3.太陽能電池
電池行業(yè)是21世紀(jì)的朝陽行業(yè),發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中,zui沒有污染、市場空間zui大的應(yīng)該是太陽能電池,太陽能電池的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視。
太陽的光輝普照大地,它是明亮的使者,太陽的光除了照亮世界,使植物通過光合作用把太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N養(yǎng)分,供人們食用,產(chǎn)生纖維質(zhì)供人們做衣服,生長木材給我們建筑房屋以外,太陽的光還可以通過太陽能電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟L柲茈姵厥且环N近年發(fā)展起來的新型的電池。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件,這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”,因此太陽能電池又稱為“光伏電池”,用于太陽能電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì),和任何物質(zhì)的原子一樣,半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成,半導(dǎo)體硅原子的外層有4個電子,按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當(dāng)受到外來能量的作用時,這些電子就會脫離軌道而成為自由電子,并在原來的位置上留下一個“空穴”,在純凈的硅晶體中,自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素,由于這些元素能夠俘獲電子,它就成了空穴型半導(dǎo)體,通常用符號P表示;如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素,它就成了電子型半導(dǎo)體,以符號N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合,交界面便形成一個P-N結(jié)。太陽能電池的奧妙就在這個“結(jié)”上,P-N結(jié)就像一堵墻,阻礙著電子和空穴的移動。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時,電子接受光能,向N型區(qū)移動,使N型區(qū)帶負(fù)電,同時空穴向P型區(qū)移動,使P型區(qū)帶正電。這樣,在P-N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢,也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線,接通負(fù)載,則外電路便有電流通過,如此形成的一個個電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來,就能產(chǎn)生一定的電壓和電流,輸出功率。制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種,因此太陽電池的種類也很多。目前,技術(shù)zui成熟,并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。
1953年美國貝爾研究所首先應(yīng)用這個原理試制成功硅太陽電池,獲得6%光電轉(zhuǎn)換效率的成果。太陽能電池的出現(xiàn),好比一道曙光,尤其是航天領(lǐng)域的科學(xué)家,對它更是注目。這是由于當(dāng)時宇宙空間技術(shù)的發(fā)展,人造地球衛(wèi)星上天,衛(wèi)星和宇宙飛船上的電子儀器和設(shè)備,需要足夠的持續(xù)不斷的電能,而且要求重量輕,壽命長,使用方便,能承受各種沖擊、振動的影響。太陽能電池*這些要求,1958年,美國的“先鋒一號”人造衛(wèi)星就是用了太陽能電池作為電源,成為世界上*個用太陽能供電的衛(wèi)星,空間電源的需求使太陽電池作為技術(shù),身價百倍?,F(xiàn)在,各式各樣的衛(wèi)星和空間飛行器上都裝上了布滿太陽能電池的“翅膀”,使它們能夠在太空中長久遨游。我國1958年開始進(jìn)行太陽能電池的研制工作,并于1971年將研制的太陽能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。以太陽能電池作為電源可以使衛(wèi)星安全工作達(dá)20年之久,而化學(xué)電池只能連續(xù)工作幾天。
空間應(yīng)用范圍有限,當(dāng)時太陽電池造價昂貴,發(fā)展受到限。70年代初,世界石油危機(jī)促進(jìn)了新能源的開發(fā),開始將太陽電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用,技術(shù)不斷進(jìn)步,光電轉(zhuǎn)換效率提高,成本大幅度下降。時至今日,光電轉(zhuǎn)換已展示出廣闊的應(yīng)用前景。
太陽能電池近年也被人們用于生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域。從1974年世界上*架太陽能電池飛機(jī)在美國試飛成功以來,激起人們對太陽能飛機(jī)研究的熱潮,太陽能飛機(jī)從此飛速地發(fā)展起來,只用了六七年時間太陽能飛機(jī)從飛行幾分鐘,航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽?,F(xiàn)在,的太陽能飛機(jī),飛行高度可達(dá)2萬多米,航程超過4000公里。另外,太陽能汽車也發(fā)展很快。
在建造太陽能電池發(fā)電站上,許多國家也取得了較大進(jìn)展。1985年,美國阿爾康公司研制的太陽能電池發(fā)電站,用108個太陽板,256個光電池模塊,年發(fā)電能力300萬度。德國1990年建造的小型太陽能電站,光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)30%多,適于為家庭和團(tuán)體供電。1992年美國加州公用局又開始研制一種“革命性的太陽能發(fā)電裝置”,預(yù)計(jì)可供加州1/3的用電量。用太陽能電池發(fā)電確實(shí)是一種誘人的方式,據(jù)專家測算,如果能把撒哈拉沙漠太陽輻射能的1%收集起來,足夠*的所有能源消耗。
在生產(chǎn)和生活中,太陽能電池已在一些國家得到了廣泛應(yīng)用,在遠(yuǎn)離輸電線路的地方,使用太陽能電池給電器供電是節(jié)約能源降低成本的好辦法。芬蘭制成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機(jī),太陽能電池板就裝在住家的房頂上,還配有蓄電池,保證電視機(jī)的連續(xù)供電,既節(jié)省了電能又安全可靠。日本則側(cè)重把太陽能電池應(yīng)用于汽車的自動換氣裝置、空調(diào)設(shè)備等民用工業(yè)。我國的一些電視差轉(zhuǎn)臺也已用太陽能電池為電源,投資省,使用方便,很受歡迎。
