太阳能电池的分类及其技术特点的研究.docx
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太阳能电池的分类及其技术特点的研究
太阳能电池的分类及其技术特点的研究
摘要
太阳能,一般是指太阳光的辐射能量,在现代一般用作发电。
太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。
太阳能发电一种新兴的可再生能源。
太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的能源,对它的开发利用在近几十年来越来越受到人们的重视。
本论文在综合分析太阳能电池基本理论、类型、制备工艺、技术水平等现状的基础上,主要进行了以下几个方面的工作:
1、研究太阳能电池的分类标准及新型太阳能电池
2、对硅太阳能电池的基本特性进行了实验研究,在此基础上对三种太阳能电池(单晶、多晶、非晶硅太阳能电池)进行比较分析。
单晶硅电池的特点是正午强光直射时发电效率最高,其他时间发电效率较低,其成本比较高;非晶硅电池的特点是成本较低、弱光响应特性好,在上下午或阴天都有稳定的发电效率,然而在正午强光直射下,发电效率低;多晶硅电池的成本比较低,发电效率比较高。
如果能将三种电池混合使用,使其优势互补,效果将会更好。
3、重点研究了太阳能电池最大功率跟踪技术,采用脉宽调制的方法实现太阳能电池的最大功率跟踪。
研制的太阳能电池最大功率跟踪控制器在太阳能电池行业得到了广泛的应用。
关键词:
太阳能电池,半导体,光伏技术,最大功率跟踪
Abstract
SolarEnergy,generallyreferstothesun'sradiantenergy,normallyusedinmodernpowergeneration.Theuseofsolarcanbedividedintoenergypassiveuse(thermalconversion)andthephotoelectricconversion.Solarpowerisanewrenewableenergy.
Solarenergyisdeemedtobeneverexhaustedandecologicalpureresource.Theexploitationandusageofsolarenergyhasattractedmoreandmorepeople’sattentioninthepastseveraldecades.
Thispaperanalyzesthesolarcells’basictheory、types、theprocessprinciple、technologygenerally.Theresearchmainlyincludesthefollowingaspects:
1、Studythesolarcelloftheclassificationcriteriaandanewtypeofsolarcell.
2、Investigatedthebasiccharacteristicofthesiliconsolarcells(includingmonocrystalsilicon、polycysticsilicon、amorphoussiliconsolarcell),theexperimentsaredone.Atnoon,thelight-to-electricenergyconversionefficiencyofthesinglecrystalsiliconsolarcellishighestinthetestedsolarcells,butattheothertimetheefficiencyislow;theamorphoussiliconsolarcellworkssteadilyexceptatnoon;thesinglecrystalsilicon’scostishigh,buttheamorphoussilicon’scostislow.Ontheotherhandthepolycrystalsilicon’senergyconversionefficiencyishigher,anditscostislessexpensive.Soiftakethreesolarcellstogether,theirmeritsmaycomplementeachother.
3、Themaximumpowerpointtrackingtechniqueofsolarcellsisstudiedemphasisly.Themaximumpowerpointtrackingofsolarcellisachievedbythemethodpulse-widthmodulation.Themaximumpowerpointtrackingcontrollerisusedextensivelyinthesolarcellindustry,anditreceivesgoodresult.
Keywords:
Solarcell,Semiconducor,Photovoltaictechnique,Maximumpowerpointtracking
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论2
1.1太阳能2
1.1.1太阳光谱的分布2
1.1.2太阳能的特点2
1.2太阳能电池的工作原理2
1.2.1太阳能电池理想化模型2
1.2.2太阳能电池实际模型2
1.3太阳能电池的分类2
1.3.1按结构分类2
1.3.2按材料分类2
1.3.3太阳能电池新材料2
1.3.4太阳能电池新工艺2
第2章太阳能电池基本工艺2
2.1单晶硅太阳能电池的制备工艺2
2.1.1硅片的制备2
2.1.2硅片腐蚀2
2.1.3扩散制结2
2.1.4边缘腐蚀2
2.1.5去磷硅玻璃2
2.1.6减反射膜制备2
2.1.7电极的制备2
2.2非晶硅太阳能电池制备工艺2
2.2.1清洁处理玻璃衬底2
2.2.2蒸镀透明导电膜(TCO)2
2.2.3p层的制备2
2.2.4i层的制备2
2.2.5n层制备2
2.3染料敏化太阳能电池2
2.3.1Grätzel电池的制备工艺2
第3章太阳能电池基本特性实验研究2
3.1无光照实验2
3.2恒定光强实验2
3.3光强对开路电压、短路电流的影响2
3.4晶体硅禁带宽度的测量2
第4章太阳能电池最大功率跟踪技术2
4.1太阳能电池最大功率跟踪技术2
