太陽(yáng)能電池的工作原理及相關(guān)的應(yīng)用

太陽(yáng)能電池的工作原理以及轉(zhuǎn)換效率的提高WorkingPrincipleofSolarCellsandConversionEfficiency作者:韓坤鵬Author:HanKunpeng專業(yè)班級(jí):應(yīng)化11-5Professionalclass:appliedchemistry11-5學(xué)號(hào):11033506studentnumber:11033506摘要:該文重要介紹太陽(yáng)能電池的PN構(gòu)造、工作原理、分類和轉(zhuǎn)化效率的提高辦法。Abstract:thispapermainlyintroducesthePNofsolarcellstructure,workingprinciple,classificationmethodandimprovingtheefficiencyofconversion.核心詞:太陽(yáng)能PN結(jié)電池原理分類效率Keywords:solarenergypnjunctionbatteryprincipleclassificationefficiency引言通過(guò)選做大物實(shí)驗(yàn)（2-2）中的《半導(dǎo)體PN結(jié)物理特性研究》以及《太陽(yáng)能電池基本特性研究》兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，我理解到了太陽(yáng)能電池某些基本知識(shí)，并且結(jié)合日常生活太陽(yáng)能的運(yùn)用，深刻地認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)能的重要地位。另外，隨著環(huán)境污染的加重、溫室效應(yīng)逐步被重視以及能源危機(jī)的突顯，在當(dāng)今世界太陽(yáng)能電池的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)格外的引發(fā)人們的關(guān)注。因此我決定進(jìn)一步地寫(xiě)一篇有關(guān)太陽(yáng)能電池知識(shí)的論文。1、太陽(yáng)能電池的基本原理太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理重要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即光電材料吸取光能后發(fā)生光電子轉(zhuǎn)化，然后在PN結(jié)作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出電能。電池器件其實(shí)就是一種大面積的PN結(jié)。一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí)，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱為PN結(jié)。P型半導(dǎo)體：如由單晶硅通過(guò)特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素構(gòu)成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴；N型半導(dǎo)體：如由單晶硅通過(guò)特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素構(gòu)成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子。這樣當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界處區(qū)域會(huì)形成一種特殊的薄層界面，N型半導(dǎo)體中的一部分電子將擴(kuò)散到P型半導(dǎo)體中去與空穴復(fù)合，P型半導(dǎo)體中的一部分空穴也會(huì)擴(kuò)散到N型半導(dǎo)體中來(lái)與電子復(fù)合，造成界面的N型一側(cè)帶正電，P型一側(cè)帶負(fù)電，形成了一種由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，從而制止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)成平衡后，就形成了一種特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)（圖1）。圖1PN結(jié)的形成過(guò)程當(dāng)太陽(yáng)光照射PN結(jié)實(shí)，如果照射光子能量不不大于材料的禁帶寬度—導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的空隙，那么半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得光能會(huì)釋放電子，同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并擴(kuò)散到PN結(jié)中。由于PN結(jié)本身存在內(nèi)電場(chǎng)，方向從N指向P，擴(kuò)散的光電子會(huì)被電場(chǎng)加速而驅(qū)向N區(qū)，而光生空穴擴(kuò)散到PN結(jié)中后，會(huì)被電場(chǎng)驅(qū)向P區(qū)。于是，就在PN結(jié)的附近形成了與內(nèi)電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)一部分抵消內(nèi)電場(chǎng)，其它部分是P型區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，于是，在PN結(jié)的兩端就出現(xiàn)一種穩(wěn)定的電勢(shì)差。如果PN結(jié)外電路連接，在光照射下，就成了個(gè)能夠持續(xù)提供電能的電源，構(gòu)成一種電池---光電池（圖2）。圖2太陽(yáng)能電池工作模擬圖這就是太陽(yáng)能電池的基本原理。2、太陽(yáng)能電池的種類普通來(lái)說(shuō)太陽(yáng)能電池可分為硅基太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池、新型太陽(yáng)能電池。2.1硅基太陽(yáng)能電池該種類電池發(fā)展最長(zhǎng)久、技術(shù)也最成熟，又可分為，單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池。2.1.1單晶硅太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也是最為成熟。為了提高其性能，需要高質(zhì)量單晶硅材料和有關(guān)的成熟的加工解決工藝，普通有表面構(gòu)造化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)。開(kāi)發(fā)的電池重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)化效率重要靠單晶硅表面微構(gòu)造解決和分區(qū)摻雜工藝。北京太陽(yáng)能研究所研制的平面單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)化效率達(dá)成19.79%，刻槽埋柵電極單晶硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)化效率達(dá)8.6%。即使多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)很高，且在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及繁瑣的電池工藝影響，成本高居不下。