太陽(yáng)能電池的原理、種類(lèi)與應(yīng)用

太陽(yáng)能電池的原理、種類(lèi)與應(yīng)用宋釗（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海，516030910289）摘要：本文綜述了三代典型太陽(yáng)能電池的原理、種類(lèi)劑應(yīng)用。其中第一代太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池，第二代為化合物薄膜太陽(yáng)能電池，第三代以染料敏化太陽(yáng)能電池為代表。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池、Si、電子躍遷、薄膜、光伏發(fā)電、染料一.太陽(yáng)能電池的原理太陽(yáng)能電池都是利用太陽(yáng)光的激發(fā)，在兩個(gè)電極上分別產(chǎn)生異號(hào)光載流子，進(jìn)而在兩個(gè)極板間形成電勢(shì)差。由于太陽(yáng)能電池種類(lèi)存在差異，不同電池的工作原理不盡相同。1.硅太陽(yáng)能電池在超純晶體硅的禁帶寬度比絕緣體小。在光照或者加熱條件下，價(jià)帶的電子容易激發(fā)到導(dǎo)帶上去，而價(jià)帶上留下空穴。電子和空穴都是載流子，這兩種能帶都成了導(dǎo)帶。這種半導(dǎo)體成為本征半導(dǎo)體。在純硅中摻入雜質(zhì)，將極大地影響其導(dǎo)電性。若摻入P、As、Sb、Bi，多余的電子在靠近導(dǎo)帶出處形成扽里的能級(jí)，容易進(jìn)入導(dǎo)帶。這類(lèi)半導(dǎo)體的載流子是電子，成為n型半導(dǎo)體。反之，摻入B、Al、Ga、In，這類(lèi)半導(dǎo)體的載流子是空穴，稱(chēng)為p型半導(dǎo)體。將兩種半導(dǎo)體結(jié)合和在一起，產(chǎn)生電勢(shì)差，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能。[1]這種現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)2.化合物薄膜太陽(yáng)能電池吸收層背接觸層窗口層吸收層背接觸層窗口層圖SEQ圖表\*ARABIC1.化合物薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)圖電池中的吸收層是薄膜電池的核心。它主要由為砷化鎵(GaAs)、銅銦硒(CuInSe)碲化鎘(CdTe)等半導(dǎo)體構(gòu)成。這種電池的原理與硅太陽(yáng)能電池的原理非常類(lèi)似，也涉及光電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的躍遷參數(shù)物質(zhì)GaAsCuInSe2CdTe帶隙/eV1.41.11.5產(chǎn)業(yè)化平均效率/%29.517.18~10表格SEQ表格\*ARABIC1.幾種化合物半導(dǎo)體的性能參數(shù)3.染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)的工作原理及工作過(guò)程包括：（1）陽(yáng)光照射至UDSSC電池的光陽(yáng)極上，半導(dǎo)體薄膜上的染料會(huì)吸收光子的能量染料分子會(huì)從基態(tài)(SO)躍遷至激發(fā)態(tài)(S*)，(2)染料處在不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)變成氧化態(tài)(S+)，電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(CB)(3)注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的e一經(jīng)擴(kuò)散到達(dá)導(dǎo)電玻璃(4)處于氧化態(tài)(S+)的染料分子會(huì)與電解質(zhì)中的廠離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，染料從氧化態(tài)變回基態(tài)(5)流經(jīng)外電路的電子，到達(dá)對(duì)電極與電解質(zhì)中的‘發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電解質(zhì)中的I3-變回I-但在前述循環(huán)反應(yīng)中，同時(shí)會(huì)發(fā)生兩種電子復(fù)合反應(yīng)，而由復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生電流會(huì)形成暗電流，其中包括(1*)半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的e-與氧化態(tài)的染料復(fù)合(2*)半導(dǎo)體導(dǎo)帶(CB)中的e一與電解質(zhì)中的I3-復(fù)合圖SEQ圖SEQ圖表\*ARABIC2.DSSC簡(jiǎn)明結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)電TiO2玻璃+染料對(duì)電極負(fù)載圖SEQ圖表\*ARABIC3.幾種染料的結(jié)構(gòu)式二.