收稿日期:2008-12-23.
基金项目:湖南省科技重大专项项目;长沙市科技计划重大专项项目.光电器件
铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响
周继承1,李 斐1,陈勇民1,赵保星2
(中南大学1.物理科学与技术学院;2.材料科学与工程学院,长沙410083)
摘 要: 利用PC1D 软件模拟了n +/p 2p +结构的单晶硅太阳电池铝背场与硅片厚度对其输
出特性的影响。结果表明,有铝背场时太阳电池获得明显的开路电压、短路电流以及光电转换效率的增益;硅片厚度越小,铝背场对其输出特性的影响越大;在有铝背场情况下,硅片厚度为120μm 时,可获得最大的光电转换效率。
关键词: 单晶硅太阳电池;铝背场;硅片厚度;输出特性中图分类号:O475 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)06-0838-04
Influence of Al 2BSF on Electrical Properties of Monocrystalline Silicon Solar Cells
ZHOU Ji 2cheng 1,L I Fei 1,C H EN Y ong 2min 1,ZHAO Bao 2xing 2
(1.School of Physical Science and T echnology;2.School of Materials Science and E ngineering ,
C entral South U niversity ,Changsha 410083,CHN )
Abstract : The PC1D was used to simulate t he influence of Al 2BSF and wafer t hickness on elect rical p roperties of n +/p 2p +struct ural monocrystalline silicon solar cells.It is found t hat solar cells wit h t he Al 2BSF st ruct ure can gain obvio us open circuit voltage ,short 2circuit current ,as well as p hotoelect ric conversion efficiency ;t he smaller t he wafer t hickness is ,t he bigger of t he effect of Al BSF works o n t he elect rical p roperties ;when t he wafer t hickness is 120m ,t he solar cells can get t he biggest p hotoelect ric conversio n efficiency.
K ey w ords : monocrystalline silicon solar cell ;Al back 2surface 2field ;wafer t hickness ;elect rical p roperties
0 引言
为了降低太阳电池的成本,提高光电转换效
率,生产厂家不断追求减小硅片的厚度,以降低原材料的成本,目前,硅片厚度已由300μm 降到200μm ,相应产生每瓦电能所耗的硅片量减少20%[1]。随着硅太阳电池衬底质量的不断提升,太阳电池的少子寿命也不断增大[224],当少子扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显[528]。因此,为了提高电池的效率,就必须考虑如何降低电池背表面的复合速度。因而研究铝背场、硅片厚度对太阳电池输
出性能的影响就显得十分必要。
本文利用PC1D 仿真软件[829]模拟了铝背场与硅片厚度对n +/p 2p +结构的单晶硅太阳电池输出特性的影响,研究成果可为优化太阳电池生产工艺提供理论依据,并为最终实现太阳电池工艺模拟做技术准备。
1 模型与仿真
PC1D 是微电子器件特性模拟程序,并着重于
光伏器件的模拟,它利用完全耦合的非线性方程模拟分析单晶半导体器件中电子和空穴的准一维传输过程,是一个模拟太阳电池性能较常用的仿真程序,在硅太阳电池物理特性研究方面起着重要作用,并逐渐成为模拟太阳电池软件的行业标准软件。
