太阳能光电池的改进及应用简述

太阳能光电池的改进及应用简述摘要：太阳能光电池是利用太阳光发电的半导体器件，又被称作光伏电池。应用较多的光电池是用硅材料做成的，有单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。也有采用 CdS 和/GaAlAs GaAs 等材料制成的太阳能光电池。由于太阳能是可再生能源，因此研究太阳能光电池成为比较热的课题，而其效率低又成为研究的首要问题。Improved solar cells and application of briefBangZhong Gu 0804240214 Abstract: The use of solar PV cells are semiconductor devices, also known asphotovoltaic cells. Application of more light battery is made of silicon material, amonocrystalline silicon, polycrystalline silicon and amorphous silicon cells. Have adopted CdS , /GaAlAs GaAs and other materials of solar cells. Because solar energy is renewable energy, so the research into solar cell is hot topic, and its low efficiency has become a researchpriority. 关键词：太阳能、光电池、现状、发展、产业化一、 引言可再生能源在社会中的重要性已经越来越明显，在各种各样的可再生能源中，太阳能是取之不尽、没有污染的绿色能源。太阳能光电池就成了当今的热点话题，而其效率低的问题也成了限制发展的瓶颈，各国研究人员都在努力解决这个问题。二、 太阳能光电池原理1. PN 结光生伏特效应当光线照射 PN 结时，光线可以透过 P 型半导体射入到 PN 结，甚至可以到达 N 型半导体一边。对于能量大于材料禁带宽度 gE 的光子，由于本征吸收，在光子所到之处就可能激发出电子——空穴对。产生于 N 区和 P 区的光生电子与空穴，它们对多数载流子的浓度影响不大，其作用可以忽略，但会使少数载流子的浓度产生明显的变化。离 PN 结较劲的由光产生的少数载流子，受到内建电场得分离，电子移向 N 区，空穴移向 P 区。 PN 结区的光生电子——空穴对被 PN 结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向 P 区，电子被移向 N 区。结果子啊 N区将积累电子， P 区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于是在 P区和 N 区之间造成光生电势差，也称为光生电动势。光照越强，光生电动势 U 就越大。2. 转换效率当 PN 结两端通过负载 LR 构成闭合回路时，就会有电流沿着 P 经外电路到 N 方向流动。对于输出的功率 P UI ，对其求极值，可以获得光电池存在一个最大输出功率 mP ，此时对应的最佳负载电阻为 LmR ，对应的电流为 mpI ，电压为 mpU 。m mp mpP U I光电池的转换效率为光电池输出的最大功率与入射光功率的比值，即输出最大功率入射光功率它表示了光电池把光转变为电信号的能力。三、 太阳能光电池效率低的原因及改善方法1. 太阳能光电池效率低的原因太阳能光电池在光照进 PN 结时，在 PN 结的反射、透射等是对太阳光的损耗，会降低转换效率。同时材料和工艺对太阳光的吸收、温度也可能降低转换效率，太阳光照的不稳定也会降低转换效率。在太阳光照进 PN 结那一刻到产生光生电动势，每一个环节的疏忽或者工艺的不精都会降低转换效率。2. 改善方法在太阳光照进 PN 结到产生光生电动势的每个环节中，每个因素都会降低效率。针对每个环节作出的改善都会提高转换效率。下面仅针对 PN 结表面反射率的降低来提高转换效率。在太阳电池表面织构化可以有效降低太阳能电池的表面反射率，常采用光刻倒置金字塔结构和化学腐蚀制绒面。由于不同晶向的 Si 在碱性溶液中腐蚀的速率不同，利用这种差异可以用碱性溶液在 31004 晶向的 Si 片上腐蚀出类似金字塔不规则排列的绒面结构。入射光可以在金字塔的侧面上形成两次以上入射，从而大大降低了 Si 片上的反射率。‘入射光在单晶 Si 绒面结构上的光路图如图所示，经计算对于垂直入射光，由空气进入Si 片，第一次反射光强是入射光强 (Ⅰ )的 33%, 透射光强为 67% ；第二次反射光强是最初入射光强的呃 1% ，透射光强为它的 22% ，两次共透射 89% ，反射为 11% ，如果太阳电池Si 片表面无绒面，只经过一次反射，反射光强为 33% ，透射光强为 67% ，所以 Si 片表面经过制绒后，其表面的总透射光强增加了。模拟金字塔形锥体如图所示，其四个边长为 a的正三角形面积 S 之和为 0S ，即203 14 4 32 2S S a a a由此可见，有绒面的受光面比无绒面的受光面提高了 3 倍，即 1.732 倍。根据研究人员的研究，也可以在构成超薄硅薄膜的真面增加一种增透膜，并在背面增加多层反射膜和衍射光栅组成的精细结构。更深研究的是利用“量子点”来提高效率。四、 太阳能光电池发展现状及产业化的构想最近，光伏电池组件的价格已经降到 30 元 / Wp 左右。单晶硅和多晶硅光伏电池的正常使用寿命是二十年。下表列出了几种不同电力的特点和近似价格，由下表所列的内容和特定应用领域的电能。在没有市电，又有充足阳光的地方，光伏电池是首选，与性能较好的蓄电池配合，能大大改善系统输出稳定性。迄今为止，已有数以万计的户用光伏系统进入家庭。 LED 照明和液晶电视都是低压直流供电的产品，能够大批量的应用在户用光伏系统上。除了户用光伏系统之外，在许多领域，其独立光伏系统也将光伏电力逆变，而采用低压直流供电。像太阳能草坪灯、太阳能路灯、太阳能公路标志灯、太阳能喷泉等，有些产品已经在大批量的出口。用光伏电力作为动力的产品也有了实际应用的示范产品，如太阳能游艇、游览车等，包括太阳能电动自行车也正在研制之中。有一项最具前景的太阳能应用，就是装在建筑物上的屋顶光伏系统，如“屋顶太阳能光伏供电的建筑照明标志系统”，打破了逆变应用的常规，大大提高了光伏系统的效率，降低了光伏系统的生产成本，使其在有市电供应的城市里，也受欢迎的产品。电源种类 功率 输出特性 用电状态 参考电价 元 /瓦小时市电 功率大，达到兆瓦以上，用电稳定交流高压 依赖于电力部门，需要架设线路，用电地方固定，用电安全问题要求较高0.001 干电池 功率很小，一般数瓦以内直流低压 多为一次性使用，用于便携式设备，电力价格高，废弃电池易造成环境污染0.1~0.5 蓄电池 一般使用功率在数百瓦以内直流低压 可流动性使用，不同种类蓄电池性能、价格差异大，需要反复充电，也存在环境污染问题0.002~0.05 风力发电 功率范围较宽 交直流 首风力影响，用电不稳定，不消耗能源并网后应用，用电类似市电0.001~0.005 光伏电池 功率范围较宽 直流低压 受阳光照度影响，发电不稳定，不消耗能源，安装简单，维护费少，无环境污染，城市使用可降低温室效应0.002~0.01 五、 参考文献1. 《光电子器件》，汪贵华。北京：国防工业出版社， 2009. 2. 《半导体物理学》，刘恩科，朱秉升，罗晋生。北京：国防工业出版社， 2006.