能源的开发和利用上。新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包 括太阳能、生物质能、水能、

2、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐 能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、 酒精、甲醇等。而太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源。 有人将原子核能和太阳能称为21世纪的能源。利用太阳能进行光热、 光电转换，开发太阳电池成为解决世界范围内的能源危机和环境污染 的重要途径。制造出廉价、高效、低成本的太阳电池，大规模利用太 阳能一直是科学家追求的目标。太阳能是来自于太阳内部核聚变所释放的能量。据粗略统计，太 阳的发光度，即太阳向宇宙全方位辐射的总能量流是4x1026/s。其 中向地球输送的光和热可达2.5x1018 cal/min,相当于燃烧4x108 t 烟煤所产生的能

3、量。一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类 现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。所以，如何高效并且低 成本的利用太阳能一直是近年来的研究热点。1.1 太阳电池的工作原理太阳能之所以能转换成电能，是利用太阳光使电池发电形成的。 太阳电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸收光能 后发生光电子转换，然后在PN结作用下产生电动势，输出电能。电 池器件其实就是一个大面积的 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，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

4、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 的内建电场，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（图 2）。当太阳光照射这种半导体材料时，能量大于禁带宽度的光 子在PN结两边的P区和N区发生本征吸收，从而激发产生很多的电 子-空穴对即光生载流子， PN 结界面附近的电子和空穴在复合之前， 将在内建电场的作用下相互分离。电子向带正电的 N 区运动使得 N 区电子富集，空穴向带负电的P区运动使得P区空穴富集。整个PN 结材料两端宏观表现出电势差，即光生电动势。当PN结材料两端连 接成回路时，电路中出现电流（图3）。

5、通过光照产生的电动势越大， 回路中电流越大。1.2 太阳电池发展历程太阳电池的发展历程可追溯到 19世纪 30年代， 1893年法国实 验物理学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。 1883 年美国发明家 Charles Fritts 描述了第一块硒太阳电池的原理， 他在一个金属衬底上先将Se膜融化成片，再将Au片作顶电极压在 Se片上，制出了第一个大面积（30 cm2）的太阳电池。1930年朗格 （Longer）首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能 变成电能。1954 年对于太阳电池的发展是划时代的一年。这一年美国贝尔 实验室皮尔森（Pear

6、son）偶然开启房间里的灯光时，发现单晶硅pn 结会产生一个电压的物理现象。经过对这种光伏现象的研究， 1954年 底首次发表单晶硅太阳电池效率达6%的报道，开启了 pn”结型电池的 新时代，直至今日“pn”电池仍然占据光伏事业的绝对地位。1958 年美国信号部队的 T.Mandelkorn 制成 pn 型单晶硅光伏电 池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；同年，Hoffman 电子的单晶硅电池效率达到 9% ；第一个光伏电池供电的卫星先锋 1 号发射，光伏电池100 cm2, 0.1 W,为一备用的5 mW话筒供电。1959 年 Hoffman 电子实现可商业化单晶硅电池效率达到 1

7、0%， 并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发 射，共用9600片太阳电池列阵，每片2 cm2，共20 W。1980年第 一个效率大于 10%的 CuInSe 电池在美国制出；效率达8%的非晶硅太 阳电池由RCA的Carlson研制出来，树立了非晶硅电池的里程碑。1985 年是高效 Si 电池的大年：由澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)报道了在一个标准太阳下Si电池效率大于20%，美国 Stanford 大学给出了在 200 个太阳下聚光电池效率大于 25%的报道。 1994年美国NREL发布GalnP/GaAs两端聚光多结电池效率大于30%。 1996年瑞士诺桑Grat

8、zel的“染料敏化”固/液电池效率达11%。1998年 美国NREL宣称薄膜CuInSe电池效率达19%，第一个GaInP/GaAs/Ge 三结聚光电池宣布在1号空间站上应用。进入 21 世纪以来，单晶硅电池的效率增长缓慢，最高纪录徘徊 在25%上下。这个时候，澳大利亚新南威尔士大学的马丁格林(Martin Green)教授提出了“第三代”电池的理念。要用全新的概念，采用清洁 的、绿色环保技术的制造技术，达到电池的高效率与新概念、新材料、 新技术并举。一种量子点型的太阳电池理论转换效率可达 60%以上， 是备受瞩目的未来高效太阳电池的候选技术之一。真正意义上的光伏时代源于 1954 年贝尔实验

