11 太阳电池及材料要点.pptVIP

太阳电池及材料 池玉娟 黑龙江大学　化学系 物理化学实验室 解决人类社会发展在能源需求方面的问题 开发宇宙空间所需的连续不断的能源 地面一次能源的获得 目前地面能源面临的矿物燃料资源减少与环境污染问题 日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题 改善生态环境、控制环境污染 利用太阳光与材料相互作用直接产生电能 是对环境无污染的可再生能源 是21世纪的重要新能源，一些发达国家目前已出巨资并增加技术投入以占领日益扩大的太阳电池市场 原　理 　太阳电池发电的原理是基于光伏效应(photovoltaic effect，PV)，由太阳光的光量子与材料相互作用而产生的电势 地面用太阳电池要形成组件，需将多片太阳电池连接在一起并起支撑与保护作用。 太阳电池组件通常称为光伏组件。 地面用太阳电池的制约因素－成本 材料费用是最大的支出(如晶体硅电池中，材料费占60~80%) 半导体材料的选择、制备工艺与质量直接影响太阳电池的转换效率和成品率 解决这一问题必须依靠材料科学与技术的进步 太阳能 　　太阳是一座聚合核反应堆，发射功率为3.8?1026W，中心温度107K，太阳表面是5743K的黑体。 太阳辐射的光谱所包括的波长为10pm~ 10km，其中99%的能量集中在0.276~4.96?m之间。 地球一年接受太阳的总能量为1.8?108kWh，仅为太阳辐射总能量的20亿分之一，却是现在人类消耗能量的12000倍。在人类使用的能源中，除直接用太阳的光能、热能外，其它所有能源形式均来自于太阳能。 地表与接受太阳辐照的关系 　　对一个具体地理位置而言，太阳对地表面的辐照取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射、气象条件。 1、地球相对太阳的运动的影响 2、大气层对太阳辐射的影响 3、大气质量数 4、日照的地理分布 太阳电池分类 空间用太阳电池 地面用太阳电池 按化学组成及产生电力方式分类 无机半导体太阳电池 有机太阳电池 (利用酞菁锌、聚苯胺、甲基卟啉、聚对苯乙炔等有机半导体形成的异质结或与金属形成的肖特基势垒而产生光伏效应 光化学电池 (是由光子能量转换成电子，电子通过电解质转移到另外的材料，然后向外供电的) 无机半导体太阳电池 制作太阳电池所用的半导体材料 元素半导体 化合物半导体 各种固溶体(物性随组成而改变) 半导体材料的主要性质 能带结构 晶体结构 化学键 载流子的输运 光与半导体相互作用 1、固体的能带结构 　　原子与原子结合形成晶体时，由于原子间电子的相互作用，使原来原子的各自分散的能级形成为准连续的带状结构，简称为能带。 能带为彼此能量相差很小的准连续组。 由于能带的结构不同，形成了金属、半导体和绝缘体。 能带结构是由物质组成决定的，和材料本性具有直接关系 金属的能带结构和其它两类不同 绝缘体在能带结构方面与半导体相似，只是禁带宽度不同 禁带分为直接禁带和间接禁带 1、直接复合 3、俄歇复合 4、表面复合 pn结 半导体与光伏效应 2、光伏效应与太阳电池 (3) 填充因子 (4)转换效率及其影响因素 　　太阳电池的转换效率是首要的关键指标，决定着电池的成本、质量、材料消耗、辅助设施等许多因素 1、禁带宽度 禁带宽度对转换效率的影响是双向的。 一方面禁带宽度增大会使短路电流减小。 因为随着它的增大，能激发光生电流的光子数在减少。 2、温度 　　温度升高会使转换效率下降，这是因为温度升高会造成禁带宽度降低 3、少数载流子的寿命 　 光生载流子产生后，少数载流子要运动到pn结的另一方。在此期间，只有它不被复合，才有可能形成电池电流。 少数载流子寿命除了取决于材料的本性外，主要取决于复合中心的浓度，它是由晶体缺陷和有害杂质浓度构成的。长的寿命还会减少暗电流和提高开路电压 4、掺杂浓度及分布 　　在一定的范围内，掺杂浓度愈高，VOC也随之增高，这有利于转换效率的提高。 但由于载流子的简并效应，过多的掺杂VOC反而会降低，而且少数载流子寿命也会降低。 另外，当掺杂浓度从电池表面的扩散区向结的方向不均匀降低时，可提高光生载流子的收集效率，有利于转换效率的提高 5、光强 　　提高太阳的光的强度有助于提高转换效率。 如将太阳光x倍，一般说ISC与x成正比，这应保证了光强增大，转换效率保持不变。 但另一方面还会发生“场助效应”，即在基区中产生强大的光生电流，这个电流产生一个促使光生载流子流向pn结的电场。 高的光强还可以提高电池的填充因子。 太阳电池大规模应用的有关问题 接受面积问题 产生的能量与负载匹配问题 电池材料的资源问题 发电成本问题 1、接受面积问题 　　虽然太阳到达地面的能量远远超过人类的需求，但是太阳的能量是分散的，为了提