太阳能电池技术文献综述

1、太阳能电池技术文献综述王胤东南大学机械学院摘要 : 资源和环境一直都是制约许多国家持续发展的两大瓶颈, 因而在环境愈加恶化、资源日益紧缺、科技日新月异的今天，对于清洁的可再生能源的研究成为了热点。太阳能作为一种可再生能源，不仅来源较为广泛（光照），并且几乎不会产生污染，因而倍受研究人员的青睐，也是前景比较广阔的研究方向。本文主要介绍与太阳能电池相关的技术背景、研究方向和发展前景。关键词 : 太阳能，太阳能电池，研究现状，发展前景。太阳能可以说是 “取之不尽，用之不蝎”的能源，与矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可在生等独特优点。将太阳能直接转换为热能和电能，解决能源危机，造福于全人类一直是广大科学

2、家的奋斗目标。太阳能的利用分为光电转换和集热两种，前者主要有太阳能电池，后者主要有太阳能热水器、太阳能温室等。利用半导体材料的光伏效应原理把太阳光能转换成电能称太阳能光伏技术，这也是太阳能电池的主要原理。对光生伏特效应的研究最早可追溯到1839 年，到上世纪五十年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破: 一是 1954 年美国贝尔实验室研制出效率为6%的实用型单晶硅电池 ; 是 1955年以色列科学家提出了选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。1 太阳辐射1太阳发出的辐射能来自核聚变反应。

3、每秒钟约有6X1011kg的H2转变为He,净质量损失约为4X 103kg,这一质量损失通过爱因斯坦关系（E=mC）转变为4X101J的能量。 此能量主要作为从紫外到红外和无线电频段（0.2至3科m的电磁辐射发射出去。太阳的总质量目前约为2X 1030kg，估计有近乎恒定辐射能输出的相当稳定的寿命要超过100亿年。在日地平均距离的自由空间内的同样辐射强度定义为太阳常数，其值为 2 1353W/m。当阳光到达地表时，大气层要使阳光减弱，主要原因是在红外波段的水汽吸 收，紫外波段的臭氧层吸收，以及受飞尘和悬浮微粒的散射。大气层对地表处接收到的阳光的影响程度定义为“大气质量”（AM。太阳与天顶夹角的

4、正割（sec0）称为大气质量，用以度量大气层路程与太阳正当顶时最短路程的相对值。00,20,4Q.a 1.01.21.41.6 T B 工小波长依HE7VE里M-T制靓幸事图1阳光的光谱分布图1中示出了 AM1和AM1.5时的光谱分布，同时假设了太阳是6000K的黑体时所预 期的太阳辐射的光谱分布。2大气质量1.5的状态（太阳与地平线成45。角）代表地面应用的满意的加权能量平均值。AM1.5情形单位时间单位面积的单位能量光子数3示于图6.,图中还一并示出 AM0的情形。为了将波长转变成光子能量，我们应用了下述关系1.24 mh (eV)3 3 一芭 kujyjLUw图2.在AMM口 AM1.5

5、状态的太阳光谱与光子能量的关系及相关半导体材料的带隙、理论光电转换效率（引自 Henry的参考文献3）2.1 太阳能电池的原理太阳能是一种辐射能，在人类还没有发明热能存储器之前，最常用的方法是用能量 转换器将其转换成为电能然后存储。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光电效应。所谓光电效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳 光或其他光照射半导体的 PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。这 种现象，就是著名的光电效应。使 PN结短路，产生电流，该电流流过外部电路就会产 生一定的

6、输出功率。如图 3所示。4图3太阳能电池的工作原理2.2 太阳能电池I-V特性4在太阳能电池外部开路的状态下，因为有载子流入，结果使 N层带负电P层带正 电，而在PN两端则会产生电位差 Voc (止匕Voc是太阳光照射时产生的开路电压)。当外 部负载变为短路时，就会有与入射电量成正比的短路电流通过，太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄PN截面的大面积的等效二极管。我们可以假设太阳能电池为有一 个二极管与太阳能电流的发生源所并联的等效电路，所以我们得到太阳能电池等效电路的理想形式如图4(a)和实际形式如图4(b)所示。图4太阳能电池等效电路根据等效电路，可以写出 pn结太阳电池的IV特性方程如