當(dāng)前,太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化;小功率小面積的太陽能電池在一些國家已大批量生產(chǎn),并得到廣泛應(yīng)用;同時人們正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽能電池;可以預(yù)見,太陽能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一,在人們的生產(chǎn)、生活中占有越來越重要的位置。 返回11
4.多晶硅及其他光電轉(zhuǎn)換材料
光伏效應(yīng)
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,一方面加大對能源的需求,引發(fā)能源危機(jī);另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳?xì)怏w,導(dǎo)致性的“溫室效應(yīng)”。為此各國力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴,加速發(fā)展可再生能源。作為的可再生能源,太陽能具有“取之不盡,用之不竭”的特點(diǎn),而利用太陽能發(fā)電具有環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),而且不必考慮其安全性問題。所以在發(fā)達(dá)國家得到了高度重視,歐洲聯(lián)盟國家計(jì)劃在2010年太陽能光電轉(zhuǎn)換的電力占所有總電力的1.5%,美國啟動了“百萬屋頂”計(jì)劃。在能源短缺,環(huán)境保護(hù)問題日益嚴(yán)重的我國,低成本率地利用太陽能尤為重要。
太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽電池簡單裝置如圖1所示。當(dāng)N型和P型兩種不同型號的半導(dǎo)體材料接觸后,由于擴(kuò)散和漂移作用,在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。當(dāng)光照在太陽電池的表面后,能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對,這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場的作用下分離開,在電池的上下兩極累積,這樣電池便可以給外界負(fù)載提供電流。
從本世紀(jì)70年代中期開始了地面用太陽電池商品化以來,晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位,而且可以確信這種狀況在今后20年中不會發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括:單晶硅太陽電池,鑄造多晶硅太陽能電池,非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好,但是成本較高;非晶硅太陽電池則具有生產(chǎn)效率高,成本低廉,但是轉(zhuǎn)換效率較低,而且效率衰減得比較厲害;鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率,而且性能價格比zui高;薄膜晶體硅太陽能電池則現(xiàn)在還只能處在研發(fā)階段。目前,鑄造多晶硅太陽能電池已經(jīng)取代直拉單晶硅成為zui主要的光伏材料。但是鑄造多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池,材料中的各種缺陷,如晶界、位錯、微缺陷,和材料中的雜質(zhì)碳和氧,以及工藝過程中玷污的過渡族金屬被認(rèn)為是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因,因此關(guān)于鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律的研究,以及工藝中采用合適的吸雜,鈍化工藝是進(jìn)一步提高鑄造多晶硅電池的關(guān)鍵。另外,尋找適合鑄造多晶硅表面織構(gòu)化的濕化學(xué)腐蝕方法也是目前低成本制備率電池的重要工藝。
從固體物理學(xué)上講,硅材料并不是的光伏材料,這主要是因?yàn)楣枋情g接能帶半導(dǎo)體材料,其光吸收系數(shù)較低,所以研究其他光伏材料成為一種趨勢。其中,碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認(rèn)識是兩種非常有前途的光伏材料,而且目前已經(jīng)取得一定的進(jìn)展,但是距離大規(guī)模生產(chǎn),并與晶體硅太陽電池抗衡需要大量的工作去做。 返回11
5.晶體硅太陽電池及材料
引言
1839年,法國Becqueral*次在化學(xué)電池中觀察到光伏效應(yīng)。1876年,在固態(tài)硒(Se)的系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應(yīng),隨后開發(fā)出Se/CuO光電池。有關(guān)硅光電他的報(bào)道出現(xiàn)于1941年。貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人
1954年開發(fā)出效率為6%的單晶硅光電池,現(xiàn)代硅太陽電池時代從此開始。硅太陽電他于1958年首先在航天器上得到應(yīng)用。在隨后10多年里,硅太陽電池在空間應(yīng)用不斷擴(kuò)大,工藝不斷改進(jìn),電他設(shè)計(jì)逐步定型。這是硅太陽電池發(fā)展的*個時期。第二個時期開始于70年代初,在這個時期背表面場、細(xì)柵金屬化、淺結(jié)表面擴(kuò)散和表面織構(gòu)化開始引人到電池的制造工藝中,太陽電池轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。與此同時,硅太陽電池開始在地面應(yīng)用,而且不斷擴(kuò)大,到70年代未地面用太陽電池產(chǎn)量已經(jīng)超過空間電池產(chǎn)量,并促使成本不斷降低。 80年代初,硅太陽電他進(jìn)入快速發(fā)展的第三個時期。這個時期的主要特征是把表面鈍化技術(shù)、降低接觸復(fù)合效應(yīng)、后處理提高載流子壽命、改進(jìn)陷光效應(yīng)引入到電他的制造工藝中。以各種電池為代表,電池效率大幅度提高,商業(yè)化生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低,應(yīng)用不斷擴(kuò)大。
在太陽電他的整個發(fā)展歷程中,先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構(gòu)的電池,如肖特基(Ms)電池,M1S電池,MINP電他;異質(zhì)結(jié)電池(如ITO(n)/Si(p),a-Si/c-Si,Ge/Si)等,其中同質(zhì)p-n結(jié)電池結(jié)構(gòu)自始至終占主導(dǎo)
地位,其它結(jié)構(gòu)對太陽電他的發(fā)展也有重要影響。
以材料區(qū)分,有晶硅電池,非晶硅薄膜電池,銅鋼硒(CIS)電池,磅化鎬(CdTe)電池,砷化稼電他等,而以晶硅電池為主導(dǎo),由于硅是地球上儲量第二大元素,作為半導(dǎo)體材料,人們對它研究得zui多、技術(shù)zui成熟,而
且晶硅性能穩(wěn)定、無毒,因此成為太陽電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。
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