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图1为单晶硅太阳电池结构图。太阳光从电池右侧n +层射入,依次经过电池的n +层、p 层和p +层。其中前表面n +层和p +层分别连接电池的正电极和背电极,各层材料参数见表1。且设电池表面积为100cm 2,光表面反射率为10%,电子背反射率为78%;少子寿命为33.67μs ,即少子扩散长度为300μm ;前表面的复合速度S p =105cm/s 。本文采用AM1.5光谱,25℃,100mW/cm 2的标准测试条件,模拟了单晶硅太阳电池硅片厚度在50~350μm 变化时,有无铝背场情况下的输出性能。无铝背场时,将背表面复合速度在欧姆接触情
况下设为S n =108cm/s ;有铝背场时,将S n 近似为0。
表1 单晶硅电池的基本参数
性能参数n +2Si p 2Si p +2Si 禁带宽度E g /eV 1.12 1.12 1.12电子亲和势χ/eV 4.5 4.5 4.5相对介电常数ε
11.9
11.9
11.9浅受主浓度N d /cm -30 1.512×1016 5.0×1018
浅施主浓度N a /cm -3 2.0×102000缺陷态密度N t /cm -3 1.0×1014 1.0×1014
1.0×1014
厚度d /μm 0.550~350
20表面复合速率S /(cm/s ) 1.0×105
—0~1.0×108
图1 单晶硅太阳电池结构示意图
2 结果与讨论
2.1 对太阳电池短路电流的影响
图2给出了硅片厚度与电池短路电流间的变化规律。由图2可知,随着硅片厚度h 的减小,无铝背场结构的太阳电池的短路电流随之降低
,有铝背场结构的电池短路电流随硅片厚度的减小先缓慢增大而后减小。比较分析发现,随着硅片厚度的减小,铝背场的作用越来越大,且有铝背场结构的太阳电池至少取得8%的电流增益。
无铝背场时,电池的短路电流随电池厚度的减小而降低。因为太阳电池吸收光子能量产生电子2空穴对,基体材料对入射光的吸收是按I (x )=
I 0exp (-α(λ
)x )规律变化[10211]
(I 0是太阳电池表面
x =0处的入射光强,α(λ
)是太阳电池材料对波长为λ的光的吸收系数,I (x )是表面至太阳电池内x 处
的光强)。单晶硅太阳电池要吸收99%的光所需要的吸收厚度为384μm 。在50~350μm 厚度范围内,随太阳电池厚度的减小,基体不能充分地吸收入射光,从而影响产生电子2空穴对数目,导致太阳电池的短路电流降低。
有铝背场时,只有硅片厚度小于200μm 时,才能很明显地观察到短路电流随着硅片厚度的减小而减小。I sc 的这种变化趋势,本文认为是由于铝背场的高反射率所致。一方面,由于铝背场有助于减小金属与半导体间的接触电阻,从而降低R s 值,提高I sc ;另一方面,硅片厚度小于300μm ,基体不能完全地吸收入射光,部分光到达铝背场处,由于发生高内背表面反射,这种作用的最终结果是基体内总的光生载流子数目几乎不变。且由于硅片厚度变薄,电子2空穴对的产生更接近p 2n 结,因而更有利于p 2n 结对载流子的收集。大量的实验证实,铝背场的这种效应能提高短路电流。本文所得结果与实验观察相吻合。
图2 铝背场对短路电流的影响
2.2 对太阳电池开路电压的影响
图3给出了硅片厚度与电池开路电压间的变化规律。由图3可知,无铝背场时电池的开路电压随着硅片厚度的减小而减小。有铝背场时电池的开路电压则随之增加,但增幅很小。且有铝背场时可比无铝背场时获得明显的开路电压增益,最小处也可达10mV ;随着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池开路电压的影响也是越来越大。
无铝背场结构的背表面的复合速度很高(本文中设置为1.0×108),硅片厚度的减小使这一高复合速度的表面越来越靠近p 2n 结,表面复合的增加
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胜过基体内的复合,使得J 0增加,最终导致V oc 降低。