7、下:V IRseIl I Id seRsh(22)将p-n结二极管电流方程qVe荷1代入方程(22)可以得到输出电流为:(23)I Ilq(V IRse)Io e nkT1 V IRseRsh(24)式中q为电子电量,为波尔兹曼常数，T为绝对温度，n为二极管质量因子。对于实际的太阳电池，二极管正向电流的数值由中性区的扩散电流和耗尽区内的复合电流 组成。当复合电流占优势时，因子 n=2,当扩散电流占优势时，n=1,当两种电流可以比拟 时，n介于1到2之间。当Rh足够大，并联电阻引起的旁路电流可以忽略不记时。输出功率可以表示为：nkT IL IP IV I ln 1IRse(25)IV曲线和P V

8、曲线。短路电流q Io图5所示为丝网印刷电极晶体硅太阳电池典型的I sc表示太阳电池输出端短路情况下能够输出的电流，开路电压Voc表示输出端负载电阻无穷大一即输出端开路状况下的输出电压，最大功率Pm表示输出的最大功率，Vpm和I pm分别表示与最大功率点对应的输出电压和输出电流。填充因子FF定义为FF(26)光电转换效率定义为PmFF I scVocEff PnPin(27)式中Pin为输入太阳电池的光功率。要获得最高的转换效率，应使FF、Isc和VOc都最大。提高FF和VOc的途径是减小复合电流；改善电极欧姆接触，减小串联电阻Re；提高并联电阻，减小旁路漏电流。提高Isc的途径是提高太阳电池

9、对阳光的吸收效率，提高非平衡少数载流子寿命，减小复合电流损失。TDB103Operor; AdminID： 496Cell Type： TDBW3 11:50:25 05/21 JOSTested art: 25-9 deg. CCorrected toe 2S.0 deg. CVoc-0.610 VIsc = 2.995 AJsc - 28 5 rnA/cmSPmc = 1.445WVpm = 0 516V(pm = 2796 AVid = 0 460 VMd = 2,SS9 A0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0 Pvld - 1 392 WFF = 0791Eft = 1

10、3.3%图5.实际测量的丝网印刷电极晶体硅太阳电池典型IV曲线和P V曲线。2.3 温度和光照特性4太阳能电池作为光伏系统中最基本的部分，有着它自己的工作特性，工作电压与电流跟日照、太阳电池温度等密切的联系。光伏发电系统是空间电源的一种普遍形式，该系统的一个基本特点是太阳能输出功率受环境影响较大。由于光伏阵列输出特性的非线性特征，在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同。图 6为太阳能电池温(a)常温不同日照(b)相同日照不同温度度在25c时工作电压、电流和日照的关系曲线图6太阳能电池的电压、电流和日照的关系曲线从图6可以看出太阳能电池的输出曲线为非线性且为温度与日照强度的函数，每一条

11、曲线中所能画出的最大矩形面积则是Ipv与Voc的最大乘积值称为最大功率点，此点应为最佳工作点定义成 Pmax,因为在此日照强度下它所能输出的功率为最大。由图6(a)可以看出：在相同温度下，当日照强度增加时太阳能电池的输出额定值 也有所增加。亦即在较强的日照条件下最大输出电流将上升，因此工作环境的照度将会 直接影响到太阳能电池的效率。由图6(b)可以看出：在固定日照强度下，当温度升高时太阳能电池的输出额定值 将会有所递减，亦即在高温时期的逆向饱和电流值会升高，会造成电流的下降，因此工 作环境的温度也将会直接影响到太阳能电池的效率。3. 太阳能电池的种类及研究现状根据材料的种类和状态的不同，太阳能

