光伏电池

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1、21光伏光伏电电池池张翼飞清华大学物理系基科 05“地球提供的能量足够每个人的需要，但并非人人懂得索取。 ”莫罕达斯卡拉姆昌德甘地 太阳能是一种取之不尽的可再生能源，是所有能源的最终来源，而电能是最高品位的 能源。利用能源的一个美好的憧憬大概就是高效地把太阳能转化成电能，并且价格低廉， 还要运用具有建筑特性的常见的材料，因此可以用这些太阳能电池代替其他的结构（比如 说房顶的瓦片） 。21.1 历历史概史概览览人们已经向着这个美好的梦想努力有一段时间了。在 1839 年，埃德蒙贝克勒尔如果 把装有银质电极的电池放在阳光下，它的电压会提高。在 1833 年，查尔斯埃德加弗瑞 德用锗半导体上覆上一层

2、极薄的金层上，第一次制成了太阳能电池。但他的电池只有不到 百分之一的效率。到了 1954 年，达里尔查平和其他贝尔实验室的科学家用半导体硅制成 了效率达到 6的太阳能电池。截止到现在，设计的提高和改善已经可以把效率提高到 25。21.2 基本原理基本原理阿尔伯特爱因斯坦给光伏电池的工作原理提供了理论支持，并因此获得 1921 年的诺 贝尔物理学奖。像硅和锗之类的物质都是半导体，也就是说点的不良导体，但并不绝缘。 它们都有 4 个最外层电子，这几个电子用来与其它四个硅原子或者锗原子相连而构成正四 面体形晶格。 因为所有的四个价电子都用来形成共价键，在晶格中没有多余的自由电子来形成电流。 然而如果

3、晶体受热或者受到光或短波辐射（也即高能辐射）的照射，一些价电子可以脱离， 进而晶体可以导电。但是能够导电还远远不够：我们需要一个能够在两极之间产生电压的 装置，因而可以使电子产生定向流动。现在应用半导体掺渗技术已经做到了这一点。 半导体掺渗技术要求附加两个半导体结构：n 型和 p 型（n 是负极 p 是正极） 。生产 n 极时， 在硅中掺入极少量（通常是百万分之一）的价电子数为五的原子（通常是磷） 。因为晶体中 的磷原子在构成晶格时，被迫与其他四个最近的原子以共价键结合形成正四面体结构，这 样就空出了一个电子。既然这些电子没有用来成键，想让它们逃逸就变得比较容易，事实 上，大多数这类电子最终会

4、在晶体中自由移动。生产 p 极时，需要引入价电子为三的原子 （例：硼） 。这在晶体中可产生电子空穴。图图 21.1 太阳能电池单元中的 n-p 半导体电荷传播示意图一个太阳能单元同时拥有 n 极和 p 极半导体。P 极和 n 极电极板相对放置用来形成电 场。n 极中的自由电子便会去填充 p 极中的空穴。在这两种材料放到一起之前，它们都是 电中性的：总电子数等于核电荷数。但是一旦组成电池单元情况便不再如此。n 极的电子 移动之后，会产生正电，同理 p 极会产生负电。负电荷产生电场从而阻止更多的电子从连 接处过来而填满所有的空穴（见图 21.1） 。在实质上，我们有一个装置可以使电子单向流 动：二

5、极管。 任何因受光照射而逃逸的自由电子，都会被吸引到电场高电势处，经由连接处流向 n 极。 通过把 n 极和 p 极安放在连接处（经由外部导体）的两侧，这些电子将会慢慢地回到 p 极 半导体处，这样就产生了电流，因而可以用来做功。 为了理解太阳能电池单元的工作细节，尤其是为了解释为什么效率总是低于 100的 根本原因，我们需要考虑自然中光辐射的一些现象。好比热机中的卡诺循环。答案就是自 然观的能量是有限制的。每一个光子或者激发一个电子，或者一个也没有。 （有些情况下会 激发多个电子，但这种情况在太阳光辐射下很罕见。 ）光子的能量，Erad，其能量用焦耳表 示可用如下表达式： Erad=hf 公

