43太阳能电池

太阳能电池定义太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。工作原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。太阳能电池种类半导体材料硅太阳能电池晶体单晶硅、多晶硅非晶体a-Si、a-SiGea-SiC、a-SiN、a-SiSn化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族其他GaAs、AlGaAsInPCdS、CdTe、Cu2SCuInSe2、CuInS2有机半导体酞菁、羟基角鲨烯、聚乙炔(1)转换效率高；(2)制造能耗少；(3)制造成本低；(4)原材料丰富；(5)电池使用寿命长；(6)无公害。一般希望太阳能电池具有以下特性：硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。下面主要介绍硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池单晶硅太阳能电池在硅太阳能电池中转换效率最高,目前实验室最高转换效率为24.7%，工业规模生产的单晶硅太阳能电池效率为15%。单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。单晶硅太阳电池板使由许多由单晶硅棒切成厚约0.3mm的圆薄片，再经抛磨、掺杂、扩散、烧结、成型等步骤制成的单体片，用串联或并联的方法构成的，可输出一定的电压和电流。制作工艺单晶硅太阳能电池的特点：作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。单晶制备以及p-n结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。硅的密度低，材料轻。即使是50μm以下厚度的薄片也有很好的强度。单晶硅太阳能电池的特点：与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。存在问题：由于单晶硅生产成本高，故难于推广应用。多晶硅太阳能电池与单晶硅相比，多晶硅材料的价格较低廉，实验室最高转换效率为20.3%，工业规模生产的转换效率达13%~16%。多晶硅太阳能电池多晶硅材料是由许多单晶颗粒(颗粒直径为数微米至数毫米)的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。多晶硅太阳能电池制作工艺选择电阻率为100～300Ω·cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎、掺杂、扩散、熔化冷却定型后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。多晶硅薄膜太阳能电池制作工艺：1、在廉价衬底(如Si、SiO2、Si3N4、SiC、SiAlON、Al2O3、Al)上沉积硅质薄膜2、再结晶1、化学气相沉积法：低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)2、液相外延法(LPPE)3、溅射沉积法1、固相晶化法(LAR)2、区熔再结晶(ZMR)3、激光再结晶(LMC)非晶硅薄膜太阳能电池晶体硅太阳能电池是利用硅晶体为衬底，通过扩散的方式在其表面形成p-n结来制作太阳能电池，这种电池需要耗费大量的硅晶体，而硅晶体的制作需要消耗大量的能源，能源回收周期较长。薄膜太阳能电池克服了这一缺点，它是在玻璃或不锈钢基体上通过化学或物理方法淀积硅薄膜并形成p-n结而制作的太阳能电池，这种方法材料成本远低于硅晶体电池，许多材料都可以作为基体材料，甚至可以采用聚合材料制作成所谓的柔性太阳能电池。非晶硅薄膜太阳电池可以制成单结式和叠层式结构。单结电池结构：太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热，这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。因此光转换效率较低。叠层式结构：在单结上再沉积一个或多个p-i-n单结电池。把太阳光谱分成几个区域，用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，使整个电池的光谱响应接近于太阳光光谱，从而最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。非晶硅太阳能电池优点：非晶硅具有较高的光吸收系数；非晶硅的禁带宽度比单晶硅大；制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产；由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题；制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100kW·h，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。存在问题：非晶硅太阳能电池光电转换率在14.5%以上，但稳定性较差。提高转换率和稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。其他太阳能电池化合物半导体电池：有些金属化合物如硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会造成严重污染，因此，不能开发应用。其他太阳能电池有机物太阳能电池：原材料为有机材料，柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本较低。性能和寿命远不如硅电池，但有可能提供廉价电能。此项研究刚刚起步。其他太阳能电池纳米晶化学太阳能电池：纳米晶化学太阳能电池是新型太阳能电池，目前仍在研制过程中，其中纳米晶TiO2太阳能电池倍受关注。纳米晶TiO2太阳能电池光电效率在10％以上，制作成本为硅太阳能电池的1/5～1/10，寿命可达到20年以上。染料敏化光电化学太阳能电池固体有机电解质的染料敏化异质结太阳能电池极薄吸附层太阳能电池