太陽(yáng)能的光電利用一太陽(yáng)能電池的研究

1、 本文由cjjlww貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 太陽(yáng)能的光電利用一太陽(yáng)能電池的研究 太 陽(yáng)能的光電利用一太陽(yáng)能電池的研究 王瑞敏 張慶范 山 東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 （ ） 摘 要： 本文介紹了利用太陽(yáng)能的迫切性和優(yōu)點(diǎn)， 以及太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換。并重點(diǎn)介紹了太陽(yáng)能的光電利用一太陽(yáng)能電池。 本 文還介紹了太陽(yáng)能電池的材料、 主要類別、 特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)、 以及發(fā)展趨勢(shì)。 敘 詞： 太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能 光電利用 引言 隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)不斷創(chuàng)新， 人類對(duì)能源的需求也在不 斷增加。由于傳統(tǒng)的材料、 研發(fā)設(shè)計(jì)理念、 結(jié)構(gòu)、 工藝等不能與 科學(xué)技術(shù)飛速

2、發(fā)展相適應(yīng)， 代之以新型能源材料為基礎(chǔ)的技術(shù) 及產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生， 它以無(wú)比強(qiáng)大的生命力將成為 世紀(jì)新型能 源技術(shù)與產(chǎn)品的研究和發(fā)展方向。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看 人們需求的能源最終只能來(lái)源于永不 枯竭的天然儲(chǔ)量資源或者來(lái)源于恒定的流人地球的能量的資 源。核聚變屬于前一范疇， 太陽(yáng)能屬于后者。當(dāng)然還可以提到 另外一些能源， 從人類的能量需求來(lái)說(shuō)， 它們?cè)谌蚍秶徽嘉?不足道的比重， 例如： 作為庫(kù)存資源的有地?zé)幔?作為流人能源的 有潮汐能。人類可利用的太陽(yáng)輻射能包括： 直接的輻射能， 間接 的有流動(dòng)的水域、 波浪、 風(fēng)、 海流和在空氣幾近地表的水層幾土 壤層中儲(chǔ)存的熱。其中， 太陽(yáng)輻射能占有最大的分量

3、。 上看， 可將太陽(yáng)能產(chǎn)品分為兩大類： 太陽(yáng)能利用和太陽(yáng)能光伏發(fā) 電。 光伏發(fā)電具有非常大的市場(chǎng)前景。其中主要有： 邊遠(yuǎn)農(nóng)牧 區(qū)的用戶電源系統(tǒng)， 光伏水泵系統(tǒng)， 光伏發(fā)電在海島上的應(yīng)用， 光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)， 風(fēng)能光能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)， 太陽(yáng)能備用電源系 統(tǒng)， 與汽車配套的發(fā)電系統(tǒng)， 太陽(yáng)能制氫技術(shù)與燃料電池結(jié)合的 再生發(fā)電系統(tǒng)。 太陽(yáng)能電池 所謂太陽(yáng)能電池是指由光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)直接把光能 轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 結(jié)上形成新的空穴 電子對(duì)， 在 結(jié)電場(chǎng)的作用下， 空穴由區(qū)流向 電子由 區(qū)， 區(qū)流向區(qū)， 接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能 電池的工作原理。太陽(yáng)電池的性能指標(biāo)有開(kāi)

4、路電壓、 短路電流、 填充因子、 光電轉(zhuǎn)換效率等多項(xiàng)， 其中最主要的指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換 效率。 太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換 目 前人們通常把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能、 電能和化學(xué)能。 可行的轉(zhuǎn)換途徑是： 輻射接收器的熱轉(zhuǎn)換、 光電池的光電轉(zhuǎn)換和 類似于光合作用的光化學(xué)轉(zhuǎn)換， 如圖 所示。圖中還補(bǔ)充了一 些次級(jí)轉(zhuǎn)換關(guān)系。例如， 吸收太陽(yáng)輻射產(chǎn)生熱， 再利用熱力機(jī)發(fā) 電或經(jīng)熱化學(xué)反應(yīng)合成發(fā)動(dòng)機(jī)可用的燃料。哪一種途徑是值得 推薦的， 主要取決于技術(shù)水平和投資的可能性。目 前利用太陽(yáng) 能使水沸騰， 然后用熱電機(jī)發(fā)電， 這種方法比直接利用太陽(yáng)能的 太陽(yáng)能電池材料 制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)， 其工作原理 是利用光

5、電材料吸收光能后發(fā)生的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)， 根據(jù)所用 材料的不同， 太陽(yáng)能電池可分為：硅太陽(yáng)能電池；以無(wú)機(jī) （） （） 鹽多元化合物為材料的電池； ） （ 納米晶太陽(yáng)能電池等。 不論以何種材料來(lái)制作電池， 對(duì)太陽(yáng)能電池材料的一般要 求有： （） 半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬； ） （ 要有較高的光電轉(zhuǎn)換 效率； ） （ 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn) （） 且材料性能穩(wěn)定。 硅是地球上儲(chǔ)量第二大元素， 人們對(duì)它研究得最多， 技術(shù)最 成熟， 而且晶硅性能稼定、 無(wú)毒。 基于以上幾個(gè)方面考慮， 硅成為太陽(yáng)電池研究、 開(kāi)發(fā)、 生產(chǎn) 和應(yīng)用中的最理想材料。但是由于硅的提取工藝復(fù)雜， 致使其 成本

