1、太陽能電池技術文獻綜述王胤東南大學機械學院摘要：資源和環境一直都是制約許多國家持續發展的兩大瓶頸，因而在環境愈加惡化、資源日益緊缺、科技日新月異的今天，對于清潔的可再生能源的研究成為了熱點。太陽能作為一種可再生能源，不僅來源較為廣泛（光照），并且幾乎不會產生污染，因而倍受研究人員的青睞，也是前景比較廣闊的研究方向。本文主要介紹與太陽能電池相關的技術背景、研究方向和發展前景。關鍵詞：太陽能，太陽能電池，研究現狀，發展前景。太陽能可以說是“取之不盡，用之不蝎”的能源，與礦物燃料相比，太陽能具有清潔和可在生等獨特優點.將太陽能直接轉換為熱能和電能，解決能源危機，造福于全人類一直是廣大科學家的奮斗目標

2、。太陽能的利用分為光電轉換和集熱兩種，前者主要有太陽能電池，后者主要有太陽能熱水器、太陽能溫室等.利用半導體材料的光伏效應原理把太陽光能轉換成電能稱太陽能光伏技術，這也是太陽能電池的主要原理。對光生伏特效應的研究最早可追溯到1839年，到上世紀五十年代，太陽能利用領域出現了兩項重大突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出效率為6%勺實用型單晶硅電池;是1955年以色列科學家提出了選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層.這兩項突破既是太陽能利用進入現代發展時期的劃時代標志，也是人類能源技術又一次變革的技術基礎。1.太陽輻射1太陽發出的輻射能來自核聚變反應。每秒鐘約有6X1011kg

3、的H2轉變為He,凈質量損失約為4X103kg,這一質量損失通過愛因斯坦關系（E=mC）轉變為4X1012J的能量.此能量主要作為從紫外到紅外和無線電頻段（0。2至3的電磁輻射發射出去。太陽的總質量目前約為2X1030kg，估計有近乎恒定輻射能輸出的相當穩定的壽命要超過100億年.在日一地平均距離的自由空間內的同樣輻射強度定義為太陽常數，其值為21353W/m。當陽光到達地表時，大氣層要使陽光減弱，主要原因是在紅外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧層吸收，以及受飛塵和懸浮微粒的散射.大氣層對地表處接收到的陽光的影響程度定義為“大氣質量”（AM。太陽與天頂夾角的正割（sec0）稱為大氣質量，用以度量

4、大氣層路程與太陽正當頂時最短路程的相對值。0.20.40.C也白1.01.2L416IS二小波長加m)圖1陽光的光譜分布圖1中示出了AM1和AM1.5時的光譜分布,同時假設了太陽是6000K的黑體時所預期的太陽輻射的光譜分布。大氣質量1。5的狀態（太陽與地平線成45。角）代表地面應用的滿意的加權能量平均值.AM1.5情形單位時間單位面積的單位能量光子數3示于圖6。，圖中還一并示出AM0的情形。為了將波長轉變成光子能量，我們應用了下述關系C1.24-mh(eV)圖2。在AMM口AM15狀態的太陽光譜與光子能量的關系及相關半導體材料的帶隙、理論光電轉換效率（引自Henry的參考文獻3）2.1太陽能

5、電池的原理太陽能是一種輻射能，在人類還沒有發明熱能存儲器之前，最常用的方法是用能量轉換器將其轉換成為電能然后存儲。這種把光能轉換成電能的能量轉換器，就是太陽能電池。太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光電效應。所謂光電效應就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現電壓，叫做光生電壓。這種現象，就是著名的光電效應.使PN結短路，產生電流，該電流流過外部電路就會產生一定的輸出功率。如圖3所示。用里子中定(+)黃-"加義附酎加電于第千工中黑悻二電子整定匐電孑在F，片臺上會色時，部戶5：電壓

6、.理段洋歸身.中廣1電電子里、；也孑片看看口忖藥才由呂卡-圖3太陽能電池的工作原理2。2太陽能電池I-V特性4在太陽能電池外部開路的狀態下，因為有載子流入，結果使N層帶負電P層帶正電，而在PN兩端則會產生電位差Voc(止匕Voc是太陽光照射時產生的開路電壓)。當外部負載變為短路時，就會有與入射電量成正比的短路電流通過，太陽能電池相當于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積的等效二極管.我們可以假設太陽能電池為有一個二極管與太陽能電流的發生源所并聯的等效電路，所以我們得到太陽能電池等效電路的理想形式如圖4(a)和實際形式如圖4(b)所示.IlR&|l出）圖4太陽能電池等效電路根據等效電路