4.2太阳能电池最大功率跟踪器的研制2
4.3最大功率跟踪在太阳能电池的应用2
4.3.1独立光伏发电系统2
4.3.2并网光伏发电系统2
第5章总结2
参考文献2
致谢2
第1章绪论
进入21世纪,世界人口的剧烈增长和环境污染的日益严重,还有能源的枯竭以及生态环境的破坏,使人类对能源尤其是清洁的新能源的开发利用有了更大的需求。
太阳能是一种可再生能源,并且具有取之不尽,功率巨大,使用安全等优点,引起了人们极大的关注,而太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法之一。
近年来太阳能电池的产量以每年30%的速度增长。
预计到本世纪中叶,它将占世界总发电量的15~20%。
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的,是对环境无污染的可再生能源。
它的应用可以解决人类社会发展在能源需求方面的问题。
太阳能是一种储量极其丰富的洁净能源,太阳每年向地面输送的能量高达3×1024焦耳,相当于世界年耗能量的1.5万倍。
因此太阳能电池作为人们利用可持续的太阳能资源,是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。
1.1太阳能
1.1.1太阳光谱的分布
由于太阳和地球距离的变化,在地球大气层上垂直于太阳辐射方向的单位面积上接收到的功率在132.8mW/cm2到141.8mW/cm2之间。
这种辐射的波长约从0.1μm直到几百μm。
为了统一标准,定义在平均日地距离处,垂直于太阳辐射方面的单位面积上接收到的太阳总辐照度为太阳常数,其数值为1367±7W/m2[1]。
在地球大气层外接收到的太阳辐射,未受到地球大气层的发射和吸收,称为大气质量为零,以AM0表示。
太阳辐射在到达地球表面之前,必须通过大气层。
太阳辐射被大气层中的分子及微粒所吸收、散射或反射,因而太阳辐照度将被削弱。
这种削弱还与太阳辐射穿透大气层的距离有关,这又取决于太阳辐射的方向,通常用大气质量(AM)表示。
如图1-1所示。
决定总入射功率的最重要参数是光线通过大气层的路程。
太阳在头顶正上方时,路程最短。
实际路径和此最短路程之比称为光学大气质量。
太阳在头顶正上方时,光学大气质量为1,这时的辐射称为大气质量1(AMl)的辐射。
当太阳和头顶正上方成一个角度θ时,大气质量由下式得出:
(1.1)
因此,当太阳偏离头顶正上方成60°角时,辐射为AM2辐射。
图1-1太阳光入射到地球表面
在不同的大气质量下,垂直于太阳入射方向的单位面积上得到的太阳光谱,分别称为AM1、AM1.5、AM2太阳光谱。
图1-2地球大气外的太阳辐射光谱
图1-2是美国国家航空及宇航局(NASA)和美国材料及试验学会(ASTM)于1977年所测得的地球大气外太阳辐射光谱分布的标准曲线。
太阳光谱是指太阳辐射按波长(频率)分布的特征。
它可以分为无线电波、红外线、可见光、紫外线和射线(如X射线)等,其中可见光又可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。
到地面的太阳辐射中以红外线能量最多,约占50%~70%,可见光比例次之,约占30%~46%,紫外线最少,约占0.1%~4%。
对于单晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池而言,发生光电转换的波段主要集中在可见光范围内。
1.1.2太阳能的特点
太阳能作为一种新能源,与常规能源如化石燃料(煤炭、石油、天然气)及核燃料相比具有下列几个特点:
A.太阳辐射的广泛性
太阳能可谓取之不尽、用之不竭的能源。
这对于山区、沙漠、海岛等交通不便及偏远地区更显示出它的优越性,人们只要一次投资建设好发电设备后,平时的维修费用远比其它能源小。
B.太阳能的清洁性
化石能源在燃烧时会放出大量的各种气体,核燃料工作时要排出放射性废料,它们都会使环境受到污染。
利用太阳能直接发电,可以大大减少环境污染,因此太阳能被称为清洁能源。
C.太阳能的分散性
太阳辐射尽管遍及全球,但每单位面积上的入射功率却很小,因此要得到较大的功率,就需要庞大的受光面积[如10000KW光发电装置,受光照面积需(100000m2)],对于大功率发电,涉及到设备的材料、结构、占用土地等费用问题,目前投资要比其它能源高很多。
D.太阳能的间歇性
太阳的高度角一天内及一年内都在不断变化,且与地面的纬度有关,再加上气候的变化(如阴雨天日照更少),因此太阳能的可用能量是不稳定的。
利用太阳能发电时,必须备有相当容量的储能设备。
总的来说,利用太阳能有其巨大的优点,但也有缺点,因此在考虑太阳能的利用4时,不仅应从技术方面考虑,还应从经济、环保、生态等方面来全面考虑研究。
1.2太阳能电池的工作原理
太阳能电池的原理基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致,所以p型硅和n型硅对外部来说是电中性的。
如果将p型硅或n型硅放在阳光下照射,仅是被加热,外部看不出变化。
尽管光的能量通过电子从化学键中被释放,由此产生电子-空穴对,但在很短的时间内(在微秒范围内)电子又被捕获,即电子和空穴“复合”。
当p型材料和n型材料相接,将在晶体中p型和n型材料之间形成界面,即p-n结。
此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对应。
由于正负电荷之间的吸引力,在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中,并且将在原子作用力允许范围内,与p型材料中的电子缺乏实现平衡。
与此相反,空穴扩散到n型材料中与自由电子复合。
这样在界面层周围形成一个无电荷区域。
在之前p型材料和n型材料是电中性的,这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区:
通过电子到p型材料的迁移在n型形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。
图1-3硅太阳能电池的工作原理图
对不同材料的太阳能电池来说,尽管光谱响应的范围是不同的,但光电转换的原理是一致的。
如图1-3所示,在p-n结的内建电场作用下,n区的空穴向p区运动,而p区的电子向n区运动,最后造成在太阳能电池受光面(上表面)有大量负电荷(电子)积累,而在电池背光面(下表面)有大量正电荷(空穴)积累。