太陽(yáng)能電池的種類(lèi)如上面所說(shuō)，太陽(yáng)能電池分為硅太陽(yáng)能電池、化合物薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池三種。下面分別作詳細(xì)介紹。1.硅太陽(yáng)能電池（1）單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池是以高純的單晶硅棒為原料的太陽(yáng)能電池。其基本結(jié)構(gòu)多以p型單晶硅片為基片，其電阻率一般為3~8Ω?cm，厚度一般為200～300μm。由于單晶硅材料大多來(lái)自半導(dǎo)體工業(yè)退下的廢次品，因此部分廠家采用的硅片厚度達(dá)到O．5～0．7mm，而這些硅片的質(zhì)量辦能完全滿足太陽(yáng)能電池的要求，用來(lái)制作太陽(yáng)能電池也能得到良好的效果，通常能達(dá)到a.結(jié)構(gòu)組件：eq\o\ac(○,1)鋼化玻璃：其作用為保護(hù)發(fā)電主體eq\o\ac(○,2)EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）：用來(lái)粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（如電池片）eq\o\ac(○,3)電池片：主要作用就是發(fā)電eq\o\ac(○,4)EVA：作用如上，主要粘結(jié)封裝發(fā)電主體和背板。eq\o\ac(○,5)背板：作用是密封、絕緣、防水。eq\o\ac(○,6)鋁合金保護(hù)層壓件：起一定的密封、支撐作用。eq\o\ac(○,7)接線盒：保護(hù)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，起到電流中轉(zhuǎn)站的作用，如果組件短路接線盒自動(dòng)斷開(kāi)短路電池串，防止燒壞整個(gè)系統(tǒng)接線盒中最關(guān)鍵的是二極管的選用，根據(jù)組件內(nèi)電池片的類(lèi)型不同，對(duì)應(yīng)的二極管也不相同。eq\o\ac(○,8)硅膠：密封作用，用來(lái)密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處.圖SEQ圖表\*ARABIC4.單晶硅太陽(yáng)能電池板b.工藝流程（i）單晶硅的制取首先制取多晶硅。石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業(yè)硅。為了滿足高純度的需要，必須進(jìn)一步提純。把工業(yè)硅粉碎并用無(wú)水氯化氫與之反應(yīng)在一個(gè)流床反應(yīng)器中，生成擬溶解的三氯硅烷。反應(yīng)溫度為300度，該反應(yīng)是放熱的。同時(shí)形成氣態(tài)混合物。產(chǎn)生的氣態(tài)混合物還需要進(jìn)一步提純，需要分解：過(guò)濾硅粉，冷凝SiHCl3,SiCl4，而氣態(tài)H2，HCl返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiHCl3圖SEQ圖表\*ARABIC5.上述多晶硅生產(chǎn)流程圖對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，硅不僅要很純，而且必須是晶體結(jié)構(gòu)中基本上沒(méi)有缺陷的單晶形式。工業(yè)生產(chǎn)這種單晶硅所用的主要方法是直拉(Czochralski)工藝。在坩堝中，將半導(dǎo)體多晶硅熔融，同時(shí)，加入微量的期問(wèn)所需的一種摻雜劑。通過(guò)線鋸可將單晶硅棒切成厚度為200～300pm的硅片。在切片的過(guò)程中，會(huì)有30％～50％左右的硅因?yàn)榈恫刍蚯懈顡p失被浪費(fèi)掉了。在切割的過(guò)程中，會(huì)在硅片表面形成一些損傷層。[2]圖6.直拉法(左)和切片(右)[3]接下來(lái)的工藝是:堿洗制絨磷酰氯擴(kuò)散制取p-n堿洗制絨磷酰氯擴(kuò)散制取p-n結(jié)刻蝕邊緣的P制作電極與燒結(jié)制備減反射膜制作電極與燒結(jié)制備減反射膜電池片封裝為電池組件電池片封裝為電池組件（2）多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成．其過(guò)程是選擇電阻率為100—300Ω?cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用V(氫氟酸)：V(硝酸)=1：5混臺(tái)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用去離子水沖洗呈中性，烘干．用石英坩堝裝好多晶硅料，加入適量硼硅。放人澆鑄爐，在真空狀態(tài)中加熱熔化．熔化后保溫約20min，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠．這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽(yáng)能電池片，提高材制利用率和方便組裝．多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)能電池差不多，其光電轉(zhuǎn)化效率約19．