7、，可以寫出pn結太陽電池的IV特性方程如下:IlIIdVIRseRsh(22)將p-n結二極管電流方程qVIdIoe而1(23代入方程(22)可以得到輸出電流為：VIRseIILI0enkT1軍Rsh(24)式中q為電子電量，k為波爾茲曼常數，T為絕對溫度，n為二極管質量因子。對于實際的太陽電池，二極管正向電流的數值由中性區的擴散電流和耗盡區內的復合電流組成。當復合電流占優勢時，因子n=2,當擴散電流占優勢時，n=1,當兩種電流可以比擬時,n介于1到2之間.當Rh足夠大，并聯電阻引起的旁總&電流可以忽略不記時.輸出功率可以表示為：IVnkTILIIln1IRseqIo(25)圖5所示為

8、絲網印刷電極晶體硅太陽電池典型的IV曲線和PV曲線。短路電流Isc表示太陽電池輸出端短路情況下能夠輸出的電流，開路電壓Voc表示輸出端負載電阻無窮大一即輸出端開路狀況下的輸出電壓，最大功率Pm表示輸出的最大功率,%m和Ipm分別表示與最大功率點對應的輸出電壓和輸出電流。填充因子FF定義為IpmVpmFFIscVoc(26)光電轉換效率定義為PmFFIscVocETTPnPin式中Pin為輸入太陽電池的光功率。要獲得最高的轉換效率,應使FF、大.提高FF和W的途徑是減小復合電流；改善電極歐姆接觸，減小串聯電阻并聯電阻，減小旁路漏電流.提高I的的途徑是提高太陽電池對陽光的吸收效率衡少數載流子壽命，

9、減小復合電流損失.(27)Isc和Voc都最Re；提身,提高非平TDB1Q3Operator:AdminID:496CeNType：TDS10311:50:2505/2W3Testedst:25gdegCCorrectedto:250degCVoc=0610Visc=2gg5aJsc=28.5r7iA/cm2Pmax=1445WVpm=0S16Vlpm-279BAVocVid=0.4007JlvW=2699A0000150-300,450,600.75H392WVoftsFF=0791Eft=13B%圖5。實際測量的絲網印刷電極晶體硅太陽電池典型IV曲線和PV曲線2.3溫度和光照特性卬太陽能電

10、池作為光伏系統中最基本的部分，有著它自己的工作特性，工作電壓與電流跟日照、太陽電池溫度等密切的聯系。光伏發電系統是空間電源的一種普遍形式，該系統的一個基本特點是太陽能輸出功率受環境影響較大。由于光伏陣列輸出特性的非線性特征，在不同的照射強度和溫度下其I-V特性曲線各不相同。圖6為太陽能電池溫度在25c時工作電壓、電流和日照的關系曲線(a)常溫不同日照(b)相同日照不同溫度圖6太陽能電池的電壓、電流和日照的關系曲線從圖6可以看出太陽能電池的輸出曲線為非線性且為溫度與日照強度的函數，每一條曲線中所能畫出的最大矩形面積則是Ipv與Voc的最大乘積值稱為最大功率點，此點應為最佳工作點定義成Pmax,因

11、為在此日照強度下它所能輸出的功率為最大。由圖6(a)可以看出：在相同溫度下，當日照強度增加時太陽能電池的輸出額定值也有所增加.亦即在較強的日照條件下最大輸出電流將上升，因此工作環境的照度將會直接影響到太陽能電池的效率。由圖6(b)可以看出：在固定日照強度下，當溫度升高時太陽能電池的輸出額定值將會有所遞減，亦即在高溫時期的逆向飽和電流值會升高，會造成電流的下降，因此工作環境的溫度也將會直接影響到太陽能電池的效率。3,太陽能電池的種類及研究現狀根據材料的種類和狀態的不同，太陽能電池主要有以下幾種：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物半導體太陽能電池、薄膜型太陽能電池、有機太

12、陽能電池和染料敏化納米晶太陽能電池，下面分別予以簡單介紹。單晶硅太陽能電池是開發得最早的一種太陽能電池，硅的禁帶寬度為1.leV,是間接遷移型半導體，本來不是制作太陽能電池的最合適材料。但是由于硅蘊藏量非常豐富，已廣泛應用于微電子工業，有很完善的技術基礎，有利干太陽能電池的開發應用。單晶硅太陽能電池具有比較高的轉換效率，規模生產的電池組件的效率可以達到12一16%,而實驗室記錄的最高轉換效率為24.4%J.Zhao,A.Wang,M.A.Green,F.Ferrazza,APPI.PhyS,Lett.1998,73,1991。多晶硅太陽能電池具有獨特的優勢，與單晶硅比較，多晶硅半導體材料的價格

