鉅大LARGE | 點擊量:32033次 | 2018年07月15日
硅太陽能電池工作原理詳解
硅太陽能電池簡介
Si硅,原子序數14,原子量28.0855,硅有晶態和無定形兩種形式。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源,不產生任何的環境污染。
在太陽能的有效利用當中;太陽能光電利用是近些年來發展最快,最具活力的研究領域,是其中最受矚目的項目之一。
硅太陽能電池分類
制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎,其工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電于轉換反應,根據所用材料的不同,太陽能電池可分為:
1、硅太陽能電池;
2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;
3、功能高分子材料制備的太陽能電池;
4、納米晶太陽能電池等。
一、硅太陽能電池
1.硅太陽能電池工作原理與結構
太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應,一般的半導體主要結構如下:
硅材料是一種半導體材料,太陽能電池發電的原理主要就是利用這種半導體的光電效應。一般半導體的分子結構是這樣的:
正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。
當硅晶體中摻入其他的雜質,如硼(黑色或銀灰色固體,熔點2300℃,沸點3658℃,密度2.34克/厘米,硬度僅次于金剛石,在室溫下較穩定,可與氮、碳、硅作用,高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應,形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高導電率和化學惰性的物質。)磷等,當摻入硼時,硅晶體中就會存在一個空穴,它的形成可以參照下圖說明:
正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子,而黃色的表示摻入的硼原子,因為硼原子周圍只有3個電子,所以就會產生如圖所示的藍色的空穴,這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定,容易吸收電子而中和,形成P(positive)型半導體。
(附,什么是P型半導體呢?在半導體材料硅或鍺晶體中摻入三價元素雜質可構成缺殼粒的P型半導體,摻入五價元素雜質可構成多余殼粒的N型半導體。)
同樣,摻入磷原子以后,因為磷原子有五個電子,所以就會有一個電子變得非常活躍,形成N(negative)型半導體。黃色的為磷原子核,紅色的為多余的電子,
P型半導體中含有較多的空穴,而N型半導體中含有較多的電子,這樣,當P型和N型半導體結合在一起時,就會在接觸面形成電勢差,這就是PN結。
當P型和N型半導體結合在一起時,在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層,界面的P型一側帶負電,N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴,N型半導體多自由電子,出現了濃度差。P區的空穴會自發擴散到N區,N區的電子會自發擴散到P區,由于電子和空穴的相向,原來呈現電中性的P型半導體在界面附近就富集負電荷(由于一部分空穴擴散到N區去了),類似的,原來呈現電中性的N型半導體在界面附近就富集正電荷(由于一部分電子擴散到P區去了),這樣就形成了一個有N指向P的“內電場”,從而阻止電子和空穴擴散的進行。達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差,從而形成PN結。當晶片受光后,PN結中,N型半導體的空穴往P型區移動,而P型區中的電子往N型區移動,從而形成從N型區到P型區的電流。然后在PN結中形成電勢差,這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。
由于半導體不是電的良導體,電子在通過p-n結后如果在半導體中流動,電阻非常大,損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬,陽光就不能通過,電流就不能產生,因此一般用金屬網格覆蓋p-n結(如圖梳狀電極),以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮,會反射掉大量的太陽光,不能被電池利用。為此,科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜,實際工業生產基本都是用化學氣相沉積沉積一層氮化硅膜,厚度在1000埃左右。將反射損失減小到5%甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限,于是人們又將很多電池(通常是36個)并聯或串聯起來使用,形成太陽能光電板。
2.硅太陽能電池的生產流程
通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質量硅片上制成的,這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。
上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節省材料,制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法,包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。此外,液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。
二、納米晶化學太陽能電池
在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發展最成熟的,但由于成本居高不下,遠不能滿足大規模推廣應用的要求。為此,人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索,而這當中新近發展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。
以染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSCs)為例,這種電池主要包括鍍有透明導電膜的玻璃基底,染料敏化的半導體材料、對電極以及電解質等幾部分。
陽極:染料敏化半導體薄膜(TiO2膜)
陰極:鍍鉑的導電玻璃
電解質:I3/I
如圖所示,白色小球表示TiO2,紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態,激發態不穩定,電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶,染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償,進入TiO2導帶中的電于最終進入導電膜,然后通過外回路產生光電流。
納米晶TiO2太陽能電池的優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上,制作成本僅為硅太陽電池的1/5~1/10.壽命能達到20年以上。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步,估計不久的將來會逐步走上市場。
三、染料敏化TiO2太陽能電池的手工制作
1.制作二氧化鈦膜
(1)先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進行研磨
(2)接著用玻璃棒緩慢地在導電玻璃上進行涂膜
(3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結10~15分鐘,然后冷卻
2.利用天然染料為二氧化鈦著色
把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶,加一湯匙的水并進行擠壓,然后把二氧化鈦膜放進去進行著色,大約需要5分鐘,直到膜層變成深紫色,如果膜層兩面著色的不均勻,可以再放進去浸泡5分鐘,然后用乙醇沖洗,并用柔軟的紙輕輕地擦干。
3.制作正電極
由染料著色的TiO2為電子流出的一極(即負極)。正電極可由導電玻璃的導電面(涂有導電的SnO2膜層)構成,利用一個簡單的萬用表就可以判斷玻璃的那一面是可以導電的,利用手指也可以做出判斷,導電面較為粗糙。如圖所示,把非導電面標上‘+’,然后用鉛筆在導電面上均勻地涂上一層石墨。
4.加入電解質
利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質,它主要用于還原和再生染料。如圖所示,在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質即可。
5.組裝電池
把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上,在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質,然后把正電極的導電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開,用兩個夾子把電池夾住,兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導線。這樣,你的太陽能電池就做成了。
6.電池的測試
在室外太陽光下,檢測你的太陽能電池是否可以產生電流。
結構
正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。
當硅晶體中摻入其他的雜質,如硼、磷等,當摻入硼時,硅晶體中就會存在著一個空穴,它的形成可以參照下圖:
正電荷表示硅原子,負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子,因為硼原子周圍只有3個電子,所以就會產生藍色的空穴。
當P型和N型半導體結合在一起時,在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層)。N區的電子會擴散到P區,P區的空穴會擴散到N區,一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”,從而阻止擴散進行。直到達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差,這就是PN結。
由于半導體不是電的良導體,電子在通過p-n結后如果在半導體中流動,因此一般用金屬網格覆蓋p-n結(如圖梳狀電極),以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮,會反射掉大量的太陽光,不能被電池利用,科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜。
硅太陽能電池工作原理
太陽電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種,如:單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。它們的發電原理基本相同,現以晶體硅為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結。
當光線照射太陽電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發生了越遷,成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是:光子能量轉換成電能的過程。
生產流程
化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現,在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層,再將這層非晶硅層退火,得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,因此,再結晶技術無疑是很重要的一個環節,采用的技術主要有固相結晶法和中區熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外,另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術,這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高化。