6、式公式(21.1) 其中，f 表示以 Hz 为单位的频率，h 表示普朗克常量（6.62610-34Js） 。如果把波长 用 表示，那么电磁波的频率与光速 c（3108m/s）有关： c=f 公式（21.1）可以写作：Erad=hc=210-25 公式公式(21.2)(21.2) 表格 21.1 展示了一些太阳光中典型波长的波通过上面公式计算出的的每个光子的能量。表格表格 21.121.1 太阳光中典型波长光的光子能量波长范围典型波长（m）光子能量（J）紫外线0.36.610-19可见光0.53.010-19短红外1.02.010-19中波红外1.151.710-19远红外2.01.010-19

7、超远红外3.00.6610-19释放一个电子所需的能量（电离能）取决于我们用的半导体材料。比如说，硅 Si，至 少需要 1.710-19J 的能量，相当于波长 1.15m 的光子的能量。这也就意味着如果我们用 硅的话，将近四分之一的太阳光谱中的光（表格 5.4）不能把电子激发。像这些辐射只是 用来“加热”原子（提高电子轨道能量，或提高原子热运动剧烈程度） 。因为我们在讨论一 个量子化现象，很多高能光子仅仅能够激发一个电子，除非它恰恰具有释放两个电子的能 量。因此，这些光子能量中超过 1.710-19J 的部分就又浪费了：又是用来“加热”原子！ 就拿太阳光来说，这等于总能量的三分之一。因此光伏电

8、池理论上的最大效率100- 25+33=42 。事实上的情况更为糟糕。因为半导体的却是“半”导体，它们总是有非 常高的电阻；因此流过的任何电流都会有所损失。此外，在电池单元的连接处和末端总有 损失。综上诸多因素，理论上的最大效率降到了 23。在实际情况中，综合考虑到热效应， 上表面的反射，以及电池组末端对太阳光的阻隔（也就是像隔栅一样） ，光伏电池的效率会 更低（图 21.2） 。图图 21.221.2 一个太阳能电池单元的解剖图BOY96,P98。硅光电池单元就是在 p 极硅质薄片的一侧附上一层 n 极薄片。当一个具有足够能量的光子穿过电池到达两极交界处附近时，与一个硅原子(a)发生碰撞，它

9、释放了一个电子，并留下一个空穴。因此这个电子便有迁移到 n 极的趋势，与此同时那个电子空穴有迁移到 p 极的趋势。这个电子便经由电池表面的集电器，在外电路中产生电流，并重新回到 p 极进入空穴。如果光子的能量大于再次跃迁所需能量，它撞击原子(b)时，会产生一对电子空穴，过剩的能量转化成热能。如果光子能量小于跃迁所需能量时，他会直接穿过电池单元(c） ，所以说它实际上没有释放能量。除此之外，一些光子在电池单元的表面就被反射了，如光子(d)。当然还有一些光子在被锁死在晶体表面的到电极板中。第二版 Boyle.G 著 可再生能源：可持续发展世界的能源，98 页，1996 开放大学提高效率提高效率 显

10、而易见，减小能带间隙时最明显直接的办法，比如说，选择电离能更小的材料。这 意味着之前的一部分波长较长的太阳光讲也能产生电流。不幸的是，事物要一分为二去看， 能带间隙同样决定了电池两极的电压，因此能带间隙降低时，电流我们提高的同时，电压 就会降低。然而功率是电流与电压的乘积，也许光伏电池的功率会降低。然而，我们总会 想出办法，通过用不同材料的半导体砷化镓，铟化铜和碲化镉混合电池单元，我 们用不同的半导体吸收不同的光谱，一些其他的尝试，像增加分界处的透明度，以及添加 防反射膜等。工厂化生产时，制造成本也可以用多种方式降低，比如用多晶晶体或不定型 晶体，都比生产单晶晶体的成本低。21.3 使用技使用

11、技术术晶体硅是熔融的硅围绕一个晶核缓慢长成的。随着晶体不断增长，我们大概可以得到 一个直径 10cm，大概几米长的晶体。整台程序极其复杂，价格昂贵，而且易于出故障：温 度必须严格控制在 1420，误差不能超过 0.1。p 极是用把磷溶解在熔融硅中制成的， n 极则是通过扩散技术制成的不足一微米厚的半导体薄层。既然把 n 极作为上表面，就要 求它足够薄，以使阳光可以通过晶体。在工艺中，我们使用钻石切刀来切割晶体，但不幸 的是，刀口的厚度几乎和晶体薄片厚度相同（0.25nm） ，因此很多材料都被浪费了。 一个完整的电池单元，效率大概在 16%左右。然而，由于硅制薄片是圆弧形的，在一 大群电池单元中

