太阳能电池特性实验研究-开题报告

毕业设计 ( 论文 ) 开题报告学 生 姓 名： 学 号：专 业 ：设计 (论文 )题目 ： 太阳能电池特性实验研究指 导 教 师 :年 月 日开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3． “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内， 学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册） ；4． 有关年月日等日期的填写， 应当按照国标 GB/T 7408— 2005《数据元和交换格式、 信息交换、 日期和时间表示法》 规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。 如 “ 2007 年 3 月 15 日” 或 “ 2007-03-15 ” 。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述摘要： 太阳能作为一种取之不尽、 用之不竭的清洁能源对于解决目前全球面临的能源危机具有重大的意义。 作为太阳能利用的一种重要途径——太阳能电池的研究因此受到了广泛的关注。 本文详细地阐述了太阳能电池的工作原理和决定太阳能电池工作性能的主要物理参数及其测量方法， 简单概述了这一研究领域目前的研究进展和面临的主要技术问题等。太阳能电池性能参数的可靠测定是提升太阳能电池性能研究的前提和关键，我们拟利用实验手段测定三种不同类型太阳能电池的性能参数并加以比较分析， 从而为太阳能电池的相关研究提供有价值的实验数据。关键词： 太阳能电池 工作原理 物理参数 测定1 引言利用光伏效应直接将光能转换成电能的电池称为太阳能电池，简称太阳电池。从材料方面看， 主要有硅系太阳电池、 多元化合物薄膜太阳电池、 有机半导体薄膜太阳电池、纳米晶化学太阳电池等。太阳电池所具有的许多优点是未来能源所非常需要的：它不受地域限制；发电过程是简单的物理过程，无任何废气废物排出；太阳电池静态运行，无运转部件，无磨损，可靠性高；发电功率由太阳电池决定，可按所需功率装配成任意大小等。光伏能源被认为是 21 世纪最重要的新能源，光伏发电对解决人类能源危机和环境问题具有重要的意义。2 太阳能电池的工作原理太阳电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。 在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以 p 型硅和 n 型硅对外部来说是电中性的。如将 p 型硅或 n 型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子 - 空穴对，但在很短的时间内（在 μ s 范围内） 电子又被捕获，即电子和空穴“复合” [1] 。当 p 型材料和 n 型材料相接， 将在晶体中 p 型和 n 型材料之间形成界面， 即一个 p-n结。此时在界面层 n 型材料中的自由电子浓度高，所以向 p 型材料中扩散，并在 p 型材料中与空穴复合而消失。与此相反， p 型材料中的空穴扩散到 n 型材料中与自由电子复合而消失。在此之前， p 型材料和 n 型材料是电中性的，而通过界面层周围的电荷交换即形成了两个带电区：通过电子到 p 型材料的扩散在 n 型区形成一个正的空间电荷区，通过空穴到 n 型材料的扩散在 p 区形成一个负空间电荷区 [2] 。此区域就称为 p-n 结的空间电荷区，正、负电荷区形成了一个从 n 型半导体指向 p 型半导体的电场，称为内建电场。当具有 p-n 结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在 p-n 结的局部电场作用下， p 区的电子移动到 n 区， n 区的空穴移动到 p 区，这样在 p-n 结的两端就有电荷积累，形成电势差。当 p-n 结受到光照时，具有足够能量的光子在 p 型硅和 n 型硅中将电子从共价键中激发， 以致产生电子 - 空穴对 [3] 。 界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的 n 区、空穴向带负电的p 区运动。通过界面层的电荷分离，将在 p 区和 n 区之间产生一个向外的可测试的电压[4] 。3 太阳能电池的最新研究进展近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速。这里仅例举晶体硅太阳能电池和聚合物太阳能电池的部分研究进展。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转换效率的主要技术障碍有： ①电池表面栅线遮光影响； ②表面光反射损失；③光传导损失；④内部复合损失； ⑤表面复合损失 [5,6] 。针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有：①单双层减反射膜；②激光刻槽埋藏栅线技术；③绒面技术；④背点接触电极克服表面栅线遮光技术；⑤高效背反射器技术；⑥光吸收技术 [7,8] 。目前第三代太阳能电池研究主要有以下几个方向：①并联叠层电池：主要通过把高能隙的电池放在最上层，叠层电池的性能随着层叠电池数量的增加而提高，硅 - 硅串联结构太阳能电池通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光、提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径 [9] 。研究表明，把 1.3eV 和 1.7eV 光学禁带度组合起来的薄膜非晶硅与多晶硅串联电池转换效率最高。它具有成本低、耗能少、工序少、价廉高效等优点 [10] 。②杂质的光伏响应：能量低于能隙的光子也能对产生电流有贡献，被激发电子经由一个杂质能态到达导带，电子和空穴可以经过这些杂质能态复合。③量子阱和超晶格：主要是通过利用纳米材料的量子限制在太阳能电池表面形成光阱，从而达到提高电池转换效率的目的 [11] 。