1、太陽能電池簡介太陽能發(fā)展歷史1839年，法國物理學(xué)家A.E.貝克勒爾(A.E. Becqurel)意外發(fā)現(xiàn)：將兩片金屬浸入溶液，當(dāng)受到光照時，會產(chǎn)生額外的伏打電動勢，他把這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)，簡稱“光伏效應(yīng)”(photovoltaic effect)。1883年，有人在半導(dǎo)體硒和金屬接觸處發(fā)現(xiàn)了固體光伏效應(yīng)。以后人們把能夠產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)的器件稱為光伏器件，半導(dǎo)體PN結(jié)，在太陽光照射下效率最高，這類器件通常稱為太陽能器件。(Solar cell)1954年，恰賓(Charbin)等人在美國貝爾電話實驗室第一次做出了光電轉(zhuǎn)化效率6%的實用單晶硅太陽能電池。太陽能電池的物理基礎(chǔ)能帶理論 導(dǎo)帶價

2、帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體禁帶 3-6 eV0.1-2 eV本征激發(fā)光輻照或熱激發(fā)復(fù)合：自由電子運動過程中遇到空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體特征N型半導(dǎo)體特征-載流子為電子,雜質(zhì)原子為施主原子P型半導(dǎo)體特征-載流子為空穴,雜質(zhì)原子為受主原子電子擴散方向空穴擴散方向P區(qū)N區(qū)空穴電子PN結(jié)1. 基本原理半導(dǎo)體的光敏特性：半導(dǎo)體受光輻照，載流子數(shù)量急劇增加，導(dǎo)電性增強。產(chǎn)生電子空穴對吸收部分發(fā)熱耗散太陽能電池工作原理N區(qū)P區(qū)PN開關(guān)斷開：開路電壓Uoc開關(guān)閉合：短路電流 Isc光生伏打效應(yīng)影響光電流的因素界面電子空穴數(shù)的數(shù)量越大，光電流越大;界面層吸收的光越多，界面層面積越大，光電流越大;太陽能電池的N區(qū)，

3、耗盡區(qū)和P區(qū)均能產(chǎn)生光生載流子;各區(qū)的載流子必須在復(fù)合前越過耗盡區(qū)，才能對光電流有貢獻。太陽能電池的光學(xué)性質(zhì)太陽能電池的光學(xué)性質(zhì)決定太陽能電池的極限效率！本征吸收：原子吸收一個光子后受到激發(fā)，使得一個共價電子變成了自由電子，同時在共價鍵斷裂處留下一個空穴。導(dǎo)帶價帶電子空穴本征吸收的能帶圖能隙寬度(Eg)本征吸收條件：自由光子能量 大于 能隙 寬度(Eg)，光子才能夠產(chǎn)生本征吸收。單晶硅太陽能電池: 理論上限為27% 目前的最大值：24%左右 GaAs太陽能電池：理論上限為28.5% 目前最大值為：24.7%3). 材料的能帶寬度：開路電壓Uoc隨能帶寬度Eg的增大而增大，另一方面，短路電流密度

4、Isc隨Eg的增大而減小，因此期望在某一個確定的Eg下出現(xiàn)太陽能效率的峰值!一般而言Eg介于1.2-1.6 eV的材料做成的太陽能電池，可望達到最高效率。4). 溫度：Uoc隨溫度升高急劇下降，填充因子下降，所以轉(zhuǎn)換效率隨溫度增高而降低！地面應(yīng)用的硅：一般溫度在-4070攝氏度之間空間應(yīng)用的硅太陽能電池：-135125攝氏度之間5). 摻雜濃度：參雜濃度越高，Uoc越高，但過高的參雜會引起帶寬的的變小，少子壽命下降等高參雜效應(yīng)。6). 表面復(fù)合速率：低的表面復(fù)合速率可以提高Isc。硅系太陽能電池單晶硅: 硅的單晶體。具有基本完整的點陣結(jié)構(gòu)的晶體。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。晶體硅的原胞

5、結(jié)構(gòu)單晶硅實物圖制作流程硅棒硅片電池片組件非晶硅: 單質(zhì)硅的一種形態(tài)。棕黑色或灰黑色的微晶體。不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點、密度和硬度也明顯低于晶體硅。非晶硅中光生載流子只有漂移運動而無擴散運動擴散長度很短-復(fù)合-設(shè)計成PIN型I:本征吸收層當(dāng)入射光通過P 進入i層后，產(chǎn)生空穴一電子對，光生載流子一旦產(chǎn)生后就由內(nèi)建電場分開，空穴漂移到p 邊，電子漂移到n邊，形成光生電流和光生電壓。硅系太陽能電池比較1954年，恰賓(Charbin)等人在美國貝爾電話實驗室第一次做出了光電轉(zhuǎn)化效率6%的實用單晶硅太陽能電池。1958年, Kearns和Calvin以鎂酞菁（MgPc）染料，染料層夾在兩

6、個功函數(shù)不同的電極之間。在那個器件上，他們觀測到了200 mV的開路電壓。有機太陽能電池分類: 肖特基型；雙層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)型；混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)型優(yōu)點：成本低，功能易于調(diào)制，柔韌性以及成膜性都比較好。加工過程相對簡單，可低溫操作，器件制作成本比較低?？蓪崿F(xiàn)大面積制造，輕便易攜帶等。不足：材料遷移率低，高體電阻，能量轉(zhuǎn)化率低，材料穩(wěn)定性和耐久性不好，電池壽命短1. 肖特基型ITOAlHOMOLUMO功函數(shù)空穴電子能量真空層透明電極ITO有機材料Al膜厚度100-200nm電流輸出太陽光輻照工作原理流程圖基本過程：光的吸收激子產(chǎn)生激子擴散電子和空穴各自流向異極形成回路有機太陽能電池常用材料小分子材料-一般

7、為染料分子，能夠較好吸收可見光。聚合物材料-必須是導(dǎo)電高分子，聚合物電極材料技術(shù)前景：提高轉(zhuǎn)化效率，可用于手機，mp3染料敏化太陽能電池模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環(huán)境具有重要的意義壽命長：使用壽命可達15-20年工作原理染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；電子擴散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中；處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原，從而完成一個循環(huán)；工作原理S+