8多晶硅的生產(chǎn)工藝上面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。2.化合物薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池是緩解能源危機(jī)的新型光伏器件。薄膜太陽(yáng)能電池可以使用在價(jià)格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)13%.[4]該電池的常用材料有：砷化鎵(GaAs)、銅銦硒(CuInSe)、碲化鎘(CdTe)。它們的有關(guān)參數(shù)參數(shù)見(jiàn)表格1。下面以銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池為例加以介紹。CIGSe薄膜太陽(yáng)能電池是由其母體銅銦硒(CulnSe2，簡(jiǎn)稱(chēng)ClSe)發(fā)展而來(lái)的.[5]圖SEQ圖表\*ARABIC6.CIGS電池的能帶結(jié)構(gòu)[6]圖SEQ圖表\*ARABIC7.CIGS薄膜太陽(yáng)能電池組件工藝流程[7]其制備方法有：（1）多元共蒸發(fā)法[8]：主要是通過(guò)熱蒸發(fā)將所需的元素蒸發(fā)，并使得其以原子或分子的形式沉積下來(lái)。此方法制備的CIGSe太陽(yáng)能電池效率很高，但由于設(shè)備昂貴，一般學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域采用較多。（2）濺射后硒化法[9]：先在Mo薄膜底電極上沉積含有Cu、In、Ga元素的預(yù)制層合金，然后在含有Se的氣氛下退火處理，最終得到滿足化學(xué)計(jì)量比的CIGSe薄膜。（3）肼溶液沉積法[10,11]：利用肼作為溶劑，將含有Cu、In、Ga的二元Se化物徹底溶解，分別得到其溶液。按所需組分配比混合均勻后，通過(guò)噴涂或旋涂等方法形成預(yù)制層薄膜。最后，在惰性氣氛中退火，無(wú)需硒化，即可生成質(zhì)量較好的CIGSe薄膜。3.染料敏化太陽(yáng)能電池重要結(jié)構(gòu)：（1）光陽(yáng)極.納米半導(dǎo)體氧化物薄膜是染料敏化太陽(yáng)能電池中的核心部分，它的主要作用是，吸附足夠多的染料和快速傳輸電子到導(dǎo)電基底。為了獲得較高光電轉(zhuǎn)換效率的DSSC，要求光陽(yáng)極薄膜具備多孔結(jié)構(gòu)和較大的接觸面以及良好的形貌，以便能夠容納足夠多的染料和保證足夠多的電解液的滲入，能夠起到抑制電子/空穴對(duì)復(fù)合的作用即使電子的分離速率大于復(fù)合速率，保證電子的產(chǎn)生和快速傳輸。目前，在所研究納米半導(dǎo)體光陽(yáng)極薄膜材料中，TiO2因具有較寬帶禁帶寬度3.2eV、良好的光電效應(yīng)、良好的光催化性能及穩(wěn)定的光電化學(xué)性能等優(yōu)良性質(zhì)而成為各國(guó)科研人員研究的重點(diǎn)。[12]（2）染料敏化劑.因?yàn)門(mén)iO2不能直接吸收可見(jiàn)光(380nm-780nm)，而染料敏化劑可以幫助半導(dǎo)體Sn02吸收整個(gè)區(qū)域的可見(jiàn)光，以致提高半導(dǎo)體薄膜對(duì)可見(jiàn)光利用率。其中根據(jù)材料性質(zhì)，染料敏化劑可分為有機(jī)光敏染料敏化劑和無(wú)機(jī)光敏染料敏化劑。有機(jī)光敏染料包括合成染料和天然有機(jī)染料，有機(jī)染料光敏化劑包括羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多聯(lián)吡啶釕染料、純有機(jī)染料等。無(wú)機(jī)染料敏化劑穩(wěn)定性較好，主要集中在釕、鋨類(lèi)的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、酞菁等。[13]（3）電解質(zhì)使染料分子再生。通常為I-/I3-溶液。三.太陽(yáng)能電池的應(yīng)用1.硅太陽(yáng)能電池硅基電池的應(yīng)用主要可分為3種類(lèi)型:并網(wǎng)型、離網(wǎng)和家用電器產(chǎn)品。（1）并網(wǎng)進(jìn)入21紀(jì)以來(lái)，全球太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電年度并網(wǎng)容址增長(zhǎng)了44.1倍.從2000年的287MW遞增至2008年的29.85MW，年均增長(zhǎng)率達(dá)60.99%，同比2007年增長(zhǎng)了72.65%.全球太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)累積總里增長(zhǎng)10.5倍，從2000的1.435G增至2008年的16.4GW，年增長(zhǎng)率為35.6%。世界各國(guó)都在樓宇和家居屋頂應(yīng)用了太陽(yáng)能電池，所發(fā)的電大都可以并網(wǎng)。（2）離網(wǎng)與井網(wǎng)發(fā)電相比，離網(wǎng)發(fā)電具有靈活等特點(diǎn)，特點(diǎn)，始終占據(jù)著重的市場(chǎng)份領(lǐng)，如用于通信聯(lián)絡(luò)中繼站的供電、邊遠(yuǎn)山區(qū)小功率的生活用電等場(chǎng)合。