9、室发明的 pn 结太 阳电池。2002年世界累计建立光伏电站达2 GW。从1954年光伏电 池出现，第一个累计1 GW电站的建立，前后花了 25年的时间，而 第二个1 GW，仅用了 3年时间。预计今后10 年,太阳能光电工业还 将以 20%-30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一2 太阳电池的种类一般来说太阳电池可分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，新型太 阳电池。2.1 硅基太阳电池这一代电池发展最长久技术也最成熟，具体又可分为，单晶硅太 阳电池(Monocrystalline Silicon)、多晶硅太阳电池(Polycrystalline Silicon)。2.1.1 单晶硅

10、太阳电池硅基太阳电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为 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的成热的 加工处理工艺基础上的。现在单晶硅电池工艺已近成熟，在电池制作 中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的 电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效 率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国 夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采 用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构；并在表面把 厚度为 13 nm 的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合；同时改进 了的电镀过程，增加栅极的宽度与高

11、度的比率，通过以上工艺制得的 电池转化效率超过23%,最大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面 积(225 cm2)单晶太阳电池转换效率为19.44%。国内北京太阳能研 究所也积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发，研制的平面高效 单晶硅电池(2 cmx2 cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体 硅电池(5 cmx5 cm)转换效率达8.6%。单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的,已经接近它的理论值。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价 格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅电池成本居高不下,要 想大幅度降低其成本现在是非常困难的。2.1.2 多晶

12、硅太阳电池多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向 不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。 多晶硅太阳电池是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及 非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转 换效率一般目前为15%-17%，据悉在SNEC第四届（2010 ）国际太阳 能光伏大会暨（上海）展览会上，无锡尚德展出的多晶硅太阳电池的 效率已达到 17.5%，这稍低于单晶硅太阳电池，但其没有明显效率衰 退问题，并且能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池， 而效率高于非晶硅薄膜电池。单晶硅太

13、阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些 材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中已超二分之一。 对于单晶硅，应用各向异性化学腐蚀的方法可在（ 100）表面制作金 字塔状的绒面结构，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离（ 100）面， 采用上面的方法无法做出均匀的绒面。2.2 薄膜太阳电池 薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体太阳电池具有更大的优势： 一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制 备和电池同时形成，因此节省了许多工序。薄膜太阳电池按材料可分 为薄膜硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池。 其中薄膜硅太阳电池主要有非晶硅（a-Si）、微晶硅（y

14、c-Si： H）和多 晶硅（p-Si）薄膜太阳电池；新型无机多元化合物薄膜太阳电池材料 主要包括砷化镓（GaAs） III V族化合物、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）及铜铟硒薄膜电池等。本文主要介绍几种主要的薄膜太阳电 池。2.2.1 非晶硅薄膜太阳电池 非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种 不定形晶体结构的半导体。非晶硅薄膜太阳电池于1976 年问世，其 原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市 场前景。非晶硅属于直接带系材料，它具有较高的光吸收系数，在0.4- 0.75ym 的可见光波段，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，比 单晶硅对太阳能辐

15、射的吸收率要高40 倍左右，用很薄的非晶硅膜（约 1ym厚）就能吸收约80%有用的太阳能，且暗电导很低，在实际使用 中对低光强有较好的适应，特别适用于制作室内用的微低功耗电源， 这些都是非晶硅材料重要的特点，也是它能够成为低价太阳电池的重 要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要 求，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 在较低的温度（200C。左右）下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜 和陶瓷等廉价衬底材料上，工艺简单，单片电池面积大，便于工业化 大规模生产，同时亦能减少能量回收时间，降低生产成本。另外，非 晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在