而有铝背场时,硅片厚度的减小同样也会导致高复合速度的表面越来越接近p 2n 结,但一方面由于p 2p +接触势垒的存在,将阻止p 区光生电子向背表面运动而发生复合,这也就等效降低了背表面对光生电子的复合速度;另一方面到达p 2p +结两侧的光生载流子也将被p 2p +的内建电场分开,从而建立光生电压。由于这两方面的作用使得在有铝背场情况下,单晶硅太阳电池开路电压随着硅片厚度减小而升高
。
图3 铝背场对开路电压的影响
2.3 对太阳电池填充因子的影响
填充因子FF 是指太阳电池最大功率与开路电压与短路电流乘积的比值,是评价太阳电池输出特
性的一个重要参数。它的值越高,表明太阳电池的输出特性越接近于矩形,光电转换效率也就越高
。
图4 铝背场对填充因子的影响
图4给出了硅片厚度与电池填充因子间的变化规律。由图4可知,无铝背场时电池的填充因子随着硅片厚度的减小呈现先缓慢增大,而后迅速减小的趋势。有铝背场时电池的填充因子则随之迅速增大。且随着硅片厚度的减小,铝背场对太阳电池填
充因子的影响越来越大。
目前的研究已经证实[12],影响太阳电池输出特性的内部因素中,串、并联电阻对填充因子的影响最大:串联电阻越小,并联电阻越大,填充因子则随之变大。另一个影响因素则是日照强度。由于本文中采用的是100mW/cm 2的标准测试条件,因而未考虑日照强度的影响。因而在无铝背场情况下,硅片厚度减小,使得R s 值降低,从而填充因子出现增大的趋势。当厚度小于一定值后,由于不能有效的吸收入射光,导致填充因子急剧下降。在有铝背场情况下,填充因子的这种变化趋势是由于硅片厚度减小与p 2p +结均能有效得降低R s 值,从而使得填充因子在硅片厚度减小时迅速增加。
2.4 对太阳电池光电转换效率的影响
本文中η的计算公式为
η=10I sc V oc FF (3)显然为了获得最大转换效率就必然要获得尽可能大
的开路电压、短路电流与填充因子的乘积。根据公式(3)可计算出光电转换效率,结果如图5所示。没有铝背场结构时,光电转换效率随着厚度的减小而减小。有铝背场时光电转换效率则呈现先增大而后减小的趋势,变化幅度很小。有铝背场至少可提高1%的转换效率提升。可以看出,随着硅片厚度的减小,铝背场对提高太阳电池光电转换效率的作用越来越明显
。
图5 铝背场对转换效率的影响
由图2,3,4可知,无铝背场时太阳电池的开路电压、短路电流均随着厚度的减小而减小,填充因子
随着厚度的减小先增大而后急剧减小。那么显然由公式(3)可知,太阳电池的转换效率将随硅片厚度的减小而迅速降低,且降低速度越来越大。
有铝背场时,由于短路电流随着硅片厚度减小而呈一先缓慢增加再减小的趋势,而开路电压与填
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充因子则是随着硅片厚度的减小而增大,那么由公式(3)可知,太阳能电池光电转换效率也将呈现与短路电流一样的变化趋势,只是变化得更缓慢。
通过比较分析可知,在有铝背场时由于硅片厚度的减小会使得开路电压与短路电流呈不降反升的变化趋势,因而为了获得最大光电效率则需要在开路电压、短路电流与填充因子三者之间做一折中。由图可知,在本仿真环境下,当硅片厚度为120μm 时单晶硅太阳电池即获得最大的光电转换效率。
3 结论
1)硅片厚度越小,铝背场对单晶硅太阳电池输出特性的影响就越大;在本模型中,有铝背场情况下,硅片厚度为120μm时就获得最大效率。
2)对没有铝背场结构的电池,其短路电流随着硅片厚度的减小而降低;有铝背场结构的电池,其短路电流则先缓慢增大而后减小,且有铝背场至少取得8%的电流增益。
3),其开路电压随着硅片厚度的减小而降低;有铝背场结构的电池,其开路电压则随之增加,但增幅很小。且有铝背场结构具有明显的开路电压增益,至少可获得10mV的电压增益。
4)对没有铝背场结构的电池,其填充因子随着厚度的减小而先缓慢增大后迅速减小;而有铝背场结构的电池则迅速增大;且厚度越小,铝背场对填充因子的提升越明显。
5)对没有铝背场结构的电池,其光电转换效率随着厚度的减小而减小;而有铝背场结构的电池则先增加而后减小,且至少可提高1%的转换效率。
参考文献:
[1] Mcintosh K R,Cudzinovic M J,Smith D D,et al.The
choice of silicon wafer for the production of low2cost
rear2contact solar cells[C]//3rd World Conference on
Photovoltaic Energy Conversion,Osaka,J apan,2003:
9712974.
