太阳能电池原理及发展

太阳能电池原理及发展摘 要 :人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力 , 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来 , 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文介绍了太阳能电池的原理和发展 , 以及各类新型太阳能电池 , 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。关键字 :太阳能电池 原理 发展前景Abstract:Mankind is faced with limited conventional energy and the dual pressures of serious damage to the environment, has become increasingly of concern social and environmental problems. In recent years, the rapid development of PV market and has made gratifying achievements. This article describes the principles and development of solar cells, as well as new types of solar cells, compared the various types of solar cells conversion efficiency and development prospects. Keywords: solar cell; principle; development; prospects 1.引言由于人类对可再生能源的不断需求 , 促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用 1 年 , 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略 , 是其中最受瞩目的研究热点之一。本文介绍了太阳能电池的原理和发展 , 以及各类新型太阳能电池 , 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。2.太阳能电池原理 【 1】太阳能电池， 是一种能有效地吸收太阳辐射能， 并使之转变成电能的半导体器件。他们利用各种势垒的光生伏特效应， 所以也称为光伏电池， 其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。 当太阳光照射到半导体表面，半导体内部 N 区和 P 区中原子的价 电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度 Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带， 由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞， 或在半导体中复合恢复到平衡状态。 其中复合过程对外不呈现导电作用， 属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到 P— N 结区，通过 P— N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域， 对外形成与 P— N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。 当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起， 构成光伏电池组件， 便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。 制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。 不同禁带宽度的半导体， 只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对， 禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大， 而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。 可见， 只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料， 才能更有效地利用太阳光谱。 由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。3.太阳能电池（组件）生产工艺组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤 没有良好的封装工艺， 多好的电池也生产不出好的组件板。 电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证， 而且还增强了电池的抗击强度。 产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。工艺流程如下：（ 1）电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起， 所以应根据其性能参数进行分类， 电池测试即通过测试电池的输出参数。电流和电压， 的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。（ 2）正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面，（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯，利用红外线的热效应。焊带的长度约为电池边长的 2 倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连（ 3）背面串接：背面焊接是将 36 片电池串接在一起形成一个组件串。