13、比較低廉，相應的電池單元成本低，非常具有競爭優勢。但是由于多晶硅材料存在著較多的晶拉間界而有較多的缺點，轉換效率不夠高，提高多晶硅太陽能電池的轉換效率就是目前許多科學家的研究方向.非晶硅太陽能電池的轉換效率和穩定性都不夠好，對其研究開始于20世紀七十年代初。非晶硅及其合金的光暗電導率隨著光照的時間加長而減少，經過170c200c的退火處理，又可以恢復到光照之前的值。這一現象首先由Staebler和Wronski發現，被稱為S-K效應：6。S-K效應使非晶硅太陽能電池的轉換效率由于光照時間加長而衰退，長期以來成為非晶硅太陽能電池應用的主要障礙。化合物太陽能電池包括IIIV族化合物電池和II-VI

14、族化合物電池。III-V族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、Gasb電池等；IIVI族化合物電池主要有CaS/Culnse電池、CaS/CdTe電池等。上世紀七十年代末，以GaAs為代表的IIIV族化合物電池材料（包括疊層電池材料），因具有很高的光電轉換效率和優異的抗輻射性能而受到重視，發展很快。最新的一項研究成果就是在加利福尼亞獲得了一種變質處理的三疊層GaInP/GaInAs/Ge材料，它在240個太陽輻射，AM1.5情況下的轉換效率為40。7%。w膜型太陽能電池材料主要有銅錮驚硒（CulnGase）、啼化鎬（cdTe）等。銅錮稼硒薄膜太陽能電池開發時間還不長，是較有前途而被寄予厚

15、望的新型低成本太陽能電池,該薄膜太陽能電池單元的制備是先用濺射、噴涂或蒸發法在基片上沉積Cu,In和Ga層，再在Se氣氛中硒化。啼化福（CdTe）已成為公認的高效、穩定、廉價的薄膜光伏器件材料，而且在各種制備條件下都可以得到較好的電池結果，包括非常粗糙的工藝，如電鍍.有機太陽能電池具有柔韌性和成本低廉的優勢，是近年出現的新型太陽電池,與結構工藝復雜、成本高昂、光電壓受光強影響波動大的傳統半導體固結太陽電池相比，有機太陽能電池制備工藝簡單，可采用真空蒸鍍或涂敷的方法制備成膜，且可以制備在可彎曲折香的襯底上形成柔性太陽能電池。有機物太陽能電池材料的分子結構還可以自行設計合成,材料選擇余地大，加工容

16、易，毒性小，成本低，可制造面積大，在太陽能電池產業引起了科學家的極大關注。8染料敏化納米晶太陽能電池是最近二十幾年發展起來的一種基于植物葉綠素光合作用原理研制出的太陽能電池。這是一種使用寬禁帶半導體材料的太陽電池，寬帶隙半導體有較高的熱力學穩定性和光化學穩定性，不過本身捕獲太陽光的能力非常差，但將適當的染料吸附到半導體表面上，借助于染料對可見光的強吸收，可以將半導體的光譜響應拓寬到可見區，這種現象稱為半導體的染料敏化作用，而載有染料的半導體稱為染料敏化半導體電極.施敏著，黃振崗譯，半導體器件物理，電子工業出版社，1987年12月第一版。馬丁格林著，李秀文，謝洪禮，趙海濱等譯，太陽電池工作原理、

17、工藝和系統的應用，電子工業出版社，1987年1月第一版。C.H.Henry,LimitingEfficiencyofIdealSingleandMultipleEnergyGapTerrestrialSolarCells,J.Appl.Phvs.514494(1980).陳海全，上海交通大學碩士學位論文，2006.5D.E.Carlson,S.Wanger,RenewaableEnergy”1993IslandPress,Washington.R.R.King,D.C.Law,K.M.Edmondson,C.M.Fetzer,G.S.Kinsey,H.Yoon,R.A.Sherif,andN.

18、H.Karam."40%ef?cientmetamorphicGaInP/GaInAs/Gemultijunctionsolarcells,APPLIEDPHYSICSLETTERS90,183516(2007).網何杰，蘇忠集，向麗，王僉【J,汪映寒，聚合物太陽能電池研究進展高分子通報第4期.盧金軍，太陽能電池的研究現狀和產業發展，科技資訊2007NO.18.王占國，中科院院士，半導體太陽能電池研發現狀與發展趨勢。4.太陽能電池的發展方向10,提高轉換效率和降低成本仍然是太陽能電池發展的大趨勢。在降低成本方面，硅太陽能電池主要還是通過減少硅片厚度實現；而在提高轉換效率方面，對新的太陽能電池技術的探索已經開始：(1)疊層電池技術將不同帶隙寬度(Eg)的材料，按Eg大小從上到下迭合起來制成.選擇性的