2.1.2多晶硅太陽(yáng)能電池熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅太陽(yáng)能電池不僅有單晶硅太陽(yáng)能電池的高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命尚有制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)換效率普通為15%---17%。而生產(chǎn)這類電池需要消耗大量的高純硅材料，電耗大，造成成本極高。2.2薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池在減少成本方面比晶體太陽(yáng)能電池含有很大的優(yōu)勢(shì)：一是薄膜化可極大地節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料；二是薄膜電池的材料制備和電池同時(shí)形成，節(jié)省了諸多的工序。其按材料課分為薄膜硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池和有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。其中重要的薄膜電池有非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池。2.3新型太陽(yáng)能電池重要涉及染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池（簡(jiǎn)稱DSSC），其是模仿光合作用原理而研制出的一種新型的光電化學(xué)電池。染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理：以染料分子作為吸光的重要材料，當(dāng)吸取到太陽(yáng)光時(shí)，電子被激發(fā)到高能隙層，但激發(fā)態(tài)是個(gè)不穩(wěn)態(tài)，因此電子必須以最快速度傳輸?shù)骄o鄰的染料分子的導(dǎo)電層內(nèi)，同時(shí)染料分子所失去的電子也能第一時(shí)間從電解質(zhì)中得到回饋。在染料分子導(dǎo)帶中的電子最后通過(guò)電極而傳到外部回路從而產(chǎn)生光生電流。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的提高眾所周知，太陽(yáng)能電池之因此不能快速的推廣和應(yīng)用，是由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高和轉(zhuǎn)換效率低下。其中后者是個(gè)很重要的因素，光伏產(chǎn)業(yè)及太陽(yáng)能電池研究中有種說(shuō)法是，即使是轉(zhuǎn)換效率0.1%的提高那也是很重要的。由此可見(jiàn)，想盡一切方法去不停的提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是含有重要意義的。本文選擇發(fā)展最長(zhǎng)久、技術(shù)也最成熟的硅基太陽(yáng)能電池為例來(lái)探討一下轉(zhuǎn)換效率提高的問(wèn)題。3.1材料構(gòu)造傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池能基于每個(gè)光子產(chǎn)生一種電子空穴對(duì)，因此其理論最大轉(zhuǎn)換效率約為33%。假若構(gòu)建一種能夠基于單個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)的構(gòu)造，從而能夠有效地提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。如美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的科研人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬證明了，運(yùn)用特殊的“硅BC8”構(gòu)造，能夠基于單個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)，大幅提高了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，使其理論的最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)成42%。但是這種“硅BC8”3.2聚光化能夠運(yùn)用拋物面反射鏡為太陽(yáng)能電池聚集太陽(yáng)光，這就形成了聚光型電池。其中，太陽(yáng)光投射到凸透鏡或者拋面鏡上能夠?qū)⑵淠芰刻岣邘资渡踔辽锨П丁＿@樣就能夠提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，也能夠有效地減少材料面積。3.3多結(jié)化不同禁帶寬度的PN結(jié)能夠吸取不同波段的太陽(yáng)光。單一的半導(dǎo)體材料僅能運(yùn)用到太陽(yáng)光譜中能量不不大于和等于禁帶寬度的光子，而當(dāng)制成不同禁帶寬度材料的多結(jié)太陽(yáng)能電池，就能夠?qū)崿F(xiàn)有效地運(yùn)用不同波段的太陽(yáng)光，從而大幅度提高電池效率。3.4表面構(gòu)造能夠在太陽(yáng)能電池的表涂抹某些特殊材料，加強(qiáng)對(duì)入射光的俘獲和制止光反射，從而提高電池的光轉(zhuǎn)換效率。某些太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率見(jiàn)表1。結(jié)束語(yǔ)面對(duì)著石化能源的逐步枯竭和人類生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐步意識(shí)到可再生能源的可持續(xù)發(fā)展的重要性。每個(gè)國(guó)家都面對(duì)著兩個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：氣候變化和能源安全。比較現(xiàn)在被人們所運(yùn)用的多個(gè)能源，其中，太陽(yáng)能應(yīng)當(dāng)是是我們?nèi)祟惼癜l(fā)現(xiàn)的最抱負(fù)的能源生產(chǎn)形式：可再生、無(wú)限量、無(wú)污染。因此即使現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池仍然面臨著生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜和轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，但是光伏產(chǎn)業(yè)仍然在我國(guó)獲得了快速發(fā)展。在我國(guó)成為光伏產(chǎn)業(yè)的最大國(guó)后，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)由于產(chǎn)能過(guò)剩等因素墜入了寒冬，出路在哪里呢？簡(jiǎn)樸地說(shuō)是政策、資源的優(yōu)化整合和公司的轉(zhuǎn)型。然而，毫無(wú)疑問(wèn)的是，太陽(yáng)能電池乃至中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)在將來(lái)的能源構(gòu)造調(diào)節(jié)方面仍然有著不可替代的重要作用。參考文獻(xiàn)：[1]李書(shū)光，張亞萍，朱海豐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，.219~220，307~308[2]王洪，郝梅.太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)潛力（二）[J].中國(guó)三峽,3:79~80[3]吳昊鷹.近幾年太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),31:27~28[4]楊新村.從材料構(gòu)造入手提高電池能效［J］.上海電力1：2~3類種）%（率效