太阳能与人类生活
29页1、第四节太阳能电池材料的研究进展1 硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池 2 多元化合物薄膜太阳能电池3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池(简称聚合物太阳能电池) 4 纳米晶化学太阳能电池(又称敏化纳米晶太阳能电池)太阳能电池的发展1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太 阳能电池,效率为4%,于1958年应用到美国的先锋1号 人造卫星上。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进,太阳能电 池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在 太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内 太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火 力发电竞争。目前,年均增长率35%,是能源技术领域发 展最快的行业。4.1 硅系太阳能电池硅太阳能电池工作原理与结构图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 。 当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中 就会存在着一个空穴图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表 示掺入的硼原子,因为硼原子周围只有3个电子,所以就会产生入图所示的蓝色
2、的 空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和,形成P( positive)型半导体。掺入磷原子以后,因为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变 得非常活跃,形成N(negative)型半导体。黄色的为磷原子核,红色的为多余的电子。如下图: P型半导体中含有较多的空穴,而N型半导体中含有较多的电子, 这样,当P型和N型半导体结合在一起时,就会在接触面形成电势 差,这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域 里会形成一个特殊的薄层),界面的P型一侧带负电,N型一侧带 正电。这是由于P型半导体多空穴,N型半导体多自由电子,出 现了浓度差。N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区 ,一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩 散进行。达到平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差 ,这就是PN结。在pn结开路的情况下,光生电流和正向电流相等时,pn结两端建立起稳定的 电势差Voc,(p区相对于n区是正的),这就是光电池的开路电压。如将pn结 与外电路接通,只要光照不停止,就会有源源不断的电流通过电路,p-n结起 了电源的作用。
3、这就是光电池的基本原理。太阳能电池发电原理太阳能电池当光线照射到硅系太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给硅原子,使电子发生越迁成为自由电子,产生新的电子-空穴对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,当外部接通电路时就会形成电流。 硅系太阳能电池的工作原理太阳能电池材料对材料的 基本要求能充分利用太阳能辐射,即半导体的禁带不能 太宽; 有较高的光电转换效率; 材料本身对环境不造成污染; 材料便于工业化生产,材料的性能稳定且经济 硅材料工业硅(又称:结晶硅或金属硅)半导体用硅材料 含硅化合物(SiHCl3, SiH4) 太阳能用硅材料半导体用多晶硅 太阳能用多晶硅(又称:高纯硅或超纯硅) (Solar grade silicon)单晶硅锭 单晶硅锭 多晶硅锭各种硅片 单晶硅片 多晶硅片各种半导体器件 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 4.1.1 单晶硅太阳能电池(Monocrystalline silicon)单晶硅是一种比较活泼的非金属元素,是晶体材料的重要 组成部分。硅的单晶体,具有基本完整的点阵结构的晶体。 不同的方向具有不同的性质
4、,是一种良好的半导材料。单晶硅太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求 99.9999。有的甚至达到99.9999999。制备方法: 将单晶硅棒切成片,一般片厚约0.3毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等 工序,制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片,首先要在硅片上掺杂和扩散,一般掺杂物为微量的 硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片 上形成P/N结。然后采用丝网印刷法,将配好的银浆印在硅片上做成栅线, 经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂覆减反射源,以防大量的 光子被光滑的硅片表面反射掉,至此,单晶硅太阳电池的单体片就制成了 。单体片经过抽查检验,即可按所需要的规格组装成太阳电池组件(太阳 电池板) 目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15左右, 实验室成果也有20以上的。用于宇宙空间站的还有 高达50%以上的太阳能电池板。4.1.2 多晶硅太阳能电池(Polycrystalline silicon)当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。目前太
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