6、高居不下。為此， 人們一直在研究新的材料并取得很大進(jìn) 展。 晶體硅太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)能電池 光電池更經(jīng)濟(jì)合理， 太陽(yáng)能作為一種資源， 有著廣泛的應(yīng)用。從太陽(yáng)被利用的方式 單晶硅太陽(yáng)電池是開(kāi)發(fā)得最早、 最快的一種太陽(yáng)電池， 其結(jié) 構(gòu)和生產(chǎn)工藝已 定型， 產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。 硅主要以 形式存在于石英和砂子中。它的制備主要是 第十五屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集 在電弧爐中用碳還原石英砂而成。單晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)需要 消耗大量的高純硅材料， 而制造這些材料工藝復(fù)雜， 電耗很大， 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池 在太陽(yáng)能電池中硅系太陽(yáng)能電池?zé)o疑是發(fā)展最成熟的， 但 由于成本居高不下， 遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣

7、應(yīng)用的要求。為此， 人們一直在工藝、 新材料、 電池薄膜化等方面進(jìn)行探索， 而這當(dāng) 中新近發(fā)展的納米 晶體化學(xué)太陽(yáng)能電池受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家 的重視。納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池（ 簡(jiǎn)稱（電池） ： 是一種窄帶半 導(dǎo)體材料修飾、 組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的， 窄禁 帶半導(dǎo)體材料采用過(guò)渡金屬 以及 等有機(jī)化和物敏化燃 料， 大能隙半導(dǎo)體材料為納米多空 并制成電極， 此外（ 電 池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電介質(zhì)。納米晶工作原理： 嫩料分 子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)， 激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定， 電子快速注人到 該過(guò)程能量消耗約為 ， 在太陽(yáng)電 噸 池生產(chǎn)總成本中已超 。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀， 切片制作太陽(yáng)電

8、池也是圓 片， 組成太陽(yáng)能組件平面利用率低。由于受單晶硅材料價(jià)格及 相應(yīng)的縈瑣的電池工藝影響， 單晶硅成本居高不下， 若要大幅度 的降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料， 尋找單晶 硅電池的替代產(chǎn)品， 現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池， 其中典型代表 有以高溫、 快速制備為發(fā)展方向的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和層 疊（ 多結(jié)） 非晶硅太陽(yáng)電池。 多晶硅太陽(yáng)能電池 多晶硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少， 又無(wú)效 率衰減問(wèn)題， 并有可能在廉價(jià)底材上制備， 其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于 單晶硅電池。因此， 多晶硅薄膜電池被認(rèn)為是最有可能代替單 晶硅電池和非晶硅薄膜電池的一代太陽(yáng)電池。 目 前制備多晶硅薄膜電池多

9、采用化學(xué)氣相沉積法， 包括低 壓化學(xué)相沉積（ ）等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ ） ， 和快 熱化學(xué)氣相沉積（ ） 工藝。此外， 液相外延法（） 和濺射 沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。 緊鄰的 導(dǎo)帶， 燃料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ) 償， 進(jìn)人 導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)人導(dǎo)電膜， 然后通過(guò)外回路產(chǎn) 生光電流。 納米晶 太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)在于它的廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的 工藝及穩(wěn)定的性能。但由于此類電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步， 走上市場(chǎng)估計(jì)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。 太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比， 太陽(yáng)能電池具有無(wú)可比擬的特點(diǎn) 和優(yōu)勢(shì) 非晶硅太陽(yáng)能電池 由 于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低， 便于大

10、規(guī)模生產(chǎn)， 普 遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。由于非晶硅對(duì)太陽(yáng)光的吸 收系數(shù)大， 因而非晶硅太陽(yáng)電池可以作的很薄， 通常硅膜厚度僅 能轉(zhuǎn)化過(guò)程簡(jiǎn)單、 安全 太陽(yáng)能電池是把太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能， 并且能夠 持續(xù)工作的能源裝置。在由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中， 無(wú)噪 聲、 物化學(xué)污染， 供給人類的能源是安全可靠的清潔（ 綠色） 能 源， 利于環(huán)境保護(hù)， 利于人類健康。 為 單晶 一 ， 是 硅或多晶 池厚度的 ， 硅電 所以制作非晶 硅電池， 資源消耗少。非晶硅太陽(yáng)電池一般是用高頻輝光放電 等方法使硅烷（ 氣體分解沉淀而成的。非晶硅由于其內(nèi)部 ） 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和大量氫原子的存在， 具有光疲