16、1.5-2.0eV的范 围内变化，这样制成的非晶硅太阳电池的开路电压高。同时，还适合 在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池，可做成半透明的电池组件，直 接用做幕墙和天窗玻璃，从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总的 来说，非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批 量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。由于非晶硅半导体材料（a-Si）最基本的特征是组成原子的排列 为长程无序、短程有序，原子之间的键合类似晶体硅，形成的是络结 构。它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等，因此载流子迁移率 低、扩散长度小、寿命短，所以这种材料是不适合直接做成半导体器 件的。为了降低非晶硅

17、中缺陷态密度，使之成为有用的光电器件，人 们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿， 形成硅氢键，降低了隙态密度。1976 年研究人员成功实现了对非晶 硅材料的p型和n型掺杂，实现了 a-Si-pn结的制作。但这种氢化非晶硅 pn 结不稳定，而且光照时光电导不明显，几 乎没有有效的电荷收集。因此为了把非晶硅材料做成有效的太阳电池 常采取的结构模式为 p-i-n 结构， p 层和 i 层起着建立内建电场的作 用， i 层起着载流子产生与收集的作用。此外，非晶硅材料的光学带 隙为1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来 就限制了非晶硅太阳电池的转换效率，解决这

18、个问题的方法就是制备 叠层太阳电池，一方面增加太阳光利用率，另一方面提高非晶硅太阳 电池效率。南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出 面积为20x20 cm2、转换效率为8.28%的a-Si/a-Si叠层太阳电池。但 是，非晶硅薄膜太阳电池光电效率会随着光照时间延续而衰减，即所 谓的光致衰退（S-W效应）效应，主要是因为Si-H键很弱，在光照 下 H 很容易失去，形成大量 Si 悬挂键，并且非晶硅薄膜电池转换效 率低，一般在 10%左右。所以为了提高电池转换效率和稳定性，必须 尽量减小光致衰退影响和优化电池的结构和工艺。2.2.2碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池CdTe是II-VI族

19、化合物半导体，带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹 配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很髙的理 论效率（28%），性能很稳定，一直被光伏界看重。另外， CdTe 的吸 收系数在可见光范围髙达104cm-1以上，95%的光子可在1ym厚的 吸收层内被吸收。碲化镉容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也髙。 CdTe 薄膜太阳电池通常以 CdS/CdTe 异质结为基础。尽管 CdS 和 CdTe 和晶格常数相差 10%，但它们组成的异质结电学性能优良，制 成的太阳电池的填充因子髙达 0.75。电池性能稳定，一般的碲化镉薄 膜太阳电池的设计使用时间为 20 年。所以，碲化镉太阳电池是技术 上

20、发展较快的一种薄膜电池。碲化镉薄膜太阳电池是在玻璃或是其它柔性衬底上依次沉积多 层薄膜而构成的光伏器件。一般标准的碲化镉薄膜太阳电池由五层结 构：玻璃衬底、TCO层、CdS窗口层、CdTe吸收层、背接触层和背 电极。它可以由多种方法制备，如化学水浴沉积（CBD）、近空间升华 法、丝网印刷、溅射、蒸发等。一般的工业化和实验室都采用CBD的 方法，这是因为CBD法的成本低，并且生成的CdS能够与TCO形成 良好的致密接触。碲化镉薄膜太阳电池的制造成本低，目前，已获得的最髙效率为 16%，是应用前景最好的新型太阳电池，它已经成为美、德、日、意 等国研究开发的主要对象。我国CdTe薄膜电池的研究工作开

21、始于上 世纪 80 年代初。内蒙古大学采用蒸发技术、北京太阳能研究所采用 电沉积技术（ED）研究和制备CdTe薄膜电池，后者研制的电池效率 达到 5.8%。90 年代后期，四川大学太阳能材料与器件研究所在冯良 桓教授的带领下在我国开展了碲化镉薄膜太阳电池的研究，在“九五” 期间，承担了科技部资助的科技攻关计划课题“II-VI族化合物半导体 多晶薄膜太阳电池的研制”。采用近空间升华技术研究 CdTe 薄膜电 池，并取得很好的成绩。最近电池效率已经突破13.38%，进入了世界 先进行列。十五”期间，CdTe薄膜电池研究被列入国家髙技术研究发 展计划“863”重点项目。虽然20世纪90年代CdTe薄

