新能源材料第8講

8.太陽電池材料概述8.1太陽電池與材料8.2太陽電池的工作原理8.3太陽電池大規(guī)模應(yīng)用的有關(guān)問題8.4太陽電池發(fā)展與現(xiàn)狀8.5進入21世紀太陽電池的發(fā)展規(guī)劃8.1太陽電池與材料

按應(yīng)用可將太陽電池分為空間用太陽電池與地面用太陽電池。地面用太陽電池又可分為電源用太陽電池與消費電子產(chǎn)品用太陽電池對每種太陽電池的技術(shù)經(jīng)濟要求不同。空間用太陽電池要求耐輻射、轉(zhuǎn)換效率高、單位電能所需的重量小；地面電源用太陽電池要求發(fā)電成本低、轉(zhuǎn)換效率高；消費電子用太陽電池則要求薄而小、可靠性高等。太陽電池發(fā)電的原理是基于光伏效應(yīng)（PhotovoltaicEffect，亦縮寫PV),由太陽光的光量子與材料相互作用而產(chǎn)生電勢。8.2太陽電池的工作原理如前所述，太陽電池發(fā)電是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。為了探討其工作原理，先簡單介紹太陽能的特征、半導(dǎo)體材料的本性及光伏效應(yīng)的規(guī)律。8.2.1太陽能太陽是一座聚合核反應(yīng)器，發(fā)射功率為3.8×1026W，中心溫度估計為107K。對一個具體的位置而言，太陽對地表的輻射取決于以下幾點：地球相對太陽的運動的影響；大氣層對太陽輻射的影響；大氣質(zhì)量數(shù)；日照的地理分布。8.2.2半導(dǎo)體材料的主要性質(zhì)8.2.2.1固體的能帶結(jié)構(gòu)原子和原子結(jié)合形成晶體時，由于原子間的相互作用，使原來原子的各自分散能級形成能帶。能帶為彼此能量相差很小的準連續(xù)組。由于能帶的結(jié)構(gòu)不同，形成了金屬，半導(dǎo)體和絕緣體。下圖是銅與金剛石的能帶結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述原理可將金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)用示意圖表示如下：能帶結(jié)構(gòu)是由物質(zhì)組成決定的，半導(dǎo)體中的禁帶除大小不同以外還分為直接禁帶和間接禁帶。8.2.2.2載流子的產(chǎn)生和復(fù)合半導(dǎo)體中的載流子有兩種：帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴。按對載流子的貢獻機理，半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是指再材料純度較高的條件下，在一定溫度范圍內(nèi)，材料中的載流子主要來自熱激發(fā)，到達導(dǎo)帶的是電子，這時價帶中就少一個電子，于是成為了空穴。這樣電子濃度和空穴濃度相等，即

n＝p＝ni式中：n為電子濃度；p為空穴濃度；ni為本征激發(fā)電子濃度。

ni2＝np＝Be－ER/kT

式中：k是波爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度；B為常數(shù)。非本征半導(dǎo)體是指載流子一般靠雜質(zhì)提供。如果雜質(zhì)提供的載流子濃度明顯高于本征載流子濃度，那么半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為就被雜質(zhì)載流子所控制，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。在濃度不甚高的而摻入的雜質(zhì)又為淺能級雜質(zhì)時，雜質(zhì)全部電離。假設(shè)摻入的是施主雜質(zhì)，則認為

n＝ND

式中：ND為施主雜質(zhì)的原子濃度。

NDp＝ni2

式中：p值為

p＝ni2/ND平衡載流子：由本征激發(fā)或由雜質(zhì)電離所形成的載流子在既定溫度下處于平衡狀態(tài)。非平衡載流子：由輻射、電注入等形成的載流子。四種復(fù)合機理：直接復(fù)合通過復(fù)合中心復(fù)合俄歇復(fù)合表面復(fù)合8.2.2.3pn結(jié)兩種不同導(dǎo)電類型的材料結(jié)合時，在其交界處形成pn結(jié)，如下所示：8.2.3半導(dǎo)體與光伏效應(yīng)

1）光與半導(dǎo)體的相互作用當光射到半導(dǎo)體時，一部分被反射，一部分被吸收，其余部分則通過，即

A+R+T=1式中：A為吸收率；B為反射率；T為透射率。當一束光強為I0的光垂直入射在半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體內(nèi)離入射表面x處的光強Ix按吸收定律就應(yīng)為

