太阳能电池

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太阳能电池(Photo Voltaic Device)

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什么是太阳能电池[1]

  太阳能电池又称为太阳能芯片光电池,也称为半导体太阳能电池,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到,就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,photo 光,voltaics 伏特,缩写为PV),简称光伏。太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件,又叫光伏器件。物质吸收光能产生电动势的现象,称为光生伏打效应(Photovoltaiceffect)。这种现象在液体和固体物质中都会发生。但是,只有在固体中,尤其是在半导体中,才有较高的能量转换效率。

太阳能电池的分类[2]

  太阳能电池多为半导体材料制造,发展至今,已经种类繁多,形式各样。可用各种方法对太阳能电池进行分类,如按照结构的不同分类,按照材料的不同分类,按照用途的不同分类,按照工作方式的不同分类等。

  (1)按照结构分类。按照结构的不同太阳能电池可分为如下几类:

  1)同质结太阳能电池。由同一种半导体材料所形成的PN结或梯度结称为同质结。用同质结构成的太阳能电池称为同质结太阳能电池,如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。

  2)异质结太阳能电池。由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结,用异质结构成的太阳能电池称为异质结太阳能电池,如氧化锡/硅太阳能电池、硫化亚铜/硫化镉太阳能电池、砷化镓/硅太阳能电池等。如果两种异质材料晶格结构相近,界面处的晶格匹配较好,则称为异质面太阳能电池,如砷化铝镓/砷化镓异质面太阳能电池。

  3)肖特基太阳能电池。利用金属一半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池,也称MS太阳能电池,如铂/硅肖特基太阳能电池、铝/硅肖特基太阳能电池等。其原理是基于金属一半导体接触时,在一定条件下可产生整流接触的肖特基效应。目前已发展成为金属一氧化物一半导体(MOS)结构制成的太阳能电池和金属一绝缘体一半导体(MIS)结构制成的太阳能电池。这些又总称为导体一绝缘体一半导体(CIS)太阳能电池。

  4)多结太阳能电池。由多个PN结形成的太阳能电池,又称为复合结太阳能电池,有垂直多结太阳能电池、水平多结太阳能电池等。

  5)液结太阳能电池。用浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池,也称为光电化学电池。

  (2)按材料分类。按材料的不同太阳能电池可分为如下几类:

  1)硅太阳能电池。系指以硅为基体材料的太阳能电池,有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能电池、球状多晶硅太阳能电池等多种。

  2)化合物半导体太阳能电池。系指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池,如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体主要包括:

·晶态无机化合物,如Ⅲ一V族化合物半导体砷化镓、磷化镓、磷化铟、锑化铟等,Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体硫化镉、硫化锌等及其固溶体(如镓铝砷、镓砷磷等)。

·非晶态无机化合物,如玻璃半导体。

·有机化合物,如有机半导体。

·氧化物半导体,如MnO、Cr20s、FeO、Fe203、Cu20等。3)有机半导体太阳能电池。系指用含有一定数量的碳一碳键,且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。有机半导体可分为3类:

·分子晶体,如萘、有机蒽、嵌二萘、酞花菁铜等。

·电荷转移络合物,如芳烃一卤素络合物、芳烃一金属卤化物等。

·高聚物。

  4)薄膜太阳能电池。系指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的以薄膜为基体材料的太阳能电池。通常把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的大致标准,规定其厚度约为1~2μm左右。这些薄膜通常用辉光放电、化学气相沉积、溅射、真空蒸镀等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。非晶硅薄膜太阳能电池是指用非晶硅材料及其合金制造的太阳能电池,也称为无定形硅薄膜太阳能电池,简称a-Si太阳能电池。目前主要有PiN(NIP)非晶硅薄膜太阳能电池、集成型非晶硅薄膜太阳能电池、叠层(级联)非晶硅薄膜太阳能电池等。

  按照太阳能电池的结构来分类,其物理意义比较明确,因而我国国家标准将其作为太阳能电池型号命名方法的依据。此外,按照应用还可将太阳能电池分为空间用太阳能电池和地面用太阳能电池两大类。地面用太阳能电池又可分为电源用太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。对太阳能电池的技术经济要求因应用而异:空间用太阳能电池的主要要求是耐辐照性高、光电转换效率高、功率面积比和功率质量比优等;地面电源用太阳能电池的主要要求光电转换效率高、坚固可靠、寿命长、成本低等;地面消费品用太阳能电池的主要要求是薄小轻、美观耐用等。

太阳能电池的基本工作原理[3]

  太阳能是一种辐射能,它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能(或其他光能)变换成电能的能量转换器,就叫做太阳能电池。

  太阳能电池工作原理的基础,是半导体p-n结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应,简单地说,就是当物体受到光照时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应,但在固体尤其是在半导体中,光能转换为电能的效率特别高,因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注,研究得最多,并发明制造出了半导体太阳能电池。

  可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点:①首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。②太阳能电池吸收具有一定能量的光子,激发出非平衡载流子(光生载流子)——电子一空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命,在它们被分离之前不会复合消失。③这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下,电子空穴对被分离,电子集中在一边,空穴集中在另一边,在p-n结两边产生异性电荷的积累,从而产生光生电动势,即光生电压。④在太阳能电池pn结的两侧引出电极,并接E负载,则在外电路中即有光生电流通过,从而获得功率输出,这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能。

参考文献

  1. 贾振航.新农村可再生能源实用技术手册.化学工业出版社,2009.02.
  2. 周志敏,纪爱华.太阳能LED照明技术与工程设计.中国电力出版社,2011.06.
  3. 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术 第二版.化学工业出版社,2009.09.
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