太阳能电池的工作原理及相关的应用.docx

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1、太阳能电池的工作原理以及转换效率的提高Working Principle of Solar Cells and Conversion Efficiency作者：韩坤鹏Author: Han Kunpeng专业班级:应化11-5Professional class: applied chemistry 11-5学号：11033506student number:11033506摘要:该文主要介绍太阳能电池的PN结构、工作原理、分类和转化效 率的提高方法。Abstract: this paper mainly introduces the PN of solar cell structure, w

2、orking principle, classification method and improving the efficiency of conversion.关键词:太阳能PN结 电池 原理 分类 效率Key words: solar energy pn junction battery principle classification efficiency引言通过选做大物实验（2-2）中的半导体PN结物理特性研究 以及太阳能电池基本特性研究两个实验，我了解到了太阳能电池 一些基本知识，并且结合日常生活太阳能的运用，深刻地认识到太阳 能的重要地位。止匕外，随着环境污染的加重、温室效应逐

3、渐被重视以 及能源危机的突显，在当今世界太阳能电池的研究、开辟和生产分外 的引起人们的关注。所以我决定深入地写一篇关于太阳能电池知识的论文。1、太阳能电池的基本原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即光电材料吸 收光能后发生光电子转化，然后在PN结作用下产生电动势，输出电 能。电池器件其实就是一个大面积的PN结。一块单晶半导体中，一部份掺有受主杂质是P型半导体，另一部 分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交壤 面附近的过渡区称为PN结。P型半导体：如由单晶硅通过特殊工艺 掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型 半导体：如由单晶硅通过特殊工艺掺入

4、少量的五价元素组成，会在半 导体内部形成带负电的自由电子。这样当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交壤处 区域会形成一个特殊的薄层界面，N型半导体中的一部份电子将扩散 到P型半导体中去与空穴复合，P型半导体中的一部份空穴也会扩散 到N型半导体中来与电子复合，导致界面的N型一侧带正电，P型 一侧带负电，形成为了一个由N指向P的内建电场，从而阻挠扩散 进 行。达到平衡后，就形成为了一个特殊的薄层形成电势差，这就 是PN结（图1）o川结 + : : 1 / 1N型内建电场图1 PN结的形成过程当太阳光照射PN结子，如果照射光子能量大于材料的禁带宽度 一导带和价带之间的空隙，那末半导体内的原

5、子由于获得光能会释放 电子，同时产生电子-空穴对，并扩散到PN结中。由于PN结本身存 在内电场，方向从N指向P,扩散的光电子会被电场加速而驱向N 区，而光生空穴扩散到PN结中后，会被电场驱向P区。于是，就在 PN结的附近形成为了与内电场方向相反的光生电场。光生电场一部 份 抵消内电场，其余部份是P型区带正电，N区带负电，于是，在 PN结的两端就浮现一个稳定的电势差。如果PN结外电路连接，在 光照 射下，就成为了个能够持续提供电能的电源，构成一个电池一光 电池（图2）o.黑型y图2太阳能电池工作摹拟图这就是太阳能电池的基本原理。2、太阳能电池的种类普通来说太阳能电池可分为硅基太阳能电池、薄膜太阳

6、能电池、 新型太阳能电池。2.1 硅基太阳能电池该种类电池发展最长久、技术也最成熟，又可分为，单晶硅太阳能 电池、多晶硅太阳能电池。2.1.1 单晶硅太阳能电池硅基太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也是 最为成熟。为了提高其性能，需要高质量单晶硅材料和相关的成熟的 加工处理工艺，普通有表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。 开辟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 转化效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。北京太阳能 研究所研制的平面单晶硅电池(2cm X 2cm)转化效率达到19.79%, 刻槽埋栅电极单晶硅电池(5cmx5cm)转化效率达8.6%

7、。虽然多晶硅太阳能电池转换效率已经很高，且在工业生产中占领主导地位，但由于受单晶硅材料价格及繁琐的电池工艺影响，成本高 居不下。2.1.2 多晶硅太阳能电池熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排 列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结 合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅太阳能电池不仅有单晶硅太阳能电池的高转换效率和长寿 命还有制备工艺相对简化的优点，其转换效率普通为15%-17%o而 生产这种电池需要消耗大量的高纯硅材料，电耗大，导致成本极高。2.2 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池在降低成本方面比晶体太阳能电池具有很大的 优势：一是薄膜化可极大地节省昂贵的半导