相对于无机太阳能电池，聚合物太阳能电池具有成本低、制作工艺简单、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点。另外共轭聚合物材料种类繁多、可设计性强，通过材料的改性可以有效地提高太阳能电池的性能。因此，这类太阳能电池具有重要发展和应用前景，成为重要的研究方向 [12] 。中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员与有机固体科研人员合作，最近在共轭聚合物光伏材料上取得系列进展 [13] 。在宽带隙聚合物太阳能电池给体材料中，一直以来以 MEH-PPV、 P3HT 等宽带隙材料作为单层或者叠层光伏器件的主要材料 [14] 。最近，他们设计合成了一种基于并噻唑的宽带隙 D-A 共聚物，其能量转换效率达到 5.2%，为带宽在 2.0eV 以上聚合物光电转化效率目前的文献报道最高值。研究结果发表在 Macromolecules 上 (Macromolecules, 2011, 44, 4035 – 4037)，并成为发表当月该期刊下载量前十。 他们还首次将吸电子基团砜基引入到 PBDTTT共聚物中，合成了聚合物 PBDTTT-S。该聚合物具有宽的吸收和较低的 HOMO能级，以该聚合物为给体、 PC70BM为受体的聚合物太阳能电池开路电压达到 0.76V, 能量转换效率达到了6.22%（ Chem. Commun., 2011, 47, 8904-8906）；同时 , 使用 BDT单元的同分异构体 BDP单元构建了新的聚合物光伏材料 , 开路电压高达 0.8V、效率达到 5.2%（ Chem. Commun., 2011, 47, 8850-8852 ） [13] 。4 评价太阳能电池性能的主要技术参数及其测量4.1 短路电流简单的说，短路电流就是太阳电池从外部短路时测得的最大电流，用 I sc 表示。它是光电池在一定的光强下， 外电路中所能得到的最大电流。 在不考虑其他损耗的情况下，太阳电池的短路电流等于光生电流 I L，与入射光的强度成正比。4.2 开路电压简单的说，开路电压就是受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n 结的两端产生光生电动势时在太阳电池两端测得的电势差，用符号 Uoc 表示。4.3 工作电流与工作电压把太阳电池连接上负载，负载中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流，也称为负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压。太阳电池的工作电压和工作电流是随负载电阻变化的。4.4 最大输出功率如果选择的负载电阻值能使输出电压和输出电流的乘积最大， 即获得了最大输出功率，用符号 Pmax表示。此时的工作电压和工作电流为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号 Vmp和 I mp表示。4.5 填充因子将 Uoc与 I sc 的乘积与最大功率 Pm之比定义为填充因子 FF，则：FF= PmUoc I sc=Um ImUoc I sc. FF为太阳电池的重要表征参数， FF 愈大则输出的功率愈高， FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。 FF的值始终小于 1，可由以下经验公式给出：FF=Uoc - ln ?(U oc +0.72)Uoc +1. 式中 Uoc 是归一化的开路电压 [2] 。4.6 光电转换效率太阳电池的光电转换效率是指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的输出功率与入射到太阳电池表面上的能量之比。光电池将光能直接转换为有用电能的转换效率是辨别电池质量的重要参数，用 η 表示，即电池的最大输出功率与入射光功率之比：η =PmaxPin=I mp UmpPin=FF· Uoc· Isc . 4.7 太阳电池测试标准条件由于太阳电池受光照影响，不同地区，就是同一地区不同时间，太阳电池的发电效果明显不同。为了比较和评价太阳电池，人们制订了国际标准测试条件。实用地面应用的太阳电池的国际标准测试条件为： AM1.5， 1000W/m2,25 ℃ (AM=1/cosθ ) [15] 。太阳电池测试有专用的测试仪器——太阳电池模拟器。 太阳电池测试用的太阳电池模拟器一般由光源、恒温测试台、电子负载及信号放大器、 A/D 转换、计算机、数据处理软件等组成 [16] 。4.8 三类太阳能电池特性的测量本课题主要对单晶硅、多晶硅和非晶硅这三种太阳能电池进行测试，通过实验，收集开路电压、短路电流、填充因子及入射光强对上述参数的影响的原始实验数据，并分析数据，从而为太阳能电池的相关研究提供有价值的实验数据。参 考 文 献[1] 沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术 [M] ．北京：化学工业出版社， 2005．[2] 靳瑞敏．太阳能电池原理与应用 [M] ．北京：北京大学出版社， 2011．[3] 许伟民，何湘鄂，赵红兵，等．太阳能电池的原理及种类 [J] ．发电设备， 2011，25（ 2） ： 137-140．[4] 熊绍珍，朱美芳．太阳能电池基础和应用 [M] ．北京 : 科学出版社 , 2009 ．[5] GUNAWAN O， WANG K， FALLAHAZAD B， et al ． High performance wire ‐ array silicon solar cells [J] ． Progress in Photovoltaics: Research and Applications ， 2011，19(3): 307-312 ．[6] BRITT J， FEREKIDES C． Thin ‐ film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency [J] ． Applied Physics Letters, 1993, 62(22): 2851-2852. 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