[2] Hause J R,Dunbar P M.Performance limitations of
silicon solar cells[J].IEEE Trans.on Electron.
Devices,1977,27(4):3052321.
[3] Kaminskia A,Vandellea B,Favea A,et al.Aluminium
BSF in silicon solar cells[J].Solar Energy Materials&
Solar Cells,2002,72:3732379.
[4] Zhou Jicheng,Li Wenjuan,Zhu Jinbo.Particle swarm
optimization computer simulation of Ni cluster[J].
Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2008,18(2):
4102415.
[5] Munzer K A,Holdermann K T,Schlosser R E,et al.
Thin monocrystalline silicon solar cells[J].IEEE
Trans.on Electron.Devices,1999,46(10):20552 2061.
[6] Brody J,Rohatgi A,Yelundur V.Bulk resistivity
optimization for low2bulk2lifetime silicon solar cells
[J].Progress in Photovoltaics:Research and
Applications,2001,9(4):2732285.
[7] Pysch D,Mette A,G lunze S W.Areview and
comparison of different methods to determine the series
resistance of solar cells[J].Solar Energy Materials&
Solar Cells,2007,91:169821706.
[8] Plekhanov P S,Negoita M D,Tan T Y.Effect of Al2
induced gettering and back surface field on the
efficiency of Si solar cells[J].J.Appl.Phys.,2001,
90(10):538825394.
[9] Del C C,Moehlecke A,Zanesco I,et al.Analysis of a
technology for CZ bifacial solar cells[J].IEEE Trans.
on Electron.Devices,2001,48(10):233722341. [10] Rostron R W.Short circuit current in silicon solar
cells2dependence on cell parameters[J].IEEE Trans.
on Electron.Devices,1972,19(9):102421028. [11] Zhu J M,Shen W Z,Zhang Y H,et al.
Determination of effective diff usion length and
saturation current density in silicon solar cells[J].
Physica B,2005,355:4082416.
[12] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北
京:化学工业出版社,2005.
作者简介:
周继承(1963-),男,湖南宁乡人,博士,教授,目前主要从事微纳电子材料与器件方面的研究。E2mail:jicheng@https://www.wendangku.net/doc/8416658259.html,
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太阳能电池基本原理 基本原理——光生伏特效应 太阳能光伏发电是利用太阳电池的光伏效应原理,直接把太阳辐射能转变为电能的发电方式。典型太阳电池是一个 p-n 结半导体二极管。 光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自由),并在价带内留下一个空穴(自由)——产生了自由电子-空穴对(光生载流子),p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内,以相对稳定的状态存在,直到复合。当载流子复合后,光生电子空穴对将消失,没有电流和功率产生。光生电子-空穴对在耗尽层中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被送进n区,光生空穴则被送进p区。光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。 内建电场 当把N型和P型材料放在一起的时候,在N型材料中,费米能级靠近导带底,在P型材料中,费米能级靠近价带顶,当P型材料和N型材料连接在一起时,费米能级在热平衡时必定恒等,由于在P型材料中有多得多的空穴,它们将向N型一边扩散。与此同时,在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散,在p-n结区产生了耗尽层,即空间电荷区电场,又称为内建电场。
(1)光子吸收:在大部分有机太阳能电池中,因为材料的带隙过高,只有一小部分入射光被吸收,吸收只能达到30%左右。 (2)激子扩散:激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度,否则激子就会发生复合,造成吸收光子的浪费。 (3)电荷分离:对于单层器件,激子在电极与有机半导体界面处离化,对于双层器件,激子在施主-受主界面形成的p-n结处离化。 (4)电荷传输:在有机材料中,电荷的传输是定域态间的跳跃,而不是能带内的传输,这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机半导体材料的低。 (5)电荷收集:电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素,金属与半导体接触时会产生一个阻挡层,阻碍电荷顺利地到达金属电极。 等效电路模型
硅太阳能电池的结构及 工作原理 集团文件版本号:(M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988)
一.引言: 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。?? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍,太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW,较2005年成长19%,整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW,较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年,20世纪80年代末期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW,这种产能一直持续到2002年,产量则只有2MW左右。2002年后,欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前,我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW,同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、
日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上,我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年,尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入,但投入仍然不够,与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励,尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验,在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能,充分发挥政府的示范作用,推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出,太阳能电池市场前景广阔。 在太阳能的有效利用当中;大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。
