太陽能電池可行性報告

1、選題意義太陽能是取之不盡，用之不竭的自然資源。它的產(chǎn)生機理是在 HYPERLINK /view/2376.htm t _blank 太陽內(nèi)部進行的由“ HYPERLINK /view/34554.htm t _blank 氫”聚變成“ HYPERLINK /view/20669.htm t _blank 氦”的原子核反應，不停地釋放出巨大的 HYPERLINK /view/14394.htm t _blank 能量，并不斷向 HYPERLINK /view/2496.htm t _blank 宇宙空間輻射能量。太陽能向宇宙空間發(fā)射的輻射功率大約為。相對于其他自然能源，如風能，太陽能的穩(wěn)定性更高

2、，能量密度更大，受地域影響更小。太陽能作為宇宙中最有生命力的能源之一，它孕育了地球上所有生命，然而，這些到達地球大氣層的太陽能約占20億分之一。到達地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被 HYPERLINK /view/9737.htm t _blank 大氣層吸收，其余的到達地球表面，其功率為。也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于燃燒500萬噸 HYPERLINK /view/23985.htm t _blank 煤釋放的熱量。平均在大氣外每平米面積每秒鐘接受的能量大約1367J。然而，地球上生物以光合作用的形式使用的能源只占達到地球表面的0.05%，約。隨著世界工業(yè)化的進

3、程，人類的生存環(huán)境受大了極大的挑戰(zhàn)。然而對能源需求量的不斷增加也加劇了這一緊迫形勢。以大氣污染為例，由于對電能需求量的劇增，火力發(fā)電作為我國主要的發(fā)電方式，燃燒煤等燃料排放出的氣體在一定程度上污染了大氣。因而開發(fā)利用綠色環(huán)保，可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源已成社會發(fā)展的需要，是大勢所趨，也是人類文明和科技發(fā)展的必然結果。太陽能作為最有潛力的可再生能源，具有其他能源無法比擬的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢集中表現(xiàn)在：(1)普遍性。太陽光普照大地，沒有地域的限制無論 HYPERLINK /view/94074.htm t _blank 陸地或 HYPERLINK /view/2860.htm t _blank 海洋，無論

4、 HYPERLINK /view/226164.htm t _blank 高山或 HYPERLINK /view/94076.htm t _blank 島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運輸，從而節(jié)省人力成本和設備成本。(2)環(huán)保性。開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染日益嚴重的今天，太陽能的合理利用必將撐起一片蔚藍的天空。(3)高效性。每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。(4)持久性。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能

5、量是用之不竭的。由此可見，最大限度的開發(fā)和利用太陽能就是人類進入二十一世紀后的重要研究方向。太陽不僅給人類帶來光明，提供食物所需能量，而且還為人類未來能源的發(fā)展指明了方向。太陽能的最有效利用方式之一是將太陽能轉化成電能，電能作為當今通用型能源，并可以根據(jù)需要轉換成為其他形式的能量。太陽能發(fā)電是當今解決能源危機和環(huán)境污染問題的有效手段。然而當今太陽能發(fā)電還處于起始階段，需要進一步研發(fā)性能更優(yōu)越，成本更低廉的光伏電池，從而實現(xiàn)大面積推廣，使之成為主要能源之一。 市場上出售的太陽能電池板分為：單晶硅太陽能電池板，這種電池板穩(wěn)定性好，轉化效率較高，但成本高。單層結晶硅太陽能電池理論效率極限為28%3，

6、實際應用轉化效率為1820%，實驗室目前最高轉化效率為24%；非晶硅(a-Si)太陽能電池理論極限為25.5%，p-i-n結構單節(jié)效率為13%，實驗室在1010cm2上目前最高效率為12%，非晶硅成本低，但是非晶硅太陽能電池穩(wěn)定性差；多晶硅實驗室目前最高效率為18.1%4，成本介于非晶硅和單晶硅之間。太陽能效率達不到理論極限效率的原因主要有：太陽光照射到半導體表面并不能100%被吸收，有一小部分被反射回去；在電池表面或電極有不可避免的電子空穴對復合；光生載流子在半導體材料體內(nèi)有不可避免的復合；形成的光生電流在體內(nèi)由于半導體的串聯(lián)電阻效應而產(chǎn)生焦耳熱；光照射到半導體表面產(chǎn)生一定的熱量。因此，可以