我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有 36 个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将 36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。(4）层压敷设 :背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的 EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（ primer ）以增加玻璃和 EVA 的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：钢化玻璃、 EVA 、电池片、 EVA 、玻璃纤维、背板）。（ 5）组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使 EVA 熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起，最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA 的性质决定。我们使用快速固化 EVA 时，层压循环时间约为 25 分钟。固化温度为 150℃。（ 6）边层压时 EVA 熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。(7)装框类似与给玻璃装一个镜框 ，玻璃组件装铝框 增加组件的强度 进一步的密封电池组件长电池的使用寿命。 边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。 各边框间用角键连接。8 焊接接线盒 在组件背面引线处焊接一个盒子 以利于电池与其他设备或电池间的连接。9 高压测试 高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压 测试组件的耐压性和绝缘强度 以保证组件在恶劣的自然条件 雷击等 下不被损坏。10 组件测试 测试的目的是对电池的输出功率进行标定 测试其输出特 性 确 定 组件 的 质量 等 级。 目 前主 要 就是 模 拟太 阳 光的 测试 Standard testcondition STC ,一般一块电池板所需的测试时间在 7-8 秒左右。4.太阳能电池的发展人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期 就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火 利用太阳能来干燥农副产品。 发展到现代 太阳能的利用已日益广泛 它包括太阳能的光热利用 太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。 太阳能的利用有被动式利用 光热转换 和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。据记载 人类利用太阳能已有 3000 多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用 只有 300 多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础” 则是近来的事。 20 世纪 70 年代以来 太阳能科技突飞猛进 太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从 1615 年法国工程师所罗门· 德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。 该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在 1615 年 1900 年之间世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。 这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光 发动机功率不大 工质主要是水蒸汽 价格昂贵实用价值不大 大部分为太阳能爱好者个人研究制造。4.1 第一代太阳能电池1954 年 美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池 开始了利用太阳能发电的新纪元。 由于太阳能电池价格昂贵 因此其发展缓慢 当时主要用于航天科技工程。 20 世纪 70 年代 由于石油危机 使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓 太阳能电池也进入了快速发展的阶段。近几年太阳电池市场以每年30%的速度递增。目前 第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的 86% 。第一代太阳能电池基于硅晶片基础之上 主要采用单晶体硅、 多晶体硅及 GaAs 为材料 转换效率为 11%~15%。单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法是将硅材料在石英坩锅中加热熔化 使籽晶与硅液面接触 向上提升以长出柱状的晶棒。 直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径 目前硅棒的直径已经达到 100~150mm 用区熔法生长单晶硅技术是将区熔提纯和制备单晶结合在一起 可以得到纯度很高的单晶硅 但成本很高。 目前 在所有太阳能电池中此种硅片的效率是最高的 因此采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电池用单晶硅也是目前的发展方向。 为了进一步提高太阳能电池效率 近年来大力发展高效化电池工艺 主要有发射极钝化及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。