解占壹
摘 要:光-電直接轉(zhuǎn)化是目前將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的最佳途徑,它是將太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為電能,實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的裝置稱為太陽能電池。太陽能電池具有清潔性和靈活性等優(yōu)點,它可大到百萬千瓦的中型電站,也可小到只供一家之需的電池組,這是其他電源很難做到的。本文對太陽能電池的原理及種類作-概括的介紹。
關(guān)鍵詞:原理;電池種類
1 太陽能電池發(fā)電原理
太陽能電池發(fā)電是根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng);值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強度大小無關(guān),只有頻率達到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時,電流才能產(chǎn)生。能夠使半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的最大波長同該半導(dǎo)體的禁帶寬度相關(guān),譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV,因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應(yīng)。太陽電池是一種可以將太陽能轉(zhuǎn)換的光電元件,其基本構(gòu)造是運用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”,它是不導(dǎo)電的,但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì),就可以做成P型與N型半導(dǎo)體,再利用P型半導(dǎo)體有個電子空穴與N型半導(dǎo)體多了一個自由電子的電位差來產(chǎn)生電流,所以當(dāng)太陽光照射時,光能將硅原子中的電子激發(fā)出來,而產(chǎn)生電子和空穴的對流,這些電子和空穴均會受到內(nèi)建電位的影響,分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引,而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來,形成一個回路,這就是太陽電池發(fā)電的原理。
2 太陽能電池的種類
2.1硅系太陽能電池
(1)單晶硅太陽能電池
硅系列太陽能電池中,單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)星單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?,F(xiàn)在單晶硅的電地工藝已近成熟,在電池制作中,一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù),開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。
(2)多晶硅薄膜太陽能電池
通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350 ~450um的高質(zhì)量硅片上制成的,這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料,人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜,但由于生長的硅膜晶粒大小,未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜,人們一直沒有停止過研究,并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法,包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)和等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝。此外,液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2CI2、SiHCIB、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,襯底材料-般選用Si、SiO2、Si3N4等。
中國光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒,并設(shè)計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池,稱之為”硅粒”太陽能電池,但有關(guān)性能方面的報道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少,又無效率衰退問題,并且有可能在廉價襯底材料.上制備,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,而效率高于非晶硅薄膜電池。
(3)非晶硅薄膜太陽能電池
開發(fā)太陽能電池的兩個關(guān)鍵問題就是:提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低,便于大規(guī)模生產(chǎn),普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展,其實早在70年代初,Carlson等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作,近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展,目前世界上已有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料,但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV,使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感,這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外,其光電效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退S- W效應(yīng),使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池,疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一一個或多個P-i-n子電池制得的。
2.2有機聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池
有機聚合物太陽能電池具有多種結(jié)構(gòu)類型,但都呈夾心式。電池的頂部一般為透明的玻璃基底,上面鍍有可透光的金屬薄層作為前電極,一般為銦錫氧化物(ITO)。與前電極接觸的是有機半導(dǎo)體層,它連接一層不透明的金屬作為背電極。當(dāng)外部負(fù)載通過金屬導(dǎo)線與兩個電極相連時,就形成一個太陽能電池,它的光伏效應(yīng)區(qū)是有機半導(dǎo)體層。按照有機半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu),有機聚合物太陽能電池可以劃分為三大類,即單層結(jié)構(gòu)(單一有機或共軛聚合物材料)、雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
對于聚合物雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池,其有機半導(dǎo)體雙層由共軛聚合物(電子給體,類似于P型硅)和富勒烯或其衍生物(電子受體,類似于N型硅)構(gòu)成,厚度常為100~200nm。常見的電子給體有聚噻吩、聚對苯乙烯撐及其衍生物,其中P3HT(聚3-己基噻吩)在目前應(yīng)用最為普遍。常見的電子受體是PCBM,它是C60的一種可溶性衍生物。這兩種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)示于圖5。通常,ITO電極和有機半導(dǎo)體層之間還夾一層透明導(dǎo)電聚合物修飾層,厚度為30~60nm,以提高電池的性能。
當(dāng)光透過ITO電極照射到有機半導(dǎo)體層上時,層中的電子給體P3HT吸收光子,發(fā)生如圖6所示的過程。在光子的激發(fā)下,P3HT最高占據(jù)軌道上的價電子躍遷到最低空軌道上,最高占據(jù)軌道留下空穴,形成電子空穴對。由于電子給體P3HT最低空軌道的能量比電子受體PCBM最低空軌道的能量高,所以躍遷電子從P3HT的最低空軌道轉(zhuǎn)移到PCBM的最低空軌道上,最終被金屬負(fù)極收集。同時,空穴向ITO正極轉(zhuǎn)移,并被收集。這樣就實現(xiàn)了電子和空穴的分離,產(chǎn)生光電流和光電壓。
有機聚合物單層太陽能電池的結(jié)構(gòu),可以簡單地看做是雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池除去電子受體層。與雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池相比,單層太陽能電池存在電子、空穴復(fù)合率更高等缺點,因此電池轉(zhuǎn)化效率較低。
3 結(jié)語
太陽能是人類取之不盡、用之不竭的能源。在目前創(chuàng)導(dǎo)節(jié)能減排、保護環(huán)境的形勢下應(yīng)大力提倡太陽能利用。
參考文獻
[1]羅揚.太陽能電池的工作原理及種類[J].《科技與生活》,2013(1):166-168.
(作者單位:英利能源(中國)有限公司)