太阳能电池的原理、种类与应用

------------------------------------------------------------------------太阳能电池的原理、种类与应用太阳能电池的原理、种类与应用开门八极（闵大荒男子职业技术学院，上海）摘要：本文综述了三代典型太阳能电池的原理、种类剂应用。其中第一代太阳能电池是硅太阳能电池，第二代为化合物薄膜太阳能电池，第三代以染料敏化太阳能电池为代表。关键词：太阳能电池、Si、电子跃迁、薄膜、光伏发电、染料一.太阳能电池的原理太阳能电池都是利用太阳光的激发，在两个电极上分别产生异号光载流子，进而在两个极板间形成电势差。由于太阳能电池种类存在差异，不同电池的工作原理不尽相同。1.硅太阳能电池在超纯晶体硅的禁带宽度比绝缘体小。在光照或者加热条件下，价带的电子容易激发到导带上去，而价带上留下空穴。电子和空穴都是载流子，这两种能带都成了导带。这种半导体成为本征半导体。在纯硅中掺入杂质，将极大地影响其导电性。若掺入P、As、Sb、Bi，多余的电子在靠近导带出处形成扽里的能级，容易进入导带。这类半导体的载流子是电子，成为n型半导体。反之，掺入B、Al、Ga、In，这类半导体的载流子是空穴，称为p型半导体。将两种半导体结合和在一起，产生电势差，可将太阳能转变成电能。[1]这种现象称为光生伏特效应2.化合物薄膜太阳能电池吸收层背接触层窗口层吸收层背接触层窗口层图SEQ图表\*ARABIC1.化合物薄膜太阳能电池的结构图电池中的吸收层是薄膜电池的核心。它主要由为砷化镓(GaAs)、铜铟硒(CuInSe)碲化镉(CdTe)等半导体构成。这种电池的原理与硅太阳能电池的原理非常类似，也涉及光电子在价带和导带之间的跃迁参数物质GaAsCuInSe2CdTe带隙/eV1.41.11.5产业化平均效率/%29.517.18~10表格SEQ表格\*ARABIC1.几种化合物半导体的性能参数3.染料敏化太阳能电池染料敏化太阳电池(DSSC)的工作原理及工作过程包括：（1）阳光照射至UDSSC电池的光阳极上，半导体薄膜上的染料会吸收光子的能量染料分子会从基态(SO)跃迁至激发态(S*)，(2)染料处在不稳定的激发态变成氧化态(S+)，电子注入半导体的导带(CB)(3)注入到半导体导带中的e一经扩散到达导电玻璃(4)处于氧化态(S+)的染料分子会与电解质中的厂离子发生氧化还原反应，染料从氧化态变回基态(5)流经外电路的电子，到达对电极与电解质中的‘发生氧化还原反应，电解质中的I3-变回I-但在前述循环反应中，同时会发生两种电子复合反应，而由复合反应产生电流会形成暗电流，其中包括(1*)半导体导带中的e-与氧化态的染料复合(2*)半导体导带(CB)中的e一与电解质中的I3-复合图SEQ图表\*ARABIC图SEQ图表\*ARABIC2.DSSC简明结构图导电TiO2玻璃+染料对电极负载图SEQ图表\*ARABIC3.几种染料的结构式二.太阳能电池的种类如上面所说，太阳能电池分为硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池三种。下面分别作详细介绍。1.硅太阳能电池（1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池。其基本结构多以p型单晶硅片为基片，其电阻率一般为3~8Ω∙cm，厚度一般为200～300a.结构组件：eq\o\ac(○,1)钢化玻璃：其作用为保护发电主体eq\o\ac(○,2)EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）：用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）eq\o\ac(○,3)电池片：主要作用就是发电eq\o\ac(○,4)EVA：作用如上，主要粘结封装发电主体和背板。eq\o\ac(○,5)背板：作用是密封、绝缘、防水。eq\o\ac(○,6)铝合金保护层压件：起一定的密封、支撑作用。eq\o\ac(○,7)接线盒：保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。eq\o\ac(○,8)硅胶：密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处.图SEQ图表\*ARABIC4.单晶硅太阳能电池板b.工艺流程（i）单晶硅的制取首先制取多晶硅。