11、勞效應(yīng)， 經(jīng)過(guò)長(zhǎng) 期光照后， 效率會(huì)變低， 特別是在強(qiáng)光光照下長(zhǎng)期穩(wěn)定性存在問(wèn) 題。故作為電力電源， 尚未大量推廣。 設(shè)備簡(jiǎn)單、 易行 太陽(yáng)能電池?zé)o需機(jī)械傳動(dòng)裝置， 無(wú)需燃料， 無(wú)需架設(shè)輸電 網(wǎng)， 型號(hào)可大可小， 免維修， 壽命長(zhǎng)。只要有日照的地方， 就可以 根據(jù)需要進(jìn)行安設(shè)裝置或制成成品， 容易實(shí)現(xiàn)無(wú)人化和全自動(dòng) 化。 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池是另一大類太陽(yáng)電池， 研究、 應(yīng)用較 多的有砷化稼 族化合物、 硫化鍋、 蹄化隔及銅錮薄膜電池 等。上述電池中， 盡管硫化鍋、 蹄化隔多晶薄膜電池的效率較非 晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高， 成本較單晶硅電他低， 并且也易于 大規(guī)模生產(chǎn)，

12、 但由于鍋有劇毒， 容易產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題， 因此， 并 不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代品。砷化稼等 化合物 及銅錮硒薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率而受到人們的普遍 應(yīng)用范圍廣 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用范圍很廣。目 太陽(yáng)能電池已在民用 前， 電力、 交通 以及軍用航海、 航天等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著愈來(lái)愈大的 作用。大型的可用于電話通訊系統(tǒng)、 衛(wèi)星地面接收站、 微波中繼 站等； 中型的可用于電車、 輪船、 衛(wèi)星、 宇宙飛船等； 微） 小（ 型的 可用于太陽(yáng)能手表、 太陽(yáng)能計(jì)算器、 太陽(yáng)能充電器、 太陽(yáng)能手機(jī) 等。 重視。 銅錮硒 簡(jiǎn)稱 ， 電他薄膜的制備主要有真空 蒸 法 硒 法 作 太陽(yáng) 池的 導(dǎo) 材 具

13、價(jià) 鎮(zhèn) 和 化 。 為 能電 半 體 料，有 格 低廉、 性能良 好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)， 將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池 的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源， 由于錮和硒都是 比較稀有的元素， 因此， 這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì) 作為太陽(yáng)能電池材料， 族化合物及 等屬于稀有元 素， 盡管以它們制成三太陽(yáng)能 （ 下轉(zhuǎn)第 頁(yè)） （ 上接第 頁(yè)） 電池轉(zhuǎn)換效率較高， 但從材料來(lái)源看， 這類太陽(yáng)能電池將來(lái)不可 能占據(jù)主導(dǎo)地位； 而納米晶太陽(yáng)能電池的研究剛剛起步， 技術(shù)不 是很成熟， 轉(zhuǎn)換效率還比較低， 短時(shí)間內(nèi)不可能替代硅系太陽(yáng)能 電池。因此， 從轉(zhuǎn)換效率和材料的來(lái)源角度講， 今

14、后發(fā)展的重點(diǎn) 仍是硅太陽(yáng)能電池， 特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多 晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本， 將 最終取代單晶硅電池， 作為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。 提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能電池制備中考慮的兩個(gè) 主要因素， 對(duì)于目 前的硅系太陽(yáng)能電池， 要想進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效 率是比較困難的。因此， 今后研究的重點(diǎn)應(yīng)集中在如何降低成 本上來(lái)， 現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的， 這是制 造硅太陽(yáng)能電池成本最高的部分。因此， 在如何保證轉(zhuǎn)換效率 仍較高的情況下來(lái)降低襯底的成本就顯得尤為重要， 也是今后 太陽(yáng)能電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。 有效利用中， 太陽(yáng)能光電利用是近年來(lái)發(fā)展最快， 最具活力的研 究領(lǐng)域， 太陽(yáng)能電池的研制和開(kāi)發(fā)日 益得到重視。 在科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的思想指導(dǎo)下和當(dāng)今“ 心思維、 新 科學(xué)、 新技術(shù)” 革命波及整個(gè)國(guó)際社會(huì)的浪潮沖擊下， 我國(guó)太陽(yáng) 能電池的研究、 開(kāi)發(fā)和利用必將得到迅速發(fā)展， 并促進(jìn)我國(guó)太陽(yáng) 能電池工業(yè)體系的逐步形成和趨于完善。為人類共同擁有清潔 環(huán)保的這一能源裝置 太陽(yáng)能電池做出貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 匯 沈輝， 梁宗存， 李哉洪， 太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展， 能源工程， （） ， 一 仁 石建， 董天午， 李昊， 王宗文， 世紀(jì)新能源技術(shù)應(yīng)用與 展望。中國(guó)電力， （） ， 太陽(yáng)能電池研究和發(fā)展現(xiàn)狀， 毛愛(ài)華，