定向凝固法是将硅材料在坩锅中熔融后 使坩锅形成由上而下逐渐下降的温度场或从坩锅底部通冷源以造成温度梯度 使固液界面从坩锅底部向上移动而形成晶体。浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭 铸出的方形硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。目前使用最广泛的是浇铸法 此法简单 能耗低 利于降低成本 但容易造成错位、杂质等缺陷 而导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。由于多晶硅太阳电池存在杂质问题 光电转换效率比单晶硅电池低但成本有所降低。 目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问题 为进一步降低成本 基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史舞台。 【 2】4.2 第二代太阳能电池第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。在薄膜电池中很薄的光电材料被铺在衬底上 大大地减小了半导体材料的消耗 薄膜厚度仅1um 也容易形成批量生产 其单元面积为第一代太阳电池单元面积的 100 倍从而大大地降低了太阳能电池的成本。 薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、 非晶硅、碲化镉等。多晶硅薄膜太阳能电池技术较为成熟。目前 多晶硅薄膜生长技术主要有液相外延生长法、 低压化学气相沉淀法、 快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、 等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、 固相晶化法和区熔再结晶法等。 薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题 但是效率很低。 目前商用薄膜电池的光电转换效率只有 6%~8% 【 3】 。为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率 各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理 并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。4.34.3 第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到 95% 而目前标准太阳能电池的理论转换效率上限为 33% 这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。为了进一步提高太阳能电池的转换效率 新南威尔士大学对太阳能电池中能量损失机理进行了研究。为减少热损失 可以设法让通过太阳能电池的光子能量刚刚大于能带能量 使得光子的能量激发出的光生载流子没有多余的能量可以损失。为减少电子 -- 空穴结合所造成的损失 可设法延长光生载流子的寿命 这可以通过消除不必要的缺陷来实现。减小 PN 结的接触电压损失 可以通过聚集太阳光 加大光子密度的方法来实现。基于以上分析 澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念。 当然 目前第三代太阳能电池主要还在进行概念和简单实验研究。 第三代太阳能电池主要有前后重叠电池 多能带电池 热太阳能电池 热载流子电池 和冲击离子化太阳能电池等。5.太阳能电池的发展方向 : 提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。在降低成本方面 硅太阳能电池主要还是通过减少硅片厚度实现 而在提高转换效率方面对新的太阳能电池技术的探索已经开始1 叠层电池技术将不同带隙宽度 Eg 的材料 按 Eg 大小从上到下迭合起来制成。 选择性的吸收太阳光谱的不同区域 可大幅度的提高转换效率。计算表明 两结叠层电池 的 理 论 转 换 效 率 为 50 三 结 电 池 为 56 36 结 为 72 无 限 多 结 为86.6 。2 多光谱太阳电池技术将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱 而不用多结可降低成本。 先利用热激发光发射二极管产生窄带光谱 再通过热光和光电转换理论效率为 50 还能利用特殊的能带结构 吸收一个高能光子而产生两个电子空穴对 提高转换效率。3 多能级、多带技术利用耦合多量子阱和量子点结构形成的子带 可充分利用太阳光谱 提高转换效率。在带隙中引入 N 个带会扩大吸收长波光子的能量范围 理论预测其效率为 86.8 。6.第三代新型太阳能电池的介绍6.1.叠层太阳能电池 【 5】叠层太阳电池的制备可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法 先制备出两个独立的太阳电池 一个是高带宽的 另一个则是低带宽的 然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面 另一种是一体化的方法 电池间通过隧道结串接。 在多结叠层串接太阳电池中 由于各分电池由 P-N 结组成 如果直接串联在一起则由于 P-N 结反偏而不导电 采用隧道结结构可以解决这一问题。据分析无限增加太阳电池的层数 理论上可获得的最高效率为 86.8%。 6.2.多能带太阳能电池 【 6】 多能带电池也称为不纯能带电池 最简单的就是 3 能带电池 能带 1 和能带 3 是大块结晶中的价电子带和传导带 能带 2 是人工制备的中间能带。这样 高能量范围内的太阳光 ( 13 h E )引起能带 1 和 3 间的转移 而中间能量范围的太阳光引起能带 1 和 2 以及能带 2 和 3 间的转移而被吸收 这是覆盖更宽的太阳光谱的尝试。 因此 和多结太阳电池的情形一样 对削减短波长域的能量损失有较好的效果。6.3. 多载流子太阳电池提高太阳电池转换效率即是尽可能多地将光子的能量用于激发出电子一空穴对而避免其转换成热能。 