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1、1第第 5 章 太阳能电池章 太阳能电池2主要内容5.4 太阳能电池的性能参数太阳能电池的性能参数5.5 太阳能电池的材料与结构太阳能电池的材料与结构5.6 提高电池光电转换效率的研究提高电池光电转换效率的研究5.2太阳辐照及其频谱太阳辐照及其频谱5.3 太阳能电池原理太阳能电池原理5.1 太阳能电池的发展及应用太阳能电池的发展及应用35.1 太阳能电池的发展及应用太阳能电池的发展及应用背 景背 景传统化石能源传统化石能源不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能太阳能等等 资源丰富、利用方便、
2、洁净无污染资源丰富、利用方便、洁净无污染能源结构调整能源结构调整太阳能利用的重要途径之一是 研制太阳能电池！太阳能利用的重要途径之一是 研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达每年排放的二氧化碳达210万吨 化石能源开采高峰万吨 化石能源开采高峰20202030年年能源耗尽年份能源耗尽年份41954年年美国贝尔实验室制成了世界上第一只扩散美国贝尔实验室制成了世界上第一只扩散pn结单晶硅太阳电池，效率为结单晶硅太阳电池，效率为6%，于，于1958年应用到美国的年应用到美国的先锋先锋1号号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应
3、用地面应用中。一个中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪世纪70年代的年代的1%。目前，年均增长率超过。目前，年均增长率超过35%，是能源技术领域发展最快的行业。是能源技术领域发展最快的行业。太阳能电池的发展太阳能电池的发展5020040060080010001200140016001800其它地
4、区其它地区4.754.64.45.66.359.759.418.720.5 23.42 32.65583.8140274欧洲欧洲10.213.416.4 16.55 21.720.118.830.433.54060.66 86.38 135 190.4 314464日本日本16.819.918.816.716.516.421.2354980128.6 171.2 251 363.9 602762美国美国14.817.118.1 22.44 25.64 34.75 38.855153.760.8 74.97 100.3 120 104.2 139156合计合计46.555.457.9 60.09
5、 69.44 77.688.6 125.8 154.9 201.3 287.7 390.5 561 742.3 1195 16561990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005图图5-1 历年世界太阳电池产量历年世界太阳电池产量6应 用应 用太阳能厕所未来的太阳能车太阳能屋顶太阳能交通信号灯太阳能庭院灯太阳能厕所未来的太阳能车太阳能屋顶太阳能交通信号灯太阳能庭院灯7UV Visible Infrared4 47 7%太阳常数太阳常数S0135 mW/cm2气团（气团（air mass
6、, AM）AM-0AM-1.5评价地面太阳能电池性能的标准条件评价地面太阳能电池性能的标准条件5.2 太阳辐照及其频谱太阳辐照及其频谱100mW/cm2图图5-2 大气层外和地表上的太阳能光谱大气层外和地表上的太阳能光谱85.3 太阳能电池原理太阳能电池原理图图5-3 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理9电子与空穴向电子与空穴向p-n结处运动；电子和空穴在结处运动；电子和空穴在p-n结的内建电场作用下向相反方向运动而分离，产生光生电动势；结两侧与外电路接通后，电路中产生光生电流，实现功率输出。当光子能量大于结的内建电场作用下向相反方向运动而分离，产生光生电动势；结两侧与外电路接通后，电路
7、中产生光生电流，实现功率输出。当光子能量大于 p-n 结禁带宽度后，在结禁带宽度后，在 p区、区、n区和结区光子被吸收会产生电子区和结区光子被吸收会产生电子空穴对；空穴对；105.4 太阳能电池的性能参数太阳能电池的性能参数hLIVLRLRDII5.4.1 太阳能电池的太阳能电池的I-V特性特性图图5-4 太阳能电池的理想等效电路太阳能电池的理想等效电路 1exp0nkTqVIIIL根据上述模型，其根据上述模型，其I-V特性可表示为:特性可表示为:(5-1)11式中式中V 为太阳电池的端电压，为太阳电池的端电压，I0为二极管的反向饱和电流，为二极管的反向饱和电流，IL为与入射光强度成正比的光生
8、电流， 其中为与入射光强度成正比的光生电流， 其中n为为pn结二极管的特性因子。结二极管的特性因子。太阳能电池的伏安特性曲线太阳能电池的伏安特性曲线12LscII当太阳电池的输出端短路时，当太阳电池的输出端短路时，V = 0，由（，由（5-1）式可得到）式可得到短路电流短路电流:即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。当太阳电池的输出端开路时，即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（，由（5-1）和（）和（5-2）式可 得到）式可 得到开路电压开路电压: 1ln0II qnkTVsc oc(5-2)(5-3)5.4.2