石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅。为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢与之反应在一个流床反应器中，生成拟溶解的三氯硅烷。反应温度为300度，该反应是放热的。同时形成气态混合物。产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解：过滤硅粉，冷凝SiHCl3,SiCl4，而气态H2，HCl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHC图SEQ图表\*ARABIC5.上述多晶硅生产流程图对于单晶硅太阳能电池来说，硅不仅要很纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶形式。工业生产这种单晶硅所用的主要方法是直拉(Czochralski)工艺。在坩埚中，将半导体多晶硅熔融，同时，加入微量的期问所需的一种掺杂剂。通过线锯可将单晶硅棒切成厚度为200～300pm的硅片。在切片的过程中，会有30％～50％左右的硅因为刀槽或切割损失被浪费掉了。在切割的过程中，会在硅片表面形成一些损伤层。[2]图6.直拉法(左)和切片(右)[3]接下来的工艺是:碱洗制绒磷酰氯扩散制取p-n结刻蚀边缘的P碱洗制绒磷酰氯扩散制取p-n结刻蚀边缘的P制作电极与烧结制备减反射膜制作电极与烧结制备减反射膜电池片封装为电池组件电池片封装为电池组件（2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成．其过程是选择电阻率为100—300Ω∙cm多晶硅的生产工艺上面已经介绍，这里不再赘述。2.化合物薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高可以达13%.[4]该电池的常用材料有：砷化镓(GaAs)、铜铟硒(CuInSe)、碲化镉(CdTe)。它们的有关参数参数见表格1。下面以铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池为例加以介绍。CIGSe薄膜太阳能电池是由其母体铜铟硒(CulnSe2，简称ClSe)发展而来的.[5]图SEQ图表\*ARABIC6.CIGS电池的能带结构[6]图SEQ图表\*ARABIC7.CIGS薄膜太阳能电池组件工艺流程[7]其制备方法有：（1）多元共蒸发法[8]：主要是通过热蒸发将所需的元素蒸发，并使得其以原子或分子的形式沉积下来。此方法制备的CIGSe太阳能电池效率很高，但由于设备昂贵，一般学术研究领域采用较多。（2）溅射后硒化法[9]：先在Mo薄膜底电极上沉积含有Cu、In、Ga元素的预制层合金，然后在含有Se的气氛下退火处理，最终得到满足化学计量比的CIGSe薄膜。（3）肼溶液沉积法[10,11]：利用肼作为溶剂，将含有Cu、In、Ga的二元Se化物彻底溶解，分别得到其溶液。按所需组分配比混合均匀后，通过喷涂或旋涂等方法形成预制层薄膜。最后，在惰性气氛中退火，无需硒化，即可生成质量较好的CIGSe薄膜。3.染料敏化太阳能电池重要结构：（1）光阳极.纳米半导体氧化物薄膜是染料敏化太阳能电池中的核心部分，它的主要作用是，吸附足够多的染料和快速传输电子到导电基底。为了获得较高光电转换效率的DSSC，要求光阳极薄膜具备多孔结构和较大的接触面以及良好的形貌，以便能够容纳足够多的染料和保证足够多的电解液的渗入，能够起到抑制电子/空穴对复合的作用即使电子的分离速率大于复合速率，保证电子的产生和快速传输。目前，在所研究纳米半导体光阳极薄膜材料中，TiO2因具有较宽带禁带宽度3.2eV、良好的光电效应、良好的光催化性能及稳定的光电化学性能等优良性质而成为各国科研人员研究的重点。[12]（2）染料敏化剂.因为TiO2不能直接吸收可见光(380nm-780nm)，而染料敏化剂可以帮助半导体Sn02吸收整个区域的可见光，以致提高半导体薄膜对可见光利用率。其中根据材料性质，染料敏化剂可分为有机光敏染料敏化剂和无机光敏染料敏化剂。有机光敏染料包括合成染料和天然有机染料，有机染料光敏化剂包括羧酸多吡啶钌、磷酸多吡啶钌、多联吡啶钌染料、纯有机染料等。无机染料敏化剂稳定性较好，主要集中在钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、酞菁等。[13]（3）电解质使染料分子再生。