12、电池主要有以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以简单介绍。单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池，硅的禁带宽度为1.leV ，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到12 一 16%，而实验室记录的最高转换效率为24.4 5。多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单晶硅比较，多晶硅半导体材料

13、的价格比较低廉，相应的电池单元成本低，非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在着较多的晶拉间界而有较多的缺点，转换效率不够高，提高多晶硅太阳能电池的转换效率就是目前许多科学家的研究方向。非晶硅太阳能电池的转换效率和稳定性都不够好，对其研究开始于20 世纪七十年代初。非晶硅及其合金的光暗电导率随着光照的时间加长而减少，经过170一200的退火处理，又可以恢复到光照之前的值。这一现象首先由Staebler 和 Wronski 发现，被称为S K效应 6。S K效应使非晶硅太阳能电池的转换效率由于光照时间加长而衰 退，长期以来成为非晶硅太阳能电池应用的主要障碍。化合物太阳能电池包括III V族化合物

14、电池和II -VI族化合物电池。III V族化 合物电池主要有 GaAs电池、InP电池、Gasb电池等；II VI族化合物电池主要有 CaS/Culnse电池、CaS/CdTe电池等。上世纪七十年代末，以GaAs为代表的III V族化合物电池材料(包括叠层电池材料)，因具有很高的光电转换效率和优异的抗辐射性能而受到重视，发展很快。最新的一项研究成果就是在加利福尼亚获得了一种变质处理的三叠层GaInP /GaInAs /Ge 材料，它在240个太阳辐射，AM1.5情况下的转换效率为40.7%。 7膜型太阳能电池材料主要有铜锢惊硒(CulnGase) 、 啼化镐 (cdTe) 等。铜锢稼硒薄膜太

15、阳能电池开发时间还不长，是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。该薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积Cu, In和Ga层，再在Se气氛中硒化。啼化福(CdTe)已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料， 而且在各种制备条件下都可以得到较好的电池结果，包括非常粗糙的工艺，如电镀。有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分

16、子结构还可以自行设计合成. 材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。8染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳电池，宽带隙半导体有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染 料敏化半导体电极。 94.太阳能电池的发展方向10提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋

17、势。在降低成本方面，硅太 阳能电池主要还是通过减少硅片厚度实现；而在提高转换效率方面，对新的太阳能电池 技术的探索已经开始：(1)叠层电池技术将不同带隙宽度(Eg)的材料，按Eg大小从上到下迭合起来制成。选择性的吸收 太阳光谱的不同区域，可大幅度的提高转换效率。计算表明，两结叠层电池的理论转换 效率为50%,三结电池为56%, 36结为72%,无限多结为 86.6%。(2)多光谱太阳电池技术将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱，而不用多结，可降低成本。先利用热激发光发射二极管产生窄带光谱，再通过热光和光电转换，理论效率为50%;还能利用特殊的能带结构，吸收一个高能光子而产生两个电子

18、空穴对，提高转换效率。(3)多能级、多带技术利用耦合多量子阱和量子点结构形成的子带，可充分利用太阳光谱，提高转换效率。在带隙中引入N个带会扩大吸收长波光子的能量范围，理论预测其效率为86.8%。1施敏 著，黄振岗 译，半导体器件物理，电子工业出版社， 1987年12月第一版。* 2马丁 格林 著，李秀文，谢洪礼，赵海滨等译，太阳电池工作原理、工艺和系统的应用，电子工业出版社，1987年1月第一版。3 C.H.Henry, Limiting Efficiency of Ideal Single and Multiple Energy Gap Terrestrial Solar Cells, J. Appl. Phvs. 51 4494 (1980).4 5陈海全，上海交通大学硕士学位论文，2006.5 J.Zhao, A.Wang , M.A.Green , F.Ferrazza, APPI.PhyS , Lett.1998 , 73, 1991。6 D.E.Carlson , S.Wanger , Renewaable Energy” 1993 IslandPress, Washington.7 * R. R. King , D. C. Law, K. M. Edmondson