新能源材料第8讲

8.太阳电池材料概述8.1太阳电池与材料8.2太阳电池的工作原理8.3太阳电池大规模应用的有关问题8.4太阳电池发展与现状8.5进入21世纪太阳电池的发展规划8.1太阳电池与材料

按应用可将太阳电池分为空间用太阳电池与地面用太阳电池。地面用太阳电池又可分为电源用太阳电池与消费电子产品用太阳电池对每种太阳电池的技术经济要求不同。空间用太阳电池要求耐辐射、转换效率高、单位电能所需的重量小；地面电源用太阳电池要求发电成本低、转换效率高；消费电子用太阳电池则要求薄而小、可靠性高等。太阳电池发电的原理是基于光伏效应（PhotovoltaicEffect，亦缩写PV),由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势。8.2太阳电池的工作原理如前所述，太阳电池发电是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。为了探讨其工作原理，先简单介绍太阳能的特征、半导体材料的本性及光伏效应的规律。8.2.1太阳能太阳是一座聚合核反应器，发射功率为3.8×1026W，中心温度估计为107K。对一个具体的位置而言，太阳对地表的辐射取决于以下几点：地球相对太阳的运动的影响；大气层对太阳辐射的影响；大气质量数；日照的地理分布。8.2.2半导体材料的主要性质8.2.2.1固体的能带结构原子和原子结合形成晶体时，由于原子间的相互作用，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。下图是铜与金刚石的能带结构。根据上述原理可将金属、半导体和绝缘体的能带结构用示意图表示如下：能带结构是由物质组成决定的，半导体中的禁带除大小不同以外还分为直接禁带和间接禁带。8.2.2.2载流子的产生和复合半导体中的载流子有两种：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。按对载流子的贡献机理，半导体可分为本征半导体和非本征半导体。本征半导体是指再材料纯度较高的条件下，在一定温度范围内，材料中的载流子主要来自热激发，到达导带的是电子，这时价带中就少一个电子，于是成为了空穴。这样电子浓度和空穴浓度相等，即

n＝p＝ni式中：n为电子浓度；p为空穴浓度；ni为本征激发电子浓度。

ni2＝np＝Be－ER/kT

式中：k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；B为常数。非本征半导体是指载流子一般靠杂质提供。如果杂质提供的载流子浓度明显高于本征载流子浓度，那么半导体的导电行为就被杂质载流子所控制，称为杂质半导体。在浓度不甚高的而掺入的杂质又为浅能级杂质时，杂质全部电离。假设掺入的是施主杂质，则认为

n＝ND

式中：ND为施主杂质的原子浓度。

NDp＝ni2

式中：p值为

p＝ni2/ND平衡载流子：由本征激发或由杂质电离所形成的载流子在既定温度下处于平衡状态。非平衡载流子：由辐射、电注入等形成的载流子。四种复合机理：直接复合通过复合中心复合俄歇复合表面复合8.2.2.3pn结两种不同导电类型的材料结合时，在其交界处形成pn结，如下所示：8.2.3半导体与光伏效应

1）光与半导体的相互作用当光射到半导体时，一部分被反射，一部分被吸收，其余部分则通过，即

A+R+T=1式中：A为吸收率；B为反射率；T为透射率。当一束光强为I0的光垂直入射在半导体表面时，半导体内离入射表面x处的光强Ix按吸收定律就应为

Ix＝I0（1－R）e－ax式中：a为与波长相关的吸收系数。当半导体的厚度为d时，透过率可近似表达为

T=I2/I0=(1-R)2e－ad式中：I2为透过光的强度

半导体对光的吸收取决于半导体的禁带宽度及能带结构。直接禁带材料的吸收边为

hν0＝hc/λ0＝ER，λ0＝1.24/ER

式中：h为布朗克常数；ν0为吸收边的频率；c为光速；λ0＝为吸收边的波长。当光子于间接禁带半导体相作用时，形成一个电子－空穴对就必需吸收或放出一个声子，其吸收边为

