光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)王祎晨

光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨20xx-2目錄CONTENTS硅材料1GaAs(砷化鎵)2光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨1.太陽(yáng)能材料工作原理【5】1.1太陽(yáng)能光熱材料在太陽(yáng)輻射光譜中，蘊(yùn)含90%能量的光譜波長(zhǎng)為0.1～3μm，經(jīng)過(guò)大氣層過(guò)濾后到達(dá)地面的主要是波長(zhǎng)為0.38～0.72μm的可見(jiàn)光，低于0.38μm的屬于紫外線，0.72～3μm的屬于近紅外線因此，目前在地面上使用的太陽(yáng)能光熱材料僅需要考慮對(duì)波長(zhǎng)為0.1～3μm光波的吸收特性目前太陽(yáng)能光熱材料根據(jù)用途主要分為透光材料、光反射材料和光吸收材料，它們有各自不同的用途通過(guò)加裝透光材料可以產(chǎn)生溫室效應(yīng)，提高集熱效果1.2太陽(yáng)能光電材料光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨太陽(yáng)能光電材料主要指太陽(yáng)能電池，按照結(jié)構(gòu)不同，有同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池、異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池、肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池、液結(jié)太陽(yáng)能電池目前市場(chǎng)上主要以硅基太陽(yáng)能電池為主，這類太陽(yáng)能電池以單晶硅或多晶硅作為電池片基體，通過(guò)摻雜雜質(zhì)的方式制成PN結(jié)或PIN結(jié)當(dāng)光照射到太陽(yáng)能電池片上時(shí)，會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體價(jià)帶中的價(jià)電子躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下PN結(jié)兩端不斷積累正負(fù)電荷產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即光生電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)[2]III-VI族化合物太陽(yáng)能電池、疊層太陽(yáng)能電池的基本工作原理都是基于價(jià)電子躍遷的光生伏特效應(yīng)光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨1.3太陽(yáng)能光化學(xué)、光生物轉(zhuǎn)換地球上絕大多數(shù)植物都可以進(jìn)行光合作用，它們吸收太陽(yáng)能，把二氧化碳和水合成為葡萄糖，這是最直觀的太陽(yáng)能光化學(xué)、光生物轉(zhuǎn)換。還有一部分生物能夠直接通過(guò)光合作用或者分解有機(jī)物產(chǎn)氫，氫能源是目前非常有前景的清潔能源，有望廣泛應(yīng)用于燃料電池等領(lǐng)域，如果能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生物制氫，對(duì)緩解能源危機(jī)，改善人類能源結(jié)構(gòu)有著十分重大的意義光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨2太陽(yáng)能材料發(fā)展緩慢的原因太陽(yáng)能被當(dāng)作一次能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用已有300余年，但早期的太陽(yáng)能材料發(fā)展步伐緩慢，除了20世紀(jì)70年代—80年代出現(xiàn)了一次大發(fā)展之外，在其他時(shí)間內(nèi)不論是太陽(yáng)能光熱材料，還是太陽(yáng)能光電材料都發(fā)展相對(duì)緩慢，主要原因有以下三點(diǎn)2.1自身局限光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨由于地球繞太陽(yáng)發(fā)生公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了白天與黑夜的交替和四季的變化在地球上不同緯度、不同地區(qū)、不同的環(huán)境條件下，太陽(yáng)能的輻照強(qiáng)度相差極大，這導(dǎo)致太陽(yáng)能利用系統(tǒng)需要因地制宜，而不能像其他能源那樣批量生產(chǎn)以后大規(guī)模推廣只有當(dāng)太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度高于臨界值時(shí)，太陽(yáng)能光熱材料和太陽(yáng)能光電材料才能夠把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，這使得陰天、下雨、下雪等天氣條件下太陽(yáng)能利用效率大打折扣010203光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨而在夜晚時(shí)，因?yàn)榈孛嫔蠜](méi)有太陽(yáng)光照射，也無(wú)法利用太陽(yáng)能另外，地理環(huán)境因素對(duì)太陽(yáng)能的利用也有著極大的限制與影響2.2價(jià)格因素限制太陽(yáng)能材料發(fā)展的另一個(gè)重要因素是價(jià)格光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨第一代太陽(yáng)能電池所使用的是單晶硅材料，單晶硅的晶片成本占整個(gè)太陽(yáng)能電池模塊成本的40%以上，并且單晶硅的生產(chǎn)過(guò)程中需要使用大量氯化氫氣體，排放物對(duì)環(huán)境危害極大另外太陽(yáng)能電池為