如果一个高能量光子激发出一对电子一空穴对并使它们成为具有多余能量的 “热载流子” 而这个热载流子具有的能量仍高于激发一对电子一空穴对所需要的能量 那么这个热载流子就完全有可能把多余的能量用来产生第二对电子一空穴对 如果光子的能量比禁带宽度的三倍还大 就可能产生第三对电子一空穴对。 这些电子空穴对将增大太阳电池的输出电流 从而提高光子的利用效率 冲击电离过程如图 10. 6.4. 热光伏电池热光伏技术是将受热高温热辐射体的能量通过半导体 P-N 结电池直接转换成电能的技术。 热光伏电池使用一个吸热装置吸收太阳光 再把吸收的能量放出来供给电池 原理如图 11 所示。该装置的温度远低于太阳的温度 因此其辐射的平均光子能量远小于阳光。 这些光子中能量较高的被电池吸收转化成电能 而其中能量较小的又被反射回来 容易被吸热装置吸收 用以保持吸热装置的温度。这种方法的最大特点是电池不能吸收的那部分能量可以反复利用。7.太阳能在建筑上的应用7.1建筑的利用太阳能产品通过近几年的发展 其应用领域在不断扩大 . 建筑的使用功能与太阳能产品的利用有机的结合在一起 形成了一批有特色的太阳能功能性建筑。(1)太阳能热水太阳能热水主要是通过太阳能热水器将太阳的辐射能转化为可直接利用的热能 对建筑进行生活热水的供给。 太阳能产品具有运行费用低、环保节能、提升建筑品位等突出优点 除了在建筑屋顶安装太阳能外 还可以利用建筑物的南立面 作为安装集热器的有利位置 从而充分利用建筑外表面 安装更多的太阳能热水器 以提供不同使用群体对热水的需求。(2)太阳能光伏发电太阳能光伏发电是根据光生伏打效应原理 利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。 光伏发电一般应用在三个方面 一是太阳能日用电子产品 二是为无电场合提供电源 三是并网发电。 并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。(3)太阳能制冷用太阳能进行制冷有两种方法 一是先实现光一电转换 再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷 二是进行光一热转换 以太阳能产生的热能为空调机组进行制冷。 前者系统比较简单 但以目前的价格计算 其造价约为后者的 3 4 倍。 而后者与光一热转换直接利用不同 太阳能制冷空调是一个光一热一冷的转换过程 实际上是太阳能的间接利用。 它不象太阳能热水、 干燥等低温直接利用那样容易实现 在技术上比较复杂 一般为采用溴化锂制冷机组 利用太阳能提供的热能驱动机组进行制冷 太阳能制冷机组 COP 为 0.7~1.3。(4)太阳能采暖太阳能采暖技术即利用太阳能产生的热能提供建筑所需的热负荷 该技术一般采用太阳能与地板辐射或吊顶辐射采暖结合的方式进行供暖。 太阳能采暖与常规能源采暖相比 前者初投资较高 但日常运行费用低 一般 3 5 年可收回成本。(5)太阳能遮阳在夏热冬冷地区 遮阳对降低建筑能耗 提高室内居住舒适性有显著的效果。 而太阳能产品作为洁能源应用的典范 在建筑节能、建筑外遮阳等领域中的应用无疑有着举足轻重的作用。 太阳能产品作为一种有效的绿色节能产品 主要功能是为建筑提供能源 以能源产品和遮阳产品结合 成为建筑的构件 应该是建筑节能的一个重要的发展方向。(6)太阳能通风在太阳能建筑中 春秋季为了平衡太阳能的利用 采用太阳能烟囱拔风加强室内通风。 太阳能烟囱即利用太阳能产品提供的热量加热安装在烟囱内盘管中的水 通过热传递 使烟囱内温度升高。 利用热空气上升的原理 使烟囱内空气向上流动 达到室内强制通风 来调节室内气候。7.2太阳能的意义(1)太阳能作为清洁环保的可再生能源 已经被广泛应用于民用建筑当中研究表明 在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于 2200h的地区。 因此 我国在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技术已具备了良好的条件 特别是对电力紧缺地区具有一定的经济效益和社会效益 太阳能广泛应用于建筑物采暖不但节省大量的石化能源 而且减少了对不可再生能源的消耗。(2)经济上 民用建筑采暖的迅速发展 导致了居民生活用电量迅速增加由于我国电力系统本身特点 (火力发电占绝大部分 ) 调解性能较差 且已经存在着很大的高峰低谷负荷差异 随着我国居民住宅采暖的发展 虽然其耗电量不大 但却进一步加大了这种峰谷差异 使得电力系统的发展越来越不平衡 高峰负荷日益增加。 因此这样会造成巨大的能源消耗和严重污染 太阳能采暖将会给个人 国家都带来巨大的经济效益。(3)提高人民生活质量 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高 人们对生活舒适度的追求越来越强烈 尤其是偏远的农村地区 能源短缺太阳能在民用建筑采暖和热水供应 有效地减少了能源短缺的现状 提高人们的生活舒适度 改善居住条件及周边环境。8.结语太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。 目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡。 第一代太阳能电池转换效率为 11%~15% 但成本太高。 第二代太阳能电池成本大大降低 但转换效率只有 6%~8% 。 为进一步提高效率 同样基于薄膜技术的第三代太阳能电池已经开始研制 其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍 它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。太阳能作为一种新型能源已经进入到了我们的生活的各个方面 以其环保、节能、 高利用率为大众所广泛使用。 太阳能与建筑结合问题是多科学 多层面参与和合作的综合性事业 应根据不同的类型 技术要求 使用目的以及不同地理纬度和气候特点 建筑类型等 对建筑的造型 平面布局和功能等进行综合考虑。只有这样才能使太阳能设备的设计和利用与建筑的使用达到完美的统一推动太阳能在建筑上的运用参考文献[1] 赵书利 , 叶烽 , 朱刚 . 太阳能电池技术应用与发展 [J]. 船电技术 , 2010,(04) . 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