1、太陽能發展歷太陽能發展歷史史 1839年，法國物理學家A.E.貝克勒爾(A.E. Becqurel)意外發現意外發現：將兩片金屬浸入溶液，當受到光照時，會產生額外的伏打電動勢，他把這種現象稱為光光生伏打效應生伏打效應，簡稱“光伏效應光伏效應”(photovoltaic effect)。 1883年，有人在半導體硒和金屬接觸處發現了固體光伏效應。以后人們把能夠產生光生以后人們把能夠產生光生伏打效應的器件稱為光伏器件伏打效應的器件稱為光伏器件，半導體PN結，在太陽光照射下效率最高，這類器件通常稱為太陽能器件太陽能器件。(Solar cell) 1954年，恰賓(Charbin)等人在美國貝爾電話實

2、驗室第一次做出了光電轉化效率光電轉化效率6%的實用單晶硅太陽能電池。太陽能電池的物理基礎太陽能電池的物理基礎能帶理論能帶理論 導帶導帶價帶價帶導帶導帶價帶價帶導帶導帶價帶價帶絕緣體絕緣體半導體半導體導體導體禁帶 3-6 eV0.1-2 eV本征半導體特征本征半導體特征a) 原子以共價鍵結合b) 常溫下僅有少數電子通過 熱運動擺脫共價鍵 束縛變成自由電子。a) 電子和空穴成電子和空穴成對出現b) 有能帶寬度有能帶寬度GaAs structure本征激發本征激發光輻照或熱激發復合：復合：自由電子運動過程中遇到空穴雜質半導體特征雜質半導體特征N型半導體特征型半導體特征-載流子為電子載流子為電子,雜質

3、原子為施主原子雜質原子為施主原子P型半導體特征型半導體特征-載流子為空穴載流子為空穴,雜質原子為受主原子雜質原子為受主原子電子擴散方向電子擴散方向空穴擴散方向空穴擴散方向P區N區空穴電子PN結結PN結動態平衡結動態平衡在無外電場作用下在無外電場作用下，在內電場的作用下，位于位于P區區的電的電子向子向N區漂區漂移運移運動動，位于N區的空穴向P區漂移運動。參與擴散運動的多子數目等于參與漂移運動的少子數目，從而達到一種動態平衡，形成PN結。多子：多子：位于P區的空穴或者位于N區的電子少子：少子：位于P區的電子或者位于N區的空穴P區N區1. 基本原理基本原理半導體的光敏特性半導體的光敏特性：半導體受光

4、輻照，載流子數量急劇增加，導電性增強。產生電子空穴對吸收部分發熱耗散太陽能電池工作原理太陽能電池工作原理電子空穴對位于：電子空穴對位于：耗盡區，N區和P區耗盡區：耗盡區：在內電場的作用：耗盡區內產生的電子將向N區運動，空穴向P區運動。耗盡區邊界載流子濃度近似為0。P=n=0N區：區：光生空穴向PN結邊界擴散，一旦到達PN結，立即被內電場牽引做漂移運動，越過耗盡區，進入P區，光生電子（多子）則留在N區。P區：區：光生電子（少子）向PN結邊界擴散，一旦到達PN結，立即被內電池牽引做漂移運動，越過耗盡區，進入N區，光生空穴（多子）則留在P區最終形成與內電場相反的光生電場！最終形成與內電場相反的光生電

5、場！N區區P區區光光生伏打效應生伏打效應光生電場部分抵消PN結內電場，同時使得P區帶正電，N區帶負電，從而在N區和P區的薄層之間就產生了電動勢！-光生伏打效應光生伏打效應開路電壓開路電壓Uoc：PN結兩端開路后的電壓，如：晶體硅大約為0.5-0.6 eV.短路電流短路電流Isc：將外電路短路，外電路中就會有和入射光能量成正比的光電流通過。此電流為短路電流PN開關斷開：開路電壓開關斷開：開路電壓Uoc開關閉合：短開關閉合：短路電路電流流 Isc光生伏打效應光生伏打效應影響光電流的因素影響光電流的因素 界面電子空穴數的數量電子空穴數的數量越大，光電流越大; 界面層吸收的光吸收的光越多，界面層面積界

6、面層面積越大，光電流越大; 太陽能電池的N區區，耗盡區耗盡區和P區區均能產生光光生載流生載流子子; 各區的載流子載流子必須在復合前越過耗盡區復合前越過耗盡區，才能對光電流有貢獻。太陽能電池的光學性質太陽能電池的光學性質太陽能電池的光學性質決定太陽能電池的極限效率！太陽能電池的光學性質決定太陽能電池的極限效率！本征吸收：本征吸收：原子吸收一個光子后受到激發，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。導帶價帶電子空穴本征吸收的能帶圖能隙寬度(Eg)本征吸本征吸收條件：收條件：自自由光子能量由光子能量 大于大于 能隙能隙 寬度寬度(Eg)，光子才能夠產生本征吸收。單晶硅太陽能電