8、体材料；二是薄膜电池的 材料制备和电池同时形成，节省了不少的工序。其按材料课分为薄膜 硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。 其中主要的薄膜电池有非晶硅薄膜太阳能电池和硫化镉薄膜太阳能 电池。2.3 新型太阳能电池主要包括染料敏化薄膜太阳能电池（简称DSSC）,其是摹仿 光合作用原理而研制出的一种新型的光电化学电池。染料敏化太阳能电池的工作原理：以染料份子作为吸光的主要材 料，当吸收到太阳光时，电子被激发到高能隙层，但激发态是个不稳 态，所以电子必须以最快速度传输到紧邻的染料份子的导电层内，同 时染料份子所失去的电子也能第一时间从电解质中得到回馈。在染料 份子导带中的电子

9、最终经过电极而传到外部回路从而产生光生电流。3、太阳能电池的转换效率的提高众所周知，太阳能电池之所以不能快速的推广和应用，是因为生 产工艺复杂、生产成本高和转换效率低下。其中后者是个很重要的原 因，光伏产业及太阳能电池研究中有种说法是，即使是转换效率0.1% 的提高那也是很重要的。由此可见，想尽一切办法去不断的提高太阳 能电池的转换效率是具有重要意义的。本文选择发展最长久、技术也最成熟的硅基太阳能电池为例来探 讨一下转换效率提高的问题。3.1 材料结构传统的硅基太阳能电池能基于每一个光子产生一个电子空穴对，因 此其理论最大转换效率约为33%O假若构建一个能够基于单个光子 产生多个电子空穴对的结

10、构，从而可以有效地提高太阳能电池的转 换效率。如美国加州大学戴维斯分校的科研人员通过计算机摹拟证实了，利 用特殊的“硅BC8”结构，能够基于单个光子产生多个电子空穴对， 大幅提升了太阳能电池的转换效率，使其理论的最大转换效率达到 42%o但是这种“硅BC8”结构在实际中并非太容易生成，这种 硅 结构或者可形成于高压环境下。这种环境也许可以通过激光所发出的 的高能量营造出局部高压。3.2 聚光化可以利用抛物面反射镜为太阳能电池会萃太阳光，这就形成为了 聚光型电池。其中，太阳光投射到凸透镜或者抛面镜上可以将其能 量提高几十倍甚至上千倍。这样就可以提高太阳能电池的转换效率， 也可以有效地减少材料面积

11、。3.3 多结化不同禁带宽度的PN结可以吸收不同波段的太阳光。单一的半导体 材料仅能利用到太阳光谱中能量大于和等于禁带宽度的光子，而当制 成不同禁带宽度材料的多结太阳能电池，就可以实现有效地利用不同 波段的太阳光，从而大幅度提高电池效率。3.4 表面结构可以在太阳能电池的表涂抹一些特殊材料，加强对入射光的俘获和 阻挠光反射，从而提高电池的光转换效率。一些太阳能电池的转换效率见表1o结束语面对着石化能源的逐渐枯竭和人类生态环境的日益恶化，人们逐 渐意识到可再生能源的可持续发展的重要性。每一个国家都面对着两 个严峻的挑战：气候变化和能源安全。比较现在被人们所利用的各 种能源，其中，太阳能应该是是我

12、们人类迄今发现的最理想的能源 生产形 式：可再生、无限量、无污染。所以虽然现在的太阳能电池仍然面临着生产成本高、生产工艺复 杂和转换效率低的问题，但是光伏产业仍然在我国取得了快速发展。 在我国成为光伏产业的最大国后，2022年我国的光伏产业因为产能 过剩等原因坠入了寒冬，出路在哪里呢？简单地说是政策、资源的优 化整合和企业的转型。然而，毫无疑问的是，太阳能电池乃至中国的 光伏产业在未来的能源结构调整方面仍然有着不可替代的重要作用。参考文献:1李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验M.北京：科学出版社，2022.219-220, 307-3082王洪，郝梅.太阳能的开辟潜力（二）J.中国三峡2022, 3: 79-803吴昊鹰.近几年太阳能电池的研究发展与发展趋势J.科技创新导 报 2022, 31: 27-284杨新村.从材料结构入手提高电池能效J.上海电力20221 ：2-3类 202220222022202220222022单晶硅24.724.725.025.025.025.0多晶硅20.320.320.420.420.420.4非晶硅9.59.59.510.110.110.1铜锢钱硒18.819.219.419.419.619.6化镉16.516.516.716.716.717.3碑化钱24.524.526.126.128.128.8表1近几年几种太阳能电池的转换效率