太阳能电池论文

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1、第 1 页 共 9 页太阳能电池原理及发展太阳能电池原理及发展摘摘 要要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力, 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来, 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。关键字关键字太阳能电池；原理；发展；前景 Pick to: the mankind is faced with limited conventional energy and the serious destruction of environment pressure, has bec

2、ome more and more concern of social and environmental issues. In recent years, the rapid development of PV market and has made gratifying achievements. This paper introduces the principle and the development of solar cells, as well as various types of solar battery, compares the various solar cell c

3、onversion efficiency and development foreground.Keywords solar cell; principle; development prospect;1.1.引言引言由于人类对可再生能源的不断需求, 促使人们致力于开发新型能源。太阳在 40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用 1 年, 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略, 是其中最受瞩目的研究热点之一。本文介绍了太阳第 2 页 共 9 页能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。2.2.太阳能电池原理太

4、阳能电池原理太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 PN 结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。3.3.太阳能电池的发展太阳能电池的发展3.1 第一代太阳能电池1954 年，美国贝尔实验

5、室研制出第一块半导体太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元。由于太阳能电池价格昂贵，因此其发展缓慢，当时主要用于航天科技工程。20 世纪 70 年代，由于石油危机，使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓，太阳能电池也进入了快速发展的阶段。近几年太阳电池市场以每年 30%的速度递增。第 3 页 共 9 页目前，第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的 86% 。第一代太阳能电池基于硅晶片基础之上，主要采用单晶体硅、多晶体硅及GaAs 为材料，转换效率为 11%15%。单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。目前，在所有太阳能电池中此种硅片的效率是最高的，因此，采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电

6、池用单晶硅也是目前的发展方向。为了进一步提高太阳能电池效率，近年来大力发展高效化电池工艺，主要有发射极钝化及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。目前使用最广泛的是浇铸法， 此法简单，能耗低， 利于降低成本，但容易造成错位、杂质等缺陷，而导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。由于多晶硅太阳电池存在杂质问题，光电转换效率比单晶硅电池低但成本有所降低。目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问题，为进一步降低成本，基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史舞台。3.2 第二代太阳能电池第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。在薄

7、膜电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上， 大大地减小了半导体材料的消耗（薄膜厚度仅 1um） ，也容易形成批量生产（其单元面积为第一代太阳电池单元面积的 100 倍） ，从而大大地降低了太阳能第 4 页 共 9 页电池的成本。薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉等。多晶硅薄膜太阳能电池技术较为成熟。目前，多晶硅薄膜生长技术主要有液相外延生长法、低压化学气相沉淀法、 快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、 等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和区熔再结晶法等。薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题，但是效率很低。目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6%8%

8、【3】。为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率， 各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。3.3 第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到 95%，而目前标准太阳能电池的理论转换效率上限为 33%， 这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。为了进一步提高太阳能电池的转换效率， 新第 5 页 共 9 页南威尔士大学对太阳能电池中能量损失机理进行了研究。图是太阳能电池能量损失机理的示意图。图中为热损失，和为 PN 结和接触电压损失，为电子-空穴结合所造成的损失。由图可见，造成太阳能电池的能量损失主要是热损失，光生载流子对能很快将

9、能带多余的能量以热的形式损失掉； 另一主要的能量损失是由电子-空穴对的重新结合引起的； 还有一部分能量损失是由 PN 结和接触电压损失引起的。为减少热损失，可以设法让通过太阳能电池的光子能量刚刚大于能带能量，使得光子的能量激发出的光生载流子没有多余的能量可以损失。为减少电子-空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子的寿命，这可以通过消除不必要的缺陷来实现。减小 PN 结的接触电压损失，可以通过聚集太阳光，加大光子密度的方法来实现。 基于以上分析，澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念。当然，目前第三代太阳能电池主要还在进行概念和简单实验研究。第三代太阳能电池主要有前后重叠电池，多能带

10、电池， 热太阳能电池， 热载流子电池，和冲击离子化太阳能电池等。4.4.第三代新型太阳能电池的介绍第三代新型太阳能电池的介绍第 6 页 共 9 页4.1.叠层太阳能电池叠层太阳电池的制备可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳电池，一个是高带宽的，另一个则是低带宽的，然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面；另一种是一体化的方法，电池间通过隧道结串接。在多结叠层串接太阳电池中，由于各分电池由 P-N 结组成，如果直接串联在一起，则由于P-N 结反偏而不导电，采用隧道结结构可以解决这一问题。据分析，无限增加太阳电池的层数，理论上可获得的最高效率为 86.8%。4.2.热光伏电池

11、热光伏技术是将受热高温热辐射体的能量通过半导体 P-N 结电池直接转换成电能的技术。热光伏电池使用一个吸热装置吸收太阳光，再把吸收的能量放出来供给电池，原理如图 11 所示。该装置的温度远低于太阳的温度，因此其辐射的平均光子能量远小于阳光。这些光子中能量较高的被电池吸收转化成电能，而其中能量较小的又被反射回来，容易被吸热装置吸收，用以保持吸热装置的温度。这种方法的最大特点是电池不能吸收的那部第 7 页 共 9 页分能量可以反复利用。5.5.太阳能电池的应用太阳能电池的应用上世纪 60 年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这

12、种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉） 、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、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、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出 1

13、kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。6.6.总结总结第 8 页 共 9 页太阳能光发电是太阳能利用的最佳途径。目前正在进行着从第一代基于硅晶片技术的太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池的过渡。 第一代太阳能电池转换效率为11%15%，但成本太高。第二代太阳能电池成本大大降低，但转换效率只有 6%8%。 为进一步提高效率，同样基于薄膜技术的

14、第三代太阳能电池已经开始研制， 其转换效率将是第一代和第二代太阳能电池的数倍， 它的问世将使人类在太阳能利用的历史上翻开新的一页。参考文献：参考文献：1 赵书利,叶烽,朱刚. 太阳能电池技术应用与发展J. 船电技术, 2010,(04) . 2 太阳能电池的开发趋势J. 中外能源, 2010,(05) .3梁宗存.沈辉.李戮洪.太 GR 能电池及材料J(ufJ l.材料导报 2000,14(8) :38-40.4汀建军.刘金霞.太阳能电池及材料J( u 和发展现状J .浙江万里学 Iii 学报.2006 ,V 195 李丽,张贵友,陈人杰,陈实,吴锋. 太阳能电池及关键材料的研究进展J. 化工

15、新型材料, 2008,(11) .6 王秀波. 太阳能电池概述J. 和田师范专科学校学报, 2010,(06) .7 倪萌,M K Leung,K Sumathy. 太阳能电池研究的新进展J. 可第 9 页 共 9 页再生能源, 2004,(02) . 8卢金军.太阳能电池的)I J%现状和产业发展f.T 1.高新技术.2007.(18):la9 于敏丽,孟红秀. GaAs 叠层太阳能电池技术的研究现状及发展趋势J. 邢台职业技术学院学报, 2007,(03) .10 寿莎,黄仕华. 对太阳能电池研究进展的探究J. 交通节能与环保, 2009,(01) .11 章诗,王小平,王丽军,朱玉传,林石裕,顾应展,田健健,周成琳. 薄膜太阳能电池的研究进展J. 材料导报, 2010,(09) .12 赵宏娟. 太阳能电池工作原理与种类J. 黑龙江科技信息, 2007,(17)13 高晖. 提高太阳能电池效率的新技术J. 世界电子元器件, 1997,(06)