一.引言: 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源,不产生任何的环境污染。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍,太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW,较2005年成长19%,整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW,较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年,20世纪80年代末期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW,这种产能一直持续到2002年,产量则只有2MW左右。2002年后,欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前,我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW,同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上,我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年,尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入,但投入仍然不够,与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励,尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验,在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能,充分发挥政府的示范作用,推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显
太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志,通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用,它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点,也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中,功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目(约占新材料领域70%比例),并取得了大量研究成果。
探究太阳能电池的输出特性 一、引言 能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 二、实验目的 1、在没有光照时,太阳能电池主要结构为一个二极管,测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线,并求得电压和电流关系的经验公式。 2、测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性,作出伏安特性曲线图,从图中求得它的短路电流 I SC 、开路电压U OC 、最大输出功率Pm 及填充因子 FF , [FF=Pm/(I SC *U OC )]。 三、实验原理 1、太阳能电池工作原理: 太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管,在没有光照时其正向偏压 U 与通过电流I 的关系式为:(1)式中,o I 和β是常数。 )1e (I I U o -?=β (1) 由半导体理论,二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成,如图1所示。 C E 为半导体导电带,V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时,光子会被半导体吸收,产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。
图1 电子和空穴在电场的作用下产生光电流 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成,如图2所示。 图2 太阳能电池的理论模型电路图 图2中,ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流,d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得: 0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ (2) (2)式中,I 为太阳能电池的输出电流,U 为输出电压。由(1)式可得, d sh ph sh s I R U I )R R 1(I --=+ (3) 假定∞=sh R 和0R s =,太阳能电池可简化为图3所示电路。 图3 太阳能电池的简化电路图
太阳能电池板原理
随着全球能源日趋紧张,太阳能成为新型能源得到了大力的开发,其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主,利用光电材料吸收光能后发生光电转换,使它产生电流,那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢?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。当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子—空穴对。这样,光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。
一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射p-n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向型区,空穴被驱向P型区,从而使凡区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。于是,就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结,则在P型和N型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下
面我们以硅太阳能电池为例,详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧,因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,相邻的原子形成共价键。
随着全球能源日趋紧张,太阳能成为新型能源得到了大力的开发,其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主,利用光电材料吸收光能后发生光电转换,使它产生电流,那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢?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。当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子—空穴对。这样,光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射p-n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向型区,空穴被驱向P型区,从而使凡区有过剩的电子,P区有过剩的空穴。于是,就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结,则在P型和N型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例,详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素,它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子,在外电场的作用下产生定向移动,形成电流。高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶),它们的最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子,所以导电性极差,成为绝缘体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧,因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体,即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,相邻的原子形成共价键。
.. 硅基太阳能电池的发展及应用 摘要:太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路,本文介绍了硅基太阳能电池的原理,综述了硅基太阳电池的优点与不足,以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较,硅基太阳能电池在光伏产业中的地位,并展望了发展趋势及应用前景等。 关键词:硅基太阳能电池转换效率 1引言 二十一世纪以来,全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障,可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘,而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿,能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始,在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺,至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%,非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。 目前太阳能电池主要有以下几种:硅太阳能电池,聚光太阳能电池,无机化合物薄膜太阳能电池,有机化合物薄膜太阳能电池,纳米晶薄膜太阳能电池,叠层薄膜太阳能电池等,其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料,薄膜衬底材料,减反射膜材料等【5】。