通常为I-/I3-溶液。三.太阳能电池的应用1.硅太阳能电池硅基电池的应用主要可分为3种类型:并网型、离网和家用电器产品。（1）并网进入21纪以来，全球太阳能光伏并网发电年度并网容址增长了44.1倍.从2000年的287MW递增至2008年的29.85MW，年均增长率达60.99%，同比2007年增长了72.65%.全球太阳能光伏并网发电并网累积总里增长10.5倍，从2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增长率为35.6%。世界各国都在楼宇和家居屋顶应用了太阳能电池，所发的电大都可以并网。（2）离网与井网发电相比，离网发电具有灵活等特点，特点，始终占据着重的市场份领，如用于通信联络中继站的供电、边远山区小功率的生活用电等场合。在不少偏远地区如远离城市的农场、山区、葡萄园采用离网方式发电，如水泵的供电系统。功率可高达441.3KW。（3）家用电器太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。太阳电池日益成为家用电器的"能源心脏"。eq\o\ac(○,1)太阳能电话。以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。它利用顶端上装的太阳能接收板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机，再传送到各地电话通讯网去。eq\o\ac(○,2)太阳能冰箱。法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰剂，每24小时可制冰10公斤，保鲜30公斤食物。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在－2℃，可冷藏500公斤食品，每天还可制出25公斤冰来。eq\o\ac(○,3)太阳能空调器。日本夏普电器公司制造的这种空调装置，当天气晴朗时，全部动力都由阳光供给，多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间18平方米的居室室温保持在20℃左右，并较一般空调器节约电费60％以上。eq\o\ac(○,4)太阳能电视机。芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为12伏的电视机使用3至4小时。eq\o\ac(○,5)太阳能照相机。美国一家公司生产了一种新型的135照相机。它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则由太阳能硒光电池提供，只要有光线就能供电。2.化合物薄膜太阳能电池这种太阳能电池的应用与硅太阳能电池的应用大同小异。但由于某些电池的高效率（如砷化镓电池），被应用于航空航天以及科研领域。还有一些柔性的薄膜电池，可以附着或者黏贴在建筑物等表面，更加灵活。3.染料敏化太阳能电池这种电池的应用与薄膜电池相似。例如：染料敏化太阳能电池应用在冬季棉帽上的供电装置、应用在广告招贴画上的照明装置等日常生活中灵活的发电应用……四.总结本文首先介绍了三种电池的原理。其核心都是光照使得电子或分子跃迁，经过一系列变化，将光能转化成电能。接着，详细介绍了三种电池的子类、生产流程以及核心部件。最后，概括了三代太阳能电池的应用。五.学习心得与致谢通过这门课的学习，我了解了更多、更系统的清洁能源知识，增长了在有机化学，尤其是高分子方面的见识。这些知识对日常生活也颇有帮助。更重要的，明白了当前研究清洁能源技术的重要性及紧迫性，增强了环保意识。同时，也看到了我国在清洁能源领域与发达国家的差距。虽然自己是电院的学生，不一定从事清洁能源方面的工作，但我也要更加努力的学习，为国家付出自己的一份力量。感谢***老师的讲解、答疑以及对作业的点评。感谢助教**老师对作业的认真批改。感谢同学们的PPT汇报以及讨论交流！六.参考文献[1]《无机化学下册（第四版）》北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室，高等教育出版社[2]单晶硅太阳能电池生产工艺的研究，王瑶，湖南大学[3]FLAMANTG．KURTCUOGLUV，MURRAYJ，eta1．PurificationofmetallurgicalgradesiliconbyasolarproeessSolarEnergyMaterials