7、池單晶硅太陽能電池: 理論上限為理論上限為27% 目目前的最大值：前的最大值：24%左右左右 GaAs太陽能電池：太陽能電池：理論上限為理論上限為28.5% 目前最大值為：目前最大值為：24.7%2). 輻照效應：輻照效應：太陽能電池受高能離子的輻射，體內產生缺陷，形成一個復合中心。1). 光光生電流的光學損失生電流的光學損失：a. 反射損失反射損失 b. 柵指電極的遮光損失柵指電極的遮光損失 c. 透透射射損失損失影響太陽能電池轉換效率的一些因素：影響太陽能電池轉換效率的一些因素：3). 材材料的能帶寬度：料的能帶寬度：開路電壓Uoc隨能帶寬度隨能帶寬度Eg的增大的增大而增而增大大，另一方面

8、，短路電流密度Isc隨隨Eg的增大而減小的增大而減小，因此期望在某一個確定的因此期望在某一個確定的Eg下出現太陽能效率的峰下出現太陽能效率的峰值值!一般而言一般而言Eg介于介于1.2-1.6 eV的材料做成的太陽能電池，可望的材料做成的太陽能電池，可望達到最高效率。達到最高效率。4). 溫溫度度：Uoc隨溫度升高急劇下降隨溫度升高急劇下降，填，填充因子下降，充因子下降，所以轉換所以轉換效率隨溫度增高而降低！效率隨溫度增高而降低！地地面應用的硅：面應用的硅：一般溫度在-4070攝氏度之間空間應用的硅太陽能電池：空間應用的硅太陽能電池：-135125攝氏度之間5). 摻雜摻雜濃度：濃度：參雜濃度越

9、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。6). 表表面復合速率：面復合速率：低的表面復合速率可以提高Isc。太陽能電池的分類介紹太陽能電池的分類介紹硅太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機化合物太陽能電池納米晶太陽能電池聚合物多層修飾電極型太陽能電池硅系太陽能電池硅系太陽能電池單晶單晶硅硅: 硅的單晶體。具有基本完整的點陣結構的晶體。用用高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成。晶體硅的原胞結構晶體硅的原胞結構單晶硅實物圖單晶硅實物圖制作流程制作流程硅棒硅棒硅片硅片電池片電池片組件組件多晶硅多晶硅: 是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過

10、冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶成多晶硅。2x2x2超晶胞結構超晶胞結構多晶硅實物圖多晶硅實物圖非非晶硅晶硅: 單質硅的一種形態。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。非晶硅中非晶硅中光生載流子只有漂移運動而無擴散運動光生載流子只有漂移運動而無擴散運動擴散長度很擴散長度很短短-復合復合-設計成設計成PIN型型I:本征吸收層本征吸收層當入射光通過當入射光通過P 進入進入i層后，產生空穴一電層后，產生空穴一電子對，光生載流子子對，

11、光生載流子一旦產生后就由內建電一旦產生后就由內建電場分開場分開，空穴漂移到，空穴漂移到p 邊，電子漂移到邊，電子漂移到n邊，邊，形成光生電流和光生電壓。形成光生電流和光生電壓。硅系太陽能電池比較有機太陽能電池有機太陽能電池定義：定義：由有機材料構成核心部分，基于有機半導于有機半導體體的光的光生伏特效應生伏特效應，通過有機材料吸收光子有機材料吸收光子從而實現光電轉換的太陽能電池。 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化效率光電轉化效率6%的實用單晶硅太陽能電池。 1958年, Kearns和Calvin以鎂酞菁（MgPc）染料，染料層夾在兩個功函數不同的電

12、極之間。在那個器件上，他們觀測到了他們觀測到了200 mV的的開路電開路電壓壓。有機太陽能電池分類有機太陽能電池分類: 肖特基型；雙層膜異質肖特基型；雙層膜異質結構型；混合異質結構型結構型；混合異質結構型優點：成本低優點：成本低，功能易于調制，柔韌性以及成膜性都比較好。加工過程相對簡單加工過程相對簡單，可低溫操作，器件制作成本比較低。可實現大面積制造，輕便易攜帶等。不足：不足：材料遷移率低，高體電阻，能量轉化率低，材料遷移率低，高體電阻，能量轉化率低，材料穩定性和耐久性不好，電池壽命短材料穩定性和耐久性不好，電池壽命短1. 肖特基型肖特基型ITOAlHOMOLUMO功函數功函數空穴空穴電子電子

13、能量能量真空層真空層透明電極透明電極ITO有機材料有機材料Al膜厚度膜厚度100-200nm電流輸出電流輸出太陽光輻照太陽光輻照工作原工作原理流程圖理流程圖基本過程：基本過程：光的吸收激子產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有機太陽能電池常用材料小分子材料小分子材料-一般為染料分子，能夠較好吸收可見光。一般為染料分子，能夠較好吸收可見光。聚合聚合物材料物材料-必須是導電高分子，聚合物必須是導電高分子，聚合物電極材料電極材料技技術前景：提高轉化效率，可用于手機，術前景：提高轉化效率，可用于手機，mp3染染料敏化太陽能電池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、工藝技原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，在大面積工業化術相對簡單，在大面積工業化生產中具有較大的優勢，同時生產中具有較大的優勢，同時所有原材料和生產工藝都是所有原材料和生產工藝都是無無毒、無污染的，部分材料可以毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收得到充分的回收，對保護人類，對保護人類環境具有重要的意義環境具有重要的意義壽命長：使用壽命可達壽命長：使用壽命可達15-20年年工作原工作原理理 染料分子受太陽光照射后由基態躍遷至激發態； 處于激發態的染料分子將電子注入到半導體的導帶中；