hν0＝ER－EP

式中：EP为声子能量从图可以看出，间接禁带材料，如Si的吸收系数变化缓慢，而一些直接禁带材料的变化则很陡。

由于2种半导体材料的光吸收机制不同，吸收必需的太阳能所需的厚度亦不相同如下图所示：2）光伏效应与太阳能电池光伏效应：光与半导体的相互作用可以产生光生载流子，当将所产生的电子－空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极时两极间就会产生电势，称此为光生伏打效应，简称光伏效应。因此太阳电池又称光伏（PV）器件。

为了方便，以PN结势垒来论述光伏效应，因为它是最常用的一种。太阳能电池可处于4种状态：无光照；有光照，短路；有光照，开路；有光照，有负载。1）短路电流。将太阳电池短路，如图8－8（a）的情况，所得电流称为短路电流，是太阳电池的重要参数之一。2）开路电压。当电池处于光照下，通过二极管的电流为短路电流同与之相反的二极管的正向电流之和：

I(V)=ISC－I0[eqv/AkT－1]式中：V为二极管电压；A为二极管的曲线因子；T为温度；k为波尔兹曼常数；I0为二极管的反向电流。开路电压为

VOC=AkT/q

ln（ISC/IO+1）

由于开路时I(V)＝0，此时的电压为开路电压，即V=VOC。3）填充因子。当太阳电池上负载R时，所得的负载I-V的曲线如下图所示。R可以从零到无穷大。当Rm为最大功率点时，它对应的最大功率为

Pm＝ImVm式中Im、Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将VOC与ISC的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则

FF=Pm/VOCISC=VmIm/VOCISCFF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、A因子、串联电阻和并联电阻等。8.2.4转换效率及其影响因数太阳转化的效率定义为太阳电池的最大功率输出与照射到太阳电池的总的辐射能Pm之比。可写作：

η＝Pm/Pin＝VOCISCFF/AtPin式中：At为电池面积；Pm为单位面积的太阳能强度。

影响太阳电池效率的因数主要有六方面：禁带宽度温度少数载流子的寿命掺杂浓度及其分布光强串联电阻8.3太阳电池大规模应用的有关问题太阳电池已有40亿余年的历史。它具有一系列优点，但发展至今产量不到200MW，与世界的能源需求量相差甚远。8.3.1影响太阳电池发展的几个根本问题接受面积问题产生的能量与负载匹配问题电池材料的资源问题发电成本问题

8.3.2太阳电池主要发展方向太阳电池追求高的能量转换效率，还要大幅降低成本，同时还涉及到土地资源，矿物资源等诸多因素1）材料与器件结构的研究与开发研究了各种太阳电池材料，研究开发的重点逐步集中到硅单晶、硅多晶、非晶硅、碲化镉等几种材料体系上。研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性的影响，改善器件结构，以提高器件的转换效率。使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发。2）跟踪与聚光3）空间电站4）组合发电及并网5）与建筑业的结合8.4太阳电池发展与现状取得以下成果：各种可能的材料与结构得到了充分的研究，其潜在能力得到充分的发挥。太阳电池及其组件的成本明显降低。建立了几十家有一定规模的太阳电池组件生产厂家。近几十年来我国太阳电池的发展方向是改善太阳电池的转换效率、质量稳定性、价格等，使之逐步具备国际竞争能力。8.5进入21世纪太阳电池的发展规划8.5.1发达国家的规划由政府拨款支持光伏的科研与开发加大技术开发力度市场牵引公众自愿支持行动8.5.2发展中国家的规划大多数发展中国家尚无发展太阳电池计划，购置光伏系统只属于个人行为。8.5.3我国的发展规划与政策措施1）背景

我国有8亿多人在农村，尚有28个无电县、上千个无电村，成千个无电岛，约有1.1亿人口未用