9、描述太阳能电池的参数描述太阳能电池的参数(1)短路电流短路电流(1)开路电压开路电压13图图5-5 一个典型的太阳能电池在不同日照下的一个典型的太阳能电池在不同日照下的I-V特性特性14L/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /VIsc /mA(a) 硅太阳电池短路电流L/klx0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc /VIsc /mA(b)硒太阳电池开路电压短路电流图图5-6 Isc 和和 Voc与光强的关系与光强的关系15当负载当负载RL使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率
10、Pm为为: mmmVIP 式中式中 Im 和和 Vm 分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将Voc与与Isc的乘积与最大功率的乘积与最大功率Pm之比定义为之比定义为填充因子填充因子FF，则则scocmmscocm IVIV IVPFF(5-4)(3)填充因子填充因子16图图5-7 太阳能电池的太阳能电池的I-V特性和工作点特性和工作点最佳工作点工作点ImVm17FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳电池的取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳电池的转换效率转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射
11、到太阳电池的总辐射能定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即之比，即%100inm PP(5-5)%100inLoc PIFFV(4)转换效率转换效率18当当h7%的光电转化效率。的光电转化效率。1998年年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。，从而引起了全世界的关注。目前目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达以上，寿命能达1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的年，
12、且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。77Nanowire DSSCs在薄膜太阳电池中起着接收电子和传输电子作用的纳米多孔薄膜在薄膜太阳电池中起着接收电子和传输电子作用的纳米多孔薄膜 ,至少应满足以下至少应满足以下3个条件个条件:(1) 必须有足够大的比表面积必须有足够大的比表面积 ,从而能够吸附大量的染料从而能够吸附大量的染料;(2) 纳米多孔薄膜吸附染料的方式必须保证电子有效地注入薄膜 的导带纳米多孔薄膜吸附染料的方式必须保证电子有效地注入薄膜 的导带;(3) 电子在薄膜中有较快的传输速度电子在薄膜中有较快的传输速度 ,从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合从而减少薄膜中电子和电解质
13、受主的复合.TiO2 薄膜中存在着大量的表面态薄膜中存在着大量的表面态 ,表面态能级位于禁带之中表面态能级位于禁带之中,是局域的是局域的 ,这些局域态构成陷阱这些局域态构成陷阱 ,束缚了电子在薄膜中的运动束缚了电子在薄膜中的运动.78AZO/glassElectrolyte与与 TiO2 相比相比 ,电子在电子在 ZnO中的迁移率大中的迁移率大,能够减少电子在薄膜中的传输时间能够减少电子在薄膜中的传输时间;ZnO的制备方法更加多样化的制备方法更加多样化, 有望进一步降低电池成本。有望进一步降低电池成本。染料敏化太阳能电池网染料敏化太阳能电池网http:/79工作原理工作原理: 有机半导体产生的
14、电子和空穴束缚在激子有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中之中,电子和空穴在界面电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处电极和导电聚合物的结合处)上分离。上分离。研究进展研究进展: 美国加州伯克利分校科学家在美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能有机太阳能电池有机太阳能电池80
15、种类种类材料材料太阳能单电池效率太阳能单电池效率太阳能电池模块效率太阳能电池模块效率主要制备方法主要制备方法优点优点缺点缺点硅系太阳能电池硅系太阳能电池单晶硅单晶硅1524%1320%表面结构化 发射区钝化 分区掺杂表面结构化 发射区钝化 分区掺杂效率最高 技术成熟效率最高 技术成熟工艺繁琐 成本高工艺繁琐 成本高多晶硅多晶硅1017%1015%化学气相沉积法 液相外延法 溅射沉积法化学气相沉积法 液相外延法 溅射沉积法无效率衰退问题 成本远低于单晶硅无效率衰退问题 成本远低于单晶硅效率低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅非晶硅813%510%反应溅射法反应溅射法 PECVD法法 LPCVD法法成本
16、较低 转换效率较高成本较低 转换效率较高稳定性不高稳定性不高太阳电池的种类和特征太阳电池的种类和特征81种类种类材料材料单电池效率单电池效率模块效率模块效率主要制备方法主要制备方法优点优点缺点缺点多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓砷化镓19 32%2330%MOVPE 和和LPE技术技术效率较高 易于规模生产效率较高 易于规模生产成本高原材料镉有剧毒成本高原材料镉有剧毒碲化镉碲化镉10 15%710%铜铟硒铜铟硒10 12%810%真空蒸镀法和硒化法真空蒸镀法和硒化法价格低廉 性能良好 工艺简单价格低廉 性能良好 工艺简单原材料来源比较有限原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池811 %8%溶胶凝胶