(图1:太阳能电池的种类) 太阳电池的基本工作原理是:在被太阳电池吸收的光子中,那些能量大于半导体禁带宽度的光子,可以使得半导体中原子的价电子受到激发,在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对,也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动,向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后,立即被内建电场分离,光生电子被推进n区,光生空穴被推进p区。因此,在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累,形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外,还使p型层带正电,n型层带负电,因此产生了光生电动势,这就是光生伏特效应(简称光伏)。
E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性,用实验测得的正向偏压时I ~ U关
系数据,画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下,|对U变化关系,画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA,相关系数0.9996,电流与电压的指数关系得到验证。
2 ?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。
图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ,最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线
填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题
太阳能电池原理开题报告 由于现在社会一直提倡环保节能,那些煤炭、石油、天然气等有污染的资源渐渐被太阳能所替代,每个国家都在尽力研究太阳能这一天然资源,所研究的程度和利用价值,成为了国家发展的代表。目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制 ___,积极生产各种相关的节能新产品。多国家正在制订中 ___太阳能 ___计划,准备在21世纪大规模 ___太阳能,美国能源部推出的是国家光伏计划, ___推出的是阳光计划。我国对太阳能电池的研究 ___工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究 ___的重点放在大 ___太阳能电池等方面。 太阳能现如今被广大的社会所重视。目前,太阳能电池的应用已从军事领域、 ___领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门,尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、岛屿和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。 现如今我们的生活已经离不开这一天然环保的能源,我将利用所学知识,对太阳能电池原理进行分析,使自己更加了解这一热门资源的基本原理、利用价值、发展情况等。这次项目对我的应用能力
也是一次检验和训练;同时可以提高自己实际分析问题和解决问题的能力;加强自己在高速发展的信息社会里的竞争能力。 通过去图书馆和网上查找关于太阳能方面的资料,主要关于太阳能的历史、基本原理、发展情况和现如今社会对太阳能的.的利用发范围等进行阅读,并对有关的重要材料进行研究、分析和归纳,根据自己对太阳能电池的理解和归纳进行进一步研究。 针对这次的题目,首先我将对太阳能的原理进行深入地分析,只有了解了其基本原理,才能让我进行下一步研究,我们太阳能电池的各部分的原理,以及太阳能 ___历史和前景。从以前少数国家 ___到受到全球人民 ___的这一演变过程,应用的范围等。 首先寻找重要资料,找到自己所需要的,利用一个月的时间,将大纲拟定出来,绕后围绕着自己的提纲进行撰写,大概需要两至三个月的时间,在四月中旬定稿,并且修补自己的不足,最终定稿。 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电。光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能。薄膜式太阳能电池的原理等。
1、太阳能电池的基本特性 太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下 1、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构,P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。 2、太阳电池的性能参数 太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。 3 太阳能电池的伏安特性 P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。 2、有关太阳电池的性能参数 1、开路电压 开路电压UOC:即将太阳能电池置于100 mW/cm2的光源照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。 2、短路电流 短路电流ISC:就是将太阳能电池置于标准光源的照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流。 3、大输出功率
太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最
太阳能电池板及其工作原理
太阳能电池板及其工作原理 性能及特点: 太阳能电池分为单晶硅太阳电池(坚固耐用,使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15%。)多晶硅太阳电池(其光电转换效率约14.5%,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低非晶硅太阳电池。)非晶硅太阳能电池(其光电转换率为10%,成本低,重量轻,应用方便。) 太阳能发电原理: 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输,而是应用光学原理,通过光的反射和折射进行直接传输,或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法:基本上有三种方法:通过反射镜及其它光学元件组合,改变阳光的传播方向,达到用能地点;通过光导纤维,可以将入射在其一端的阳光传输到另一端,传输时光导纤维可任意弯曲;采用表面镀有高反
射涂层的光导管,通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能,通过热管可将太阳能传输到室内;将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料,通过车辆或管道等可输送到用能地点;空间电站将太阳能转换为电能,通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程,通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子-空穴对。这样,光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结,则在P型和n型交界面两边形成势垒电场,能将电子驱向n 区,空穴驱向P区,从而使得n区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外,还使P型层带正电,n型层带负电,在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线,接通负载,则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。 太阳能发电原理图如下:
太阳能电池的分类简介 (1)硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为18%)。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降 低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低 廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转 换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%(截 止2011,为17%)。因此,多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2)多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较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,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率 可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热 不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 (3)有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本低等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。 (5)有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉,这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6)染料敏化电池 染料敏化太阳能电池,是将一种色素附着在TiO2粒子上,然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射,生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收,从电极流出进入外电路,再经过用电器,流入电解液,最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低,这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 (7)塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料,能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产,其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟,预计在未来5年到10年,基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 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。太阳能发电有两种方式,一种是光一热一电转换方式,另一种是光一电直接转换方式。其中,光一电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
太阳能电池特性实验仪 能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示,全球剩余煤炭只能维持约216年,石油只能维持45年,天然气只能维持61年,用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面,煤炭、石油等矿物能源的使用,产生大量的CO 2、SO 2等温室气体,造成全球变暖,冰川融化,海平面升高,暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生,给人类带来无穷的烦恼。根据计算,现在全球每年排放的CO 2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主,CO 2的排放量占世界的15%,仅次于美国,所以减少排放CO 2、SO 2广义地说,太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动,周而复始地循环,几十亿年内不会枯竭,因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。 在地球大气圈外,太阳辐射的功率密度为1.353kW /m 等温室气体,已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 2 ,称为太阳常数。到达地球表面时,部分太阳光被大气层吸收,光辐射的强度降低。在地球海平面上,正午垂直入射时,太阳辐射 的功率密度约为1kW /m 2 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气,再驱动汽轮机发电,太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 ,通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大,从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大,用之不竭,而且是不会产生环境污染的绿色能源,所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 与传统发电方式相比,太阳能发电目前成本较高,所以通常用于远离传统电源的偏远地区,2002年,国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”,通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大,太阳能发电的成本下降很快,而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争,太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同,太阳能电池可分为硅太阳能电池,化合物太阳能电池,聚合物太阳能电池,有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 本实验研究单晶硅,多晶硅,非晶硅3种太阳能电池的特性。 实验内容 1. 太阳能电池的暗伏安特性测量 2. 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 3. 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系 4. 太阳能电池的输出特性测量
1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改 进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。Kyocera公司制备的大面 积(225cm2)单电晶太阳能电池转换效率为19.44%,国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发,研制的平面高效单晶硅电池(2cm X 2cm)转换效率达到19.79%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm X 5cm)转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,
现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1.2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350-450μm的高质量硅片 上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬 底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外,液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来 制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反 应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办 法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶 硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主
有机太阳能电池的原理和应用 一、结构和基本原理 目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的,其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料,染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中,电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级,产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取,空穴则被来自高功函数电极的电子填充,由此在光照下形成光电流。理论上,有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时,会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上,他们观测到了200 mV的开路电压,光电转化效率很低。此后二十多年间,有机太阳能电池领域内创新不多,所有报道的器件之结构都类似于1958 年版,只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的,因此效率比较低,现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池 在肖特基型有机太阳能电池的基础上,1986 年,行业内出现了一个里程碑式的突破。 实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物(又称作PV)和铜酞菁(CuPc)组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中,p-型半导体材料(电子给体(Donor),以下简记为D)和n-型半导体材料(电子受体(Acceptor),以下简记为A)先后成膜附着在正负极上(下图)。