7、通過降低載流子的復合，減小表面發(fā)射及降低串聯(lián)電阻值等方法來提高太陽能電池的能量轉換效率。對于非晶硅太陽能電池，由于光致衰退效應（Steabler-Wronski效應，簡稱S-W效應）導致實驗室效率僅為理論極限效率的一半左右。因此，最大限度的降低S-W效應是提高非晶硅（a-Si）太陽能電池效率的最為有效途徑之一。目前市場上的硅太陽能電池原材料成本占據(jù)整個電池板成本的絕大部分，因此，降低原材料的成本和減少原材料的用量是一條降低整個電池板成本的有效途徑。可以通過改善材料提煉技術，降低提煉設備的成本來降低原材料成本。減少原材料的用量的有效途徑之一是把電池做薄，做成薄膜電池。表1為不同年份我國每峰瓦硅電

8、池平均用硅量。表1 不同年份我國每峰瓦硅電池平均用硅量5年份2004200520062007200820092010克/瓦1311.57.57太陽光譜 太陽光是連續(xù)的電磁波，如圖1所示，太陽光分可見光和不可見光，通常被人類作為能源利用的部分僅為可見光，波長范圍大致為380nm780nm。可見光根據(jù)波長由長到短排序，依次為紅光、橙光、黃光、綠光、藍光、靛光、紫光。綠色植物光合作用吸收的光主要為紅橙光和藍紫光，因此，從一定意義上講，紅橙光和藍紫光孕育了生命。這些可見光在太陽光譜中能量密度最大，所占比例大約為44%，如圖2所示。圖1 太陽光成分圖1圖2 太陽光光譜圖2國內(nèi)外研究現(xiàn)

9、狀 自1954年6，貝爾(Bell)實驗室研究人員D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson報道4.5%效率的單晶硅太陽能電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月后效率達到6%，從此硅太陽能電池便迅速發(fā)展起來。早在1990年，由澳大利亞Green MA教授領導的光伏器件與系統(tǒng)研究中心，對PERL電池進行研究7，電池開路電壓Voc=696.5mV，短路電流Jsc=42.4mA/cm2，填充因子FF=0.8052，光電轉換效率=23.76%。1994年，華中理工大學史濟群8利用激光開槽埋電極技術研制出45cm2的硅太陽能電池電池開路電壓Voc=633mV，短路電流Jsc=36.1mA/cm2,填

10、充因子FF=0.798，光電轉換效率=18.23%。同年，北京有色金屬研究總院周良德9對100mm100mm的P型多晶硅采用單晶的絨面腐蝕工藝和二次擴散吸雜工藝后，研制出的電池最佳性能參數(shù)為開路電壓Voc=565mV，短路電流Jsc=33mA/cm2,填充因子FF=0.7，光電轉換效率=12%。2001年，德國哈根大學R. Hussein10等人對Al/(p) c-Si/(n) a-Si:H/ITO/metal grid 結構的電池進行表面處理后，在1cm2的面積上得到15.3%的光電轉化效率，而表面不進行處理時轉化效率為14.2%。2004年，中科院半導體所李建明等人11把硅太陽能電池板做成

11、V型結構，光電轉換效率由原來的9.97%提高到13.05%，開路電壓由547mV降到538mV，短路電流由24.9437mA/ cm2提高到33.737mA/ cm2，而填充因子僅由0.73下降到0.72。2005年，武漢大學杜樊立等人12采用高少子硅材料并對硅片表面預處理后得到的電池性能參數(shù)為開路電壓Voc650mV ，短路電流Jsc37mA/ cm2 ，填充因子FF75%，光電轉換效率18%。2006年，浙江大學花聚團等人13利用快速熱處理和絲網(wǎng)印刷做電極在大面積(62cm2)單晶硅上研制出開路電壓Voc=564.6mV，短路電流Jsc=30.7mA/cm2,填充因子FF=0.635，光電

12、轉換效率=11.02%的電池。2005年，美國United Solar Ovonic 公司J. Yang 等人14研制出三層a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H 結構如圖3所示太陽能電池。其性能參數(shù)為開路電壓Voc=2357mV，短路電流Jsc=8.57mA/cm2,填充因子FF=0.732，光電轉換效率=14.6%。同年，日本東北大學材料研究所K. Nakajima等人15使用凹面反射鏡聚集光線使Si太陽能電池光電轉化效率由傳統(tǒng)的11.5%提高到12.2%。2007年，德國思加圖特大學物理電子學研究所M. Reuter等人16在50m厚的多晶硅上研制出開路電壓Voc=634mV，短

13、路電流Jsc=36mA/cm2,填充因子FF=0.746，光電轉換效率=17%的電池。同年，日本國家高新科技研究所(AIST)光伏研究中心T. Koida等人17利用高遷移率氫摻雜In2O3技術研制出的a-Si:H/c-Si異質結電池開路電壓Voc=612mV，短路電流Jsc=34.26mA/cm2,填充因子FF=0.767，光電轉換效率=16.6%。同年九月，荷蘭烏德勒支大學（Utrecht University）納米材料德拜研究所R.E.I. Schropp18 等人利用熱絲化學氣相沉積技術（HWCVD）做成多帶隙proto-Si/proto-SiGe/ nc-Si:H三層太陽能電池，呈n