如在电池上、下表面引出金属电极,并用导线连接负载,在负载上就有电流通过。
只要太阳光照不断,负载上就一直有电流通过。
1.2.1太阳能电池理想化模型
太阳能电池实际上就是一个大面积平面二极管,在阳光照射下就可产生直流电。
太阳能电池的能量转换可用理想化等效电路模型来说明,图1-4中IL是入射光产生的恒流源的强度,恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子,IS是二极管饱和电流,RL是负载电阻。
图1-4太阳能电池的理想化等效电路模型
这种器件的理想I-V特性为[5]
(1.2)
其中
q为电子电量,k为波尔兹曼常数;T为绝对温度。
当开路时,I=0,由式(1-1)得到开路电压(opencircuitvoltage)
(1.3)
1.2.2太阳能电池实际模型
对于实际太阳能电池,影响转换效率的主要因素:
一个是串联电阻RS,主要包括正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三部分;另外一个是并联电阻RP,主要原因是电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流引起的。
由于光生电动势使p-n结正向偏置,因此存在一个流经二极管的漏电流,该电流与光生电流的方向相反,会抵消部分光生电流,被称为暗电流ID。
图1-5实际太阳能电池的单二极管等效电路模型[1]。
图1-5p-n结太阳能电池等效电路
太阳能电池最重要的基本参数包括:
短路电流ISC、开路电压VOC、最大工作电压Vm、最大工作电流Im、填充因子FF、转换效率η、串联电阻RS和并联电阻RP。
常用的关系式为填充因子:
转换效率:
(Pin为太阳辐射功率)
对于太阳能电池来说,填充因子FF是一个重要的参数,它可反映太阳能电池的质量。
太阳能电池的串联电阻越小,并联电阻越大,填充因子越大,反映到太阳能电池的电流―电压特性曲线上是曲线接近正方形,此时太阳能电池可以实现很高的转换效率。
1.3太阳能电池的分类
1.3.1按结构分类
1.同质结电池
由同一种半导体材料构成一个或多个p-n结的电池。
如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。
2.异质结电池
用两种不同的半导体材料,在相接的界面上构成一个异质结的太阳能电池。
如氧化铟锡/硅电池、硫化亚铜/硫化镉电池等。
如果两种异质材料晶格结构相近,界面处的晶格匹配较好,则称为异质面电池,如砷化铝镓/砷化镓电池。
3.肖特基结电池
用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的电池,也称MS电池。
目前已发展成金属-氧化物-半导体电池(MOS)和金属-绝缘体-半导体电池(MIS)。
这些又总称为导体-绝缘体-半导体电池。
4.光电化学电池
用浸于电解质中的半导体电极构成的电池,又称为液结电池。
1.3.2按材料分类
A.硅系列太阳能电池
以硅材料为基体的太阳能电池,包括单晶、多晶和非晶硅太阳能电池。
a.单晶硅太阳能电池
硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最成熟[6,7]。
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。
在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。
提高转化效率主要是依靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。
单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下。
要想大幅度降低其成本是非常困难的。
为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。
b.多晶硅薄膜太阳能电池
通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350-450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片由提拉或浇铸的硅锭锯割而成,因此实际消耗的硅材料更多。
为了节省材料,70年代中期人们就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒太小,未能制成有价值的太阳能电池。
为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。
目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积((LPCVD)、等离子增强化学气相沉积((PECVD)和快热化学气相沉积(RTCVD)工艺。
此外,液相外延法((LPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。
多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少,又无效率衰退问题。
并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池[8]。
因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据重要的地位。
c.非晶硅薄膜太阳能电池
开发太阳能电池的两个关键问题膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得到迅速发展,非晶硅是一种很好太阳能电池材料,但由于其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。
此外,其光电效率会随着光照时间的延续而衰减,即所谓的光致衰S-W效应[9],使电池性能不稳定。
解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池,叠层太阳能p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多几个p、i、n子电池制得的。
叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于:
①它把不同禁带宽度的材料组合在一起,提高了光谱的响应范围;②顶电池的i层较薄,光照产生的电场强度变化不大,保证i层中的光生载流子抽出;③底电池产生的载流子约为单电池的一半,光致衰退效应减小;④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多,其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等,反应原料气体为H2稀释的SiH4;衬底主要为玻璃及不锈钢,制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。
非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点,有着极大的潜力。
但同时由于它的稳定性不高,直接影响到它的实际应用。
如果能进一步解决稳定性问题及提高转换效率问题。
那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
B.多元化合物薄膜太阳能电池
为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。
其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉,碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。
上述电池中,尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且又易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。
砷化镓(GaAs)[10]等III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。
GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,因此,是很理想的电池材料。
铜铟硒(CuInSe2)简称CIS[11]。
CIS材料的能隙为1.1eV,适于太阳光的光电转换。
另外,CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。
因此,CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。
CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法:
真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒。
硒化用H2Se叠层膜硒化,但该法难以得到组份均匀的CIS。
CIS作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。
唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展也必然受到限制。
1.3.3太阳能电池新材料
针对于硅太阳能电池光电转换效率不高的情况,国内外在此方面开展了积极的研究工作,目前研究的重点在于太阳能电池本身,主要集中在新材料和新工艺上,这是太阳能研究的一个热点课题。
(1)染料敏化太阳能电池:
研究表明,太阳光谱中紫外光占4%,可见光占43%,TiO2是宽禁带半导体,禁带宽度为3.2ev,吸收位于紫外区,对可见光的吸收较弱。
但当TiO2表面吸附染料后,借助于染料对可见光的良好响应,可将吸收波段拓展到可见光区。
由此构造染料敏化太阳能电池(Grätzel电池)。
1998年,由瑞士M.Grätzel教授领导的研究小组研制的全固态染料化学电池采用固体有机空穴材料取代液体电解质,单色光光电转换效率达到了33%。
目前有报道称Grätzel电池的单色光光电转换效率可达到48%[12]。
(2)化合物半导体太阳能电池:
化合物半导体材料包括铜铟(镓)硒(Cu(InGa)Se2)、碲化镉(CdTe)和Ⅲ-Ⅴ族化合物。
就光伏应用的要求而言,它们比晶体硅材料更为适合。
这是由于化合物半导体材料的禁带宽度为1.4eV,且为直接跃迁材料,所制备的太阳能电池与太阳光谱更匹配、对光的吸收系数更大,使得这些材料容易制备成薄膜电池,电池厚度为2-3个微米即可。
目前这一类电池的最高光电转换效率可达30.28%(Cu(InGa)Se2)[13]。
由于化合物半导体大多数有毒,易对环境造成污染,一般只应用于特殊场合。
(3)有机太阳能电池:
就目前而言,由于硅太阳能电池的制造成本非常昂贵,限制了地面太阳能电池的大规模使用。
在这种情况下,有机凝聚态稳定太阳能电池备受关注。
但目前与无机硅太阳能电池相比,它在转换效率、光谱响应范围、电池稳定性上还有待提高[14]。
1.3.4太阳能电池新工艺
(1)量子阱半导体太阳能电池:
由于量子阱太阳能电池具有高光电转换效率的特性,它已经不断引起发达国家的兴趣与重视。
量子阱半导体太阳能电池的转换效率的理论值可高达63.2%[15]。
到目前为止,关于量子阱半导体太阳能电池转换效率的正式报道来自英国伦敦大学皇家学院K.Barnham教授的研究组,它们的GaAsP/InGaAs多量子阱太阳能电池的转换效率为27%[16]。
(2)高效硅太阳能电池[17]:
通过表面钝化技术,表面V形槽和倒金字塔技术以及双层减反射膜技术、陷光理论的进步和完善,减小了电池表面的反射同时提高了电池对红外光的吸收,提高了电池的光电转换效率。
第2章太阳能电池基本工艺
目前在所有的太阳能电池中发展较为成熟的有单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池,但由于制作工艺复杂,使得生产成本一直居高不下,远不能达到大规模推广应用的要求。
现在越来越多的研究机构致力于研究新型的太阳能电池,其中染料敏化太阳能电池是研究比较多。
下面对几种典型的太阳能电池的制备工艺进行研究。
2.1单晶硅太阳能电池的制备工艺
2.1.1硅片的制备
以SiO2为原料制备多晶硅棒,拉制p型单晶硅,通过切片设备将单晶硅棒切成约300μm的硅片。
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