12、间可能会有一些坏死的点，不会产生任何电能。 另一个可行的办法是，把一窄条硅拉过一个规定宽度的塑膜。这个塑膜是九边形的， 因此拉出的窄带也是九边形的，然后再用激光切成一个个小平面。 多晶硅更容易工业化生产，而可以很容易得设计出大的结晶，并用金属锯将其切割。 很遗憾的是，由于它的效率只有 10%，便大大降低了它的效益。因为在电池单元中，有很 多晶胞，电子和空穴很容易在京报交界处进行结合。它主要的优点是，可以制造方形的电 池单元，因而降低了坏点的出现概率。 上面讨论的损失都转变为电池内部的热能，典型情况是温度上升 25。如果环境温度 本身就很高的话，那么电池单元的温度有可能就非常高了（50） 。平均

13、每上升一摄氏度， 效率就会下降 0.4。如果电池温度太高的话，冷却措施就是必要的了。不过如果我们采 取这种策略的话，如果能形成规模的话，从经济效益上讲，可以考虑把光集中到电池上， 从而提高功率。 砷化镓（GaAs）有与硅相似的晶体结构和更高的光吸收率；它也会提供一个更为宽广 的能带间隙。砷化镓制成的电池非常高效而且能够在太阳光汇聚时的高温下运行，但它也 有缺点：价格高昂。 还有一种方式就是用无定形硅。因为它的原子构局比单晶硅要复杂紊乱得多，很多原 子不是与离他们最近的四个原子结合的，留下了一些未成键电子，可以用来吸收其他自由 电子。因此在一定程度上降低了效率。如果一小部分硼溶在氢里面然后用薄片

14、把它安放到 不锈钢附着层上，氢原子可以用来与未成键电子结合。图 21.3 展示了这种一种电池的结构， 在 p 极和 n 极中间加了一层无定形硅。这种结构的电池造价相对更加低廉，但是它们的表 现并不尽人意，差不多在使用一年之后效率就降低到 4。这对像口袋计算器这样的产品 并没有多大影响，因为这样的电器用电量很低，而且比较初级。相似的薄片也可以用来生 产铟化铜、砷化镓和碲化镉太阳能电池。这样的材料从效率上讲都很有应用前景，但是都 含有有害元素，比如镉。图图 21.321.3 无定形硅电池的一种结构BOY96,p107。顶部电路连接处可以导电，一层二氧化锡附着在玻璃上。二氧化硅是一个玻璃和二氧化锡的

15、中间隔层。底部电极是铝制的。中间夹着 p 极，中间层和 n 极第二版 Boyle.G 著 可再生能源：可持续发展世界的能源，107 页，1996 开放大学就像上面所说的，还有其它两种提高效率的方法：分层串联法，尽量宽的洗手太阳光 谱；太阳光收集系统。手机系统其实就是在第二十章中的即热系统的改进版本（当然也需 要降温系统） 。图 21.4 展现了一个多层太阳能电池单元的示意图。无定形硅中渗碳可以吸 收蓝光；渗锗可以吸收红光。电池共有好多层，用来吸收逐渐减少的光辐射。 还有一个更为终极的提高效率的设想，就是在太空中的同步地球卫星轨道上建造太阳 能电站。然后把能量转变为微波辐射，传回地球上的接收站。

16、这将有很多好处。电站将接 受最大强度光辐射长达每天 23 小时，年效率将会比地球上的同样电站提高 12 倍。显而易 见，现阶段还有一些安全因素亟待解决，当然经济上也不太可行。 问题问题 21.121.1 如果太空电站一年需要向地球输送 1GWe的能量。假设太阳能电池单元的效率是 14，并且在微波转化中没有损失，请估算电池板面积。 （假设大气层上空的太阳光功率为 1370W/m2.）21.4 电电学特性学特性运行特性，也就是说，一个太阳能电池的电压 V，以及电流 I，函数关系图像大概是一 个矩形（图 21.5） 。回路中的电流强度跟光照强度成正比，开路电压与光强承兑属关系。 而总功率，我们最看重的电学特性，是电流与电压的乘积。V 和 I 服从欧姆定律最大功率 表示如下： Pmax=Imax-powerVmax-power 公式（公式（21.321.3）图图 21.421.4 多层无定形硅太阳能电池结构BOY96,p110 第二版 Boyle.G 著 可再生能源：