太陽能電池

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太陽能電池(Photo Voltaic Device)

目錄

什麼是太陽能電池[1]

  太陽能電池又稱為太陽能晶元光電池,也稱為半導體太陽能電池,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被光照到,就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,photo 光,voltaics 伏特,縮寫為PV),簡稱光伏。太陽能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉變為電能的器件,又叫光伏器件。物質吸收光能產生電動勢的現象,稱為光生伏打效應(Photovoltaiceffect)。這種現象在液體和固體物質中都會發生。但是,只有在固體中,尤其是在半導體中,才有較高的能量轉換效率。

太陽能電池的分類[2]

  太陽能電池多為半導體材料製造,發展至今,已經種類繁多,形式各樣。可用各種方法對太陽能電池進行分類,如按照結構的不同分類,按照材料的不同分類,按照用途的不同分類,按照工作方式的不同分類等。

  (1)按照結構分類。按照結構的不同太陽能電池可分為如下幾類:

  1)同質結太陽能電池。由同一種半導體材料所形成的PN結或梯度結稱為同質結。用同質結構成的太陽能電池稱為同質結太陽能電池,如硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池等。

  2)異質結太陽能電池。由兩種禁帶寬度不同的半導體材料形成的結稱為異質結,用異質結構成的太陽能電池稱為異質結太陽能電池,如氧化錫/硅太陽能電池、硫化亞銅/硫化鎘太陽能電池、砷化鎵/硅太陽能電池等。如果兩種異質材料晶格結構相近,界面處的晶格匹配較好,則稱為異質面太陽能電池,如砷化鋁鎵/砷化鎵異質面太陽能電池。

  3)肖特基太陽能電池。利用金屬一半導體界面的肖特基勢壘而構成的太陽能電池,也稱MS太陽能電池,如鉑/硅肖特基太陽能電池、鋁/硅肖特基太陽能電池等。其原理是基於金屬一半導體接觸時,在一定條件下可產生整流接觸的肖特基效應。目前已發展成為金屬一氧化物一半導體(MOS)結構製成的太陽能電池和金屬一絕緣體一半導體(MIS)結構製成的太陽能電池。這些又總稱為導體一絕緣體一半導體(CIS)太陽能電池。

  4)多結太陽能電池。由多個PN結形成的太陽能電池,又稱為複合結太陽能電池,有垂直多結太陽能電池、水平多結太陽能電池等。

  5)液結太陽能電池。用浸入電解質中的半導體構成的太陽能電池,也稱為光電化學電池。

  (2)按材料分類。按材料的不同太陽能電池可分為如下幾類:

  1)硅太陽能電池。系指以硅為基體材料的太陽能電池,有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池等。多晶硅太陽能電池又有片狀多晶硅太陽能電池、鑄錠多晶硅太陽能電池、筒狀多晶硅太陽能電池、球狀多晶硅太陽能電池等多種。

  2)化合物半導體太陽能電池。系指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導體材料製成的太陽能電池,如硫化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等。化合物半導體主要包括:

·晶態無機化合物,如Ⅲ一V族化合物半導體砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、銻化銦等,Ⅱ一Ⅵ族化合物半導體硫化鎘、硫化鋅等及其固溶體(如鎵鋁砷、鎵砷磷等)。

·非晶態無機化合物,如玻璃半導體。

·有機化合物,如有機半導體。

·氧化物半導體,如MnO、Cr20s、FeO、Fe203、Cu20等。3)有機半導體太陽能電池。系指用含有一定數量的碳一碳鍵,且導電能力介於金屬和絕緣體之間的半導體材料製成的太陽能電池。有機半導體可分為3類:

·分子晶體,如萘、有機蒽、嵌二萘、酞花菁銅等。

·電荷轉移絡合物,如芳烴一鹵素絡合物、芳烴一金屬鹵化物等。

·高聚物。

  4)薄膜太陽能電池。系指用單質元素、無機化合物或有機材料等製作的以薄膜為基體材料的太陽能電池。通常把膜層無基片而能獨立成形的厚度作為薄膜厚度的大致標準,規定其厚度約為1~2μm左右。這些薄膜通常用輝光放電、化學氣相沉積、濺射、真空蒸鍍等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池、納米晶薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池等。非晶硅薄膜太陽能電池是指用非晶硅材料及其合金製造的太陽能電池,也稱為無定形硅薄膜太陽能電池,簡稱a-Si太陽能電池。目前主要有PiN(NIP)非晶硅薄膜太陽能電池、集成型非晶硅薄膜太陽能電池、疊層(級聯)非晶硅薄膜太陽能電池等。

  按照太陽能電池的結構來分類,其物理意義比較明確,因而我國國家標準將其作為太陽能電池型號命名方法的依據。此外,按照應用還可將太陽能電池分為空間用太陽能電池和地面用太陽能電池兩大類。地面用太陽能電池又可分為電源用太陽能電池和消費品用太陽能電池兩種。對太陽能電池的技術經濟要求因應用而異:空間用太陽能電池的主要要求是耐輻照性高、光電轉換效率高、功率面積比和功率質量比優等;地面電源用太陽能電池的主要要求光電轉換效率高、堅固可靠、壽命長、成本低等;地面消費品用太陽能電池的主要要求是薄小輕、美觀耐用等。

太陽能電池的基本工作原理[3]

  太陽能是一種輻射能,它必須藉助於能量轉換器才能變換成為電能。這個把太陽能(或其他光能)變換成電能的能量轉換器,就叫做太陽能電池。

  太陽能電池工作原理的基礎,是半導體p-n結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應,簡單地說,就是當物體受到光照時,其體內的電荷分佈狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。在氣體、液體和固體中均可產生這種效應,但在固體尤其是在半導體中,光能轉換為電能的效率特別高,因此半導體中的光電效應引起人們的格外關註,研究得最多,併發明製造出了半導體太陽能電池。

  可將半導體太陽能電池的發電過程概括成如下4點:①首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池錶面上。②太陽能電池吸收具有一定能量的光子,激發出非平衡載流子(光生載流子)——電子一空穴對。這些電子和空穴應有足夠的壽命,在它們被分離之前不會複合消失。③這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池p-n結內建電場的作用下,電子空穴對被分離,電子集中在一邊,空穴集中在另一邊,在p-n結兩邊產生異性電荷的積累,從而產生光生電動勢,即光生電壓。④在太陽能電池pn結的兩側引出電極,並接E負載,則在外電路中即有光生電流通過,從而獲得功率輸出,這樣太陽能電池就把太陽能(或其他光能)直接轉換成了電能。

參考文獻

  1. 賈振航.新農村可再生能源實用技術手冊.化學工業出版社,2009.02.
  2. 周志敏,紀愛華.太陽能LED照明技術與工程設計.中國電力出版社,2011.06.
  3. 王長貴,王斯成.太陽能光伏發電實用技術 第二版.化學工業出版社,2009.09.
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