在不少偏遠(yuǎn)地區(qū)如遠(yuǎn)離城市的農(nóng)場(chǎng)、山區(qū)、葡萄園采用離網(wǎng)方式發(fā)電，如水泵的供電系統(tǒng)。功率可高達(dá)441.3KW。（3）家用電器太陽(yáng)能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適合于各家各戶分散進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上。太陽(yáng)電池日益成為家用電器的"能源心臟"。eq\o\ac(○,1)太陽(yáng)能電話。以太陽(yáng)能作能源的無(wú)線電話已在英國(guó)一家無(wú)線電公司問(wèn)世。它利用頂端上裝的太陽(yáng)能接收板，可以不斷給電池充電。使用者的聲音通過(guò)無(wú)線電波輸入附近的電話交換機(jī)，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去。eq\o\ac(○,2)太陽(yáng)能冰箱。法國(guó)的太陽(yáng)能冰箱以甲醇為制冰劑，每24小時(shí)可制冰10公斤，保鮮30公斤食物。印度研制出一種倉(cāng)庫(kù)用的大型太陽(yáng)能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽(yáng)光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在－2℃，可冷藏500公斤食品，每天還可制出25公斤冰來(lái)。eq\o\ac(○,3)太陽(yáng)能空調(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，全部動(dòng)力都由陽(yáng)光供給，多云或陰天時(shí)才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，用它可使一間18平方米的居室室溫保持在20℃左右，并較一般空調(diào)器節(jié)約電費(fèi)60％以上。eq\o\ac(○,4)太陽(yáng)能電視機(jī)。芬蘭研制的太陽(yáng)能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽(yáng)光的窗臺(tái)上，晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12伏的電視機(jī)使用3至4小時(shí)。eq\o\ac(○,5)太陽(yáng)能照相機(jī)。美國(guó)一家公司生產(chǎn)了一種新型的135照相機(jī)。它的光圈、速度均由微電腦自動(dòng)控制，電力則由太陽(yáng)能硒光電池提供，只要有光線就能供電。2.化合物薄膜太陽(yáng)能電池這種太陽(yáng)能電池的應(yīng)用與硅太陽(yáng)能電池的應(yīng)用大同小異。但由于某些電池的高效率（如砷化鎵電池），被應(yīng)用于航空航天以及科研領(lǐng)域。還有一些柔性的薄膜電池，可以附著或者黏貼在建筑物等表面，更加靈活。3.染料敏化太陽(yáng)能電池這種電池的應(yīng)用與薄膜電池相似。例如：染料敏化太陽(yáng)能電池應(yīng)用在冬季棉帽上的供電裝置、應(yīng)用在廣告招貼畫(huà)上的照明裝置等日常生活中靈活的發(fā)電應(yīng)用……四.總結(jié)本文首先介紹了三種電池的原理。其核心都是光照使得電子或分子躍遷，經(jīng)過(guò)一系列變化，將光能轉(zhuǎn)化成電能。接著，詳細(xì)介紹了三種電池的子類(lèi)、生產(chǎn)流程以及核心部件。最后，概括了三代太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。五.學(xué)習(xí)心得與致謝通過(guò)這門(mén)課的學(xué)習(xí)，我了解了更多、更系統(tǒng)的清潔能源知識(shí)，增長(zhǎng)了在有機(jī)化學(xué)，尤其是高分子方面的見(jiàn)識(shí)。這些知識(shí)對(duì)日常生活也頗有幫助。更重要的，明白了當(dāng)前研究清潔能源技術(shù)的重要性及緊迫性，增強(qiáng)了環(huán)保意識(shí)。同時(shí)，也看到了我國(guó)在清潔能源領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。雖然自己是電院的學(xué)生，不一定從事清潔能源方面的工作，但我也要更加努力的學(xué)習(xí)，為國(guó)家付出自己的一份力量。感謝房老師的講解、答疑以及對(duì)作業(yè)的點(diǎn)評(píng)。感謝助教錢(qián)老師對(duì)作業(yè)的認(rèn)真批改。感謝同學(xué)們的PPT匯報(bào)以及討論交流！六.參考文獻(xiàn)[1]《無(wú)機(jī)化學(xué)下冊(cè)（第四版）》北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室，高等教育出版社[2]單晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝的研究，王瑤，湖南大學(xué)[3]FLAMANTG．KURTCUOGLUV，MURRAYJ，eta1．PurificationofmetallurgicalgradesiliconbyasolarproeessS