22、膜太阳电池就已实现了规模商业化 生产，但市场发展的速度缓慢，所占的市场份额一直不大。影响 CdTe 薄膜太阳电池发展的原因是Cd有剧毒、Te为稀有元素。由于CdTe 有剧毒这一致命缺点，直接影响了 CdTe薄膜材料类太阳电池的研发 价值和应用范围。2.2.3 砷化镓薄膜太阳电池GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为 髙吸收率太阳光的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐髙温，在250C。 的条件下，光电转换性能仍很良好，其最髙光电转换效率约30%，特 别适合做髙温聚光太阳电池。用 GaAs 作衬底的光电池效率髙达 29.5%（一般在 19.5%左右）， 产品耐髙温和辐

23、射，但生产成本髙，产量受限，目前主要用作空间电 源。以硅片作衬底，MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降 低低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化 镓，多晶砷化镓，镓铝砷砷化镓异质结，金属半导体砷化镓，金 属 绝缘体 半导体砷化镓太阳电池等。砷化镓材料的制备类似硅半 导体材料的制备，有晶体生长法，直接拉制法，气相生长法，液相外 延法等。由于镓比较稀缺，砷有毒，且制造成本髙，此种太阳电池的 发展受到影响。2.3 新型太阳电池这类太阳电池发展较晚，但具有很大的应用前景。主要包括染料 敏化类薄膜太阳电池。染料敏化薄膜太阳电池(Dye-sensitized solar ce

24、ll,简称DSSC)实际上是模仿光合作用原理而研制出的一种新型的 光电化学电池，是人们在探索电池制备新工艺、新材料和电池薄膜化 过程中发展起来的一种新型光伏器件。染料敏化太阳电池的工作原理：以染料分子作为吸光的主要材料 在吸收到太阳光时，电子被激发到高能隙层，但激发态是一个不稳定 态，所以电子必须以最快速度传输到紧邻的染料分子的导电层内，同 时染料分子所失去的电子也能在第一时间从电解质中得到回馈。在染 料分子导带中的电子最终经过电极而传送到外部回路从而产生光生 电流。染料敏化太阳电池的基本结构包括三个部分：染料敏化的 TiO2 纳米晶薄膜、工作电极、含有I-/I3-的电解质和对电极。通常由于二

25、 氧化钛的禁带宽度较大(3.2eV),可见光不能将其直接激发，因此要 在二氧化钛薄膜表面吸附一层对可见光吸收性能良好的染料分子作 为敏化剂。当光照射时，染料分子吸收光子后发生跃迁到激发态，激 发态的染料分子产生中心离子向配体的电荷转移，电子通过配体很快 注入到较低能级的二氧化钛导带上，从而电子在导带基底上富集，并 通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，随后被电 解质中的I-还原而再生，而氧化态的电解质(I3-)在Pt对电极上得 到电子对还原，完成一个光电化学反应循环。在整个光电转换过程中 只有光能转化为电能.各反应物的总状态没有发生变化。目前，染料敏 化太阳电池材料还存在光电转化效率偏低、寿命相对较短的问题。因 此，如何提高转换效率增长电池寿命是染料敏化太阳电池研究的重要 方向。在这些太阳电池中，CIS薄膜太阳电池是目前公认的最具潜力的 太阳电池，它具有以下几个优点：1)CIS的禁带宽度一般为1.04eV， 通过适量的Ga取代部分的In,可以使禁带宽度在1.04-1.67eV范围 内调整；2 ) CIS 是一种直接带隙材料，吸收系数在可见光范围高达105 cm-1以上，99%的光子可在1 ym厚的吸收层内被吸收，用它作 太阳电池材料，所需的厚度一般仅2 ym左右，大大降低了电池的成 本；3）转换效率高；4）电池性能稳定，抗辐射能力强。