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，需要使用貴金屬作為電極或作為摻雜雜質(zhì)，進(jìn)一步提高了太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本雖然太陽(yáng)能材料在投入使用后的維護(hù)成本較低，但成本回收周期過(guò)長(zhǎng)，前期生產(chǎn)安裝的巨大投入讓使用者擔(dān)心不能回本，使得投資者信心不足，在當(dāng)今快節(jié)奏的生活生產(chǎn)條件下，限制了太陽(yáng)能材料的推廣普及光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨2.3效率問(wèn)題太陽(yáng)能利用效率低下的問(wèn)題始終在限制著太陽(yáng)能電池材料的發(fā)展，在溫度為25°C，大氣質(zhì)量為AM1.5的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下，因?yàn)楣璋雽?dǎo)體材料禁帶寬度與到達(dá)地面的太陽(yáng)光波長(zhǎng)并不能完全匹配，單晶硅太陽(yáng)能電池的理論極限光電轉(zhuǎn)換效率為30%左右。一般來(lái)說(shuō)，硅半導(dǎo)體材料制作的太陽(yáng)能電池對(duì)于太陽(yáng)光中波長(zhǎng)小于0.35μm的紫外光和波長(zhǎng)大于1.15μm的紅外光不能產(chǎn)生有效響應(yīng)光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨以下是幾種不同材料光伏的效率分析研究背景：光伏是一種直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的光伏技術(shù)，為滿足日益增長(zhǎng)的全球能源需求提供了一種切實(shí)可行的解決方案近年來(lái)，光伏系統(tǒng)價(jià)格的下降已經(jīng)使光伏發(fā)電的成本平均化，要讓光伏發(fā)電在更多的電力市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，還需要進(jìn)一步大幅降低成本除了太陽(yáng)能電池和組件制造成本，光伏發(fā)電成本中一個(gè)主要且不斷增加的部分(通常為50%)與組件和安裝要求有關(guān)，如逆變器、布線、安裝結(jié)構(gòu)和人工因此，太陽(yáng)能電池效率是降低光伏成本的關(guān)鍵杠桿:在空間有限的城市環(huán)境中，更高的單位面積發(fā)電率尤為重要光伏材料的發(fā)展正在飛速增長(zhǎng)，效率紀(jì)錄不斷被打破光伏材料文字以及參考文獻(xiàn)-王祎晨根據(jù)Shockley-Queisser(S-Q)平衡模型，單結(jié)太陽(yáng)能電池的極限光伏能量轉(zhuǎn)換效率為33.7%。隨著近幾十年來(lái)記錄效率不斷提高的晶圓基硅太陽(yáng)電池的發(fā)展，大量的薄膜材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其目標(biāo)是接近S-Q極限該圖顯示了短路電流和開(kāi)路電壓的乘積，我們可以理解為，橫坐標(biāo)表示太陽(yáng)能電池捕獲入射光的能力，縱坐標(biāo)代表其將太陽(yáng)能電池把捕獲的入射光轉(zhuǎn)換為帶電載流子的能力，紅色區(qū)域?yàn)镾-Q效率極限，<50%(紅色)、50-75%(綠色)或>75%(藍(lán)色)1第1部分硅材料硅材料硅的優(yōu)點(diǎn)為具有幾乎理想的帶隙(Eg=1.12eV)，并具有較高的效率。其接觸復(fù)合是損失的主要來(lái)源，(太陽(yáng)電池可看成由光子吸收層和接觸層兩個(gè)基本單元組成，接觸層是高復(fù)合活性金屬界面和光子吸收層之間的區(qū)域.為了進(jìn)一步提高硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，關(guān)鍵是降低光子吸收層和接觸之間的復(fù)合損失)因此最成功的方法最大限度地減少接觸面積(例如，通過(guò)局部重?fù)诫s或金屬沉積)、實(shí)現(xiàn)鈍化接觸或使用這些方法的組合。同時(shí)，使用Si3N4、Al2O3、SiO2或這些材料的組合對(duì)Si進(jìn)行表面鈍化已經(jīng)發(fā)展到非常完美的程度，目前單晶硅太陽(yáng)能電池最高效率為25.1%，略高于1998年報(bào)道的25.0%。【2】2第2部分GaAs(砷化鎵)GaAs(砷化鎵)他的最高效率為28.8%，這種材料的帶隙接近最佳值(1.42ev)，由于他具有高光學(xué)吸收系數(shù)，電池厚度可以保持較小此圖橫坐標(biāo)為能帶間隙，最佳為1.42ev，縱坐標(biāo)為效率GaAs(砷化鎵)InP(磷化銦)材料InP(Eg=1.35eV)具有與GaAs類似的帶隙，但22.1%(9，18)的最大報(bào)道效率遠(yuǎn)低于GaAs這種差異是由于較低的電壓和較低的電流(v=0.81，j=0.85)由于現(xiàn)有的高效GaAs替代品以及In的稀缺性和相關(guān)的高成本，InP電池的開(kāi)發(fā)在過(guò)去十年中一直很小GaInP具有相對(duì)較高的帶隙(1.81eV)，其S-Q極限效率為25.2%GaInP電池實(shí)現(xiàn)的記錄效率為20.8%(9，19)記錄單元上的電壓損失非常小(v=0.96)，但這些單元中的電流收集(j=0.82)留下了很大的改進(jìn)空間Thin-filmsilicon(薄膜硅)GaAs(砷化鎵)18薄膜微晶或納米晶硅太陽(yáng)能電池可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積在各種(柔性)基板上制成。效率為10.1%至11.4%，晶體Si的相對(duì)較慢的沉積速率將實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的單元厚度限制為2至5mm，并且紋理化的襯底經(jīng)常導(dǎo)致微晶膜的缺陷生長(zhǎng)。由于這種厚度限制，能量在帶隙附近的光沒(méi)有被完全吸收，導(dǎo)致非常強(qiáng)的電流損失【4】下圖計(jì)算了從2010年開(kāi)始，截至2016年1月1日的各種材料效率平均改善速度。[有兩