D 层或者 A 层受到光的激发生成激子,激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子,然后电子经A层传输到电极,空穴经D层传输到对应的电极。1992 年,土耳其人Sariciftci 在美国发现,激发态的电子能极快地从有机半导体分子注 入到C60 分子中,而反向的过程却要慢得多。也就是说,在有机半导体材料与C60 的界面上,激子可以以很高的速率实现电荷分离,而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构,电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域,可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年,Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”,是一种导电聚合物,也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后,以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池 随后,研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念:混合异质结(Bulk Heterojunction)。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中,虽然两层膜的界面有较大的面积,但激子仍只能在界面区域分离,离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低,在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。 而所谓“混合异质结”,就是将给体材料和受体材料混合起来,通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域,在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面(即结面),电荷分离的效率得到了提高。同时,在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极,从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月,大阪大学和大阪市立研究所宣布,成功开发出了单元转换效率高
光伏电池的原理及发展现状 众所周知,太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源,每天到地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量,太阳能开发与利用逐步成府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式,正在全球范围内迅猛发展,其不仅要替代部分化石能源,而且未来将成为世界能源供应的主体,是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏电池的原理,综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。 光伏电池的原理及发展现状1839 年,法国的Edmond Becquerel 发现了光伏效应,即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P- N 结接受太阳光照产生光伏效应,直接将光能转换成电能的能量转换器。1954 年,美国Bell 实验室的G.Pearson 等发明了单晶硅光伏电池,其原理如图1 所示。 图 1 中,太阳光照射到光伏电池表面,其吸收具有一定能量的光子,在内部产生处于非平衡状态的电子-空穴对;在P- N 结内建电场的作用下,电子、空穴分别被驱向N,P 区,从而在P- N 结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消P- N 结内建电场后的多余部分使P,N 区分别带正、负电,于是产生由N 区指向P 区的光生电动势; 当外接负载后,则有电流从P 区流出,经负载从N 区流入光伏电池。图2 为光伏电池等效电路,其中,Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流(1 cm2硅光伏电池的Iph值为16 ~30 mA);ID,Ish分别为P- N 结的正向电流、漏电流;串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成(RS一般<1 );旁漏电阻Rsh 由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致(Rsh一般为几k);RL 为外接负载电阻,IL,UO 分别为光伏电池输出电压、电流;当负载开路(RL= )时,UO即为开路电压Uoc,其与环境温度成反比、与电池面积无关(在100 mW/cm2的光谱辐照度下,硅光伏电池的Uoc一般为450 ~600 mV。与图2 对应的光伏电池解析模型,
如何设计锂离子电池充电器,以从太阳能电池板获得最大电力 作者:Jinrong Qian,德州仪器(TI) 应用工程设计经理和Nigel Smith,TI 系统工程师摘要 太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力,也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。近期,我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。 不过,太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境,如光照强度、时间、地点等因素。电池通常用作能量存储设备,如果太阳能电池板能提供更多电力,就可给电池充电;如果太阳能电池板提供的电力不足,那么反过来电池就给系统供电。我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢?首先,我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性,然后,我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题,从而尽可能地利用太阳能电池。 太阳能电池的I-V 特性 基本上,太阳能电池包括一个p-n 接点,光能(光子)在此使得电子和空穴重新组合,从而产生电流。由于p-n接点的特性类似于二极管,因此我们通常将图1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。 此处插入图1 图1 :太阳能电池的简化电路模型 电流源IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时,几乎所有生成的电流都流经二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说,VOC 值都在0.5V~0.6V
之间,这也是p-n 接点二极管的正常正向电压范围。 并行电阻(RP) 表示实际电池发生的较小漏电流,而Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加,太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说,这对输出电压仅产生很小的影响。 图2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的I-V 特性不同而略有变化,且串联电阻(RS) 也会造成较小的压降,但输出电压基本保持为常量。不过,在某一时刻,通过内部二极管的电流会非常小,导致偏置不足,这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后,当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时,输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC),它与VOC 都是决定电池工作性能的主要参数,因此,我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时,输出电压会下降,最后降为零,这时负载电流为短路电流。 此处插入图2 图2 :典型的太阳能电池I-V 特性 在大多数应用中,理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积,因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值,即所谓的最大功率点(MPP)。在一种极端情况下,输出电压为最大值(VOC),但输出电流为零;在另一种极端情况下,输出电流为最大值(ISC),但输出电压为零。在上述两种情况下,输出电压与电流的乘积均为零,因此,MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明(或通过实验观察到),不管在何种应用,MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处(见图3)。实践中的问题在于,太阳能电池MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化,因此,为了尽可能利用太阳能,系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。