14、-i-p結構，其性能參數(shù)為Voc=1.98V，短路電流Jsc=8.35mA/cm2,填充因子FF=0.66，光電轉換效率=10.9%的電池。2008年，德國太陽能系統(tǒng)夫朗和費（Fraunhofer）研究所F. Clement等人19采用金屬覆蓋多晶硅太陽能電池的背接觸技術（MWT）使電池光吸收能力提高0.5%，最高光電轉化效率為16%，開路電壓Voc=611mV，短路電流Jsc=33.5mA/cm2,填充因子FF=0.78。圖3 三節(jié)電池示意圖14 圖4 凹面聚光太陽能電池原理示意圖15 縱觀國內(nèi)外研究狀況，雖然國外不少機構在轉換效率上不斷的提高，但這些電池生產(chǎn)設備價格極為昂貴，制作工藝和結構

15、復雜，或者由于聚光導致光穩(wěn)定性欠佳。因此，研究一種制造技術相對簡單，設備成本合理，轉化效率較高，穩(wěn)定性良好的光伏電池已經(jīng)迫在眉睫。氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜電池相對晶體硅和多晶硅太陽能電池有如下優(yōu)點： 非晶硅有很高的光學吸收系數(shù)，大多數(shù)太陽光可在表面1處被吸收，因此便于薄膜化，從而節(jié)省原材料成本； 非晶硅薄膜形成條件簡單，在600以下，在玻璃、不銹鋼、陶瓷板柔性塑料片等襯底上，利用化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）方法可形成非晶硅薄膜，易于大規(guī)模生產(chǎn)； 與晶體硅太陽電池比較，非晶硅薄膜太陽電池具有弱光響應好，充電效率高的特性。非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個可見光

16、范圍內(nèi)，幾乎都比單晶硅大一個數(shù)量級，使得非晶硅太陽電池無論在理論上和實際使用中都對低光強有較好的適應，這使得非晶硅太陽能電池更能適應天氣的變化，即使陰雨天氣也能產(chǎn)生電流；非晶硅原料來源廣泛，由于單晶硅目前主要依靠國外進口，因此原材料成為約束單晶硅發(fā)展的瓶頸之一；然而，非晶硅薄膜太陽能電池也存在穩(wěn)定性欠佳，出現(xiàn)光致衰退效應，轉化效率不夠高等問題。目前研究人員在抑制a-Si電池光致衰退方面的主要研究成果是：采用織構的TCO技術，增加a-Si電池的光吸收，降低非晶層的厚度；采用氫稀釋與窗口層技術，提高a-Si的穩(wěn)定性與效率；采用疊層技術，減小非晶硅頂電池的厚度；采用中間層技術，提高頂電池與底電池的電

17、流匹配20 。理論依據(jù)以硅太陽能電池為例，介紹其工作原理與結構21。太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如圖5所示。 圖5 一般半導體主要結構21圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子 當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照圖6所示。 圖6 摻硼后的半導體主要結構21圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positi

18、ve）型半導體。 同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子，如圖7所示。 圖7 摻磷后的半導體主要結構21P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。圖8為PN結結構示意圖。 圖8

19、PN結結構示意圖21當晶片受光照射后，半導體將產(chǎn)生電子空穴對，在PN結內(nèi)電場外，電子空穴對主要以擴散的方式運動，在到達PN結內(nèi)電場邊緣時，電子和空穴分別在內(nèi)電場作用下做漂移運動，N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這個電勢差與內(nèi)電場相反，這就形成了電源，該電源產(chǎn)生的電流流向在半導體內(nèi)部為N極到P極，外電路電流流向為P極到N極。圖 9為結構示意圖。圖9 光照時PN結示意圖21由于半導體不是電的良導體，電子在通過pn結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不

20、能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜（如圖），將反射損失減小到5甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成 HYPERLINK t _blank 太陽能光電板。2硅太陽能電池的生產(chǎn)流程 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350450m的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓

21、化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（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。 化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在 襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環(huán) 節(jié)，目前采用的技術主要有

22、固相結晶法和中區(qū)熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的 太陽能電池轉換效率明顯提高。參考文獻1 HYPERLINK /i?ct=503316480&z=0&tn=baiduimagedetail&word=%CC%AB%D1%F4%B9%E2%C6%D7%CD%BC&in=12357&cl=2&cm=1&sc=0&lm=-1&pn=5&rn=1&di=128644576&ln=67&fr=#pn22 /i?ct=503316480&z=0&tn=baiduimagedetail&word=%CC%AB%D1%F4%B9%E2%C

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