Ix＝I0（1－R）e－ax式中：a為與波長相關(guān)的吸收系數(shù)。當半導(dǎo)體的厚度為d時，透過率可近似表達為

T=I2/I0=(1-R)2e－ad式中：I2為透過光的強度

半導(dǎo)體對光的吸收取決于半導(dǎo)體的禁帶寬度及能帶結(jié)構(gòu)。直接禁帶材料的吸收邊為

hν0＝hc/λ0＝ER，λ0＝1.24/ER

式中：h為布朗克常數(shù)；ν0為吸收邊的頻率；c為光速；λ0＝為吸收邊的波長。當光子于間接禁帶半導(dǎo)體相作用時，形成一個電子－空穴對就必需吸收或放出一個聲子，其吸收邊為

hν0＝ER－EP

式中：EP為聲子能量從圖可以看出，間接禁帶材料，如Si的吸收系數(shù)變化緩慢，而一些直接禁帶材料的變化則很陡。

由于2種半導(dǎo)體材料的光吸收機制不同，吸收必需的太陽能所需的厚度亦不相同如下圖所示：2）光伏效應(yīng)與太陽能電池光伏效應(yīng)：光與半導(dǎo)體的相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，當將所產(chǎn)生的電子－空穴對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極時兩極間就會產(chǎn)生電勢，稱此為光生伏打效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。因此太陽電池又稱光伏（PV）器件。

為了方便，以PN結(jié)勢壘來論述光伏效應(yīng)，因為它是最常用的一種。太陽能電池可處于4種狀態(tài)：無光照；有光照，短路；有光照，開路；有光照，有負載。1）短路電流。將太陽電池短路，如圖8－8（a）的情況，所得電流稱為短路電流，是太陽電池的重要參數(shù)之一。2）開路電壓。當電池處于光照下，通過二極管的電流為短路電流同與之相反的二極管的正向電流之和：

I(V)=ISC－I0[eqv/AkT－1]式中：V為二極管電壓；A為二極管的曲線因子；T為溫度；k為波爾茲曼常數(shù)；I0為二極管的反向電流。開路電壓為

VOC=AkT/q

ln（ISC/IO+1）

由于開路時I(V)＝0，此時的電壓為開路電壓，即V=VOC。3）填充因子。當太陽電池上負載R時，所得的負載I-V的曲線如下圖所示。R可以從零到無窮大。當Rm為最大功率點時，它對應(yīng)的最大功率為

Pm＝ImVm式中Im、Vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓。將VOC與ISC的乘積與最大功率Pm之比定義為填充因子FF，則

FF=Pm/VOCISC=VmIm/VOCISCFF為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高。FF取決于入射光強、材料的禁帶寬度、A因子、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。8.2.4轉(zhuǎn)換效率及其影響因數(shù)太陽轉(zhuǎn)化的效率定義為太陽電池的最大功率輸出與照射到太陽電池的總的輻射能Pm之比?？蓪懽鳎?/p>

η＝Pm/Pin＝VOCISCFF/AtPin式中：At為電池面積；Pm為單位面積的太陽能強度。

影響太陽電池效率的因數(shù)主要有六方面：禁帶寬度溫度少數(shù)載流子的壽命摻雜濃度及其分布光強串聯(lián)電阻8.3太陽電池大規(guī)模應(yīng)用的有關(guān)問題太陽電池已有40億余年的歷史。它具有一系列優(yōu)點，但發(fā)展至今產(chǎn)量不到200MW，與世界的能源需求量相差甚遠。8.3.1影響太陽電池發(fā)展的幾個根本問題接受面積問題產(chǎn)生的能量與負載匹配問題電池材料的資源問題發(fā)電成本問題

8.3.2太陽電池主要發(fā)展方向太陽電池追求高的能量轉(zhuǎn)換效率，還要大幅降低成本，同時還涉及到土地資源，礦物資源等諸多因素1）材料與器件結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)研究了各種太陽電池材料，研究開發(fā)的重點逐步集中到硅單晶、硅多晶、非晶硅、碲化鎘等幾種材料體系上。研究雜質(zhì)與缺陷的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性的影響，改善器件結(jié)構(gòu)，以提高器件的轉(zhuǎn)換效率。使用薄膜技術(shù)和剝離技術(shù)。大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)。2）跟蹤與聚光3）空間電站4）組合發(fā)電及并網(wǎng)5）與建筑業(yè)的結(jié)合8.4太陽電池發(fā)展與現(xiàn)狀取得以下成果：各種可能的材料與結(jié)構(gòu)得到了充分的研究，其潛在能力得到充分的發(fā)揮。太陽電池及其組件的成本明顯降低。建立了幾十家有一定規(guī)模的太陽電池組件生產(chǎn)廠家。近幾十年來我國太陽電池的發(fā)展方向是改善太陽電池的轉(zhuǎn)換效率、質(zhì)量穩(wěn)定性、價格等，使之逐步具備國際競爭能力。8.5進入21世紀太陽電池的發(fā)展規(guī)劃8.5.1發(fā)達國家的規(guī)劃由政府撥款支持光伏的科研與開發(fā)加大技術(shù)開發(fā)力度市場牽引公眾自愿支持行動8.5.2發(fā)展中國家的規(guī)劃大多數(shù)發(fā)展中國家尚無發(fā)展太陽電池計劃，購置光伏系統(tǒng)只屬于個人行為。8.5.3我國的發(fā)展規(guī)劃與政策措施1）背景

我國有8億多人在農(nóng)村，尚有28個無電縣、上千個無電村，成千個無電島，約有1.1億人口未用