小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料綜述

電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便，也是現(xiàn)代生活中不可或缺的一種能量。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽(yáng)能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國(guó)都十分重視。

國(guó)外技術(shù)研究趨于成熟并初具產(chǎn)業(yè)化的是“光伏-建筑（照明）一體化”技術(shù)，而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區(qū)家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)換途徑很多，有光電直接轉(zhuǎn)換，光熱電間接轉(zhuǎn)換等。

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料無(wú)機(jī)半導(dǎo)體

一、硅材料

1、非晶硅(a-Si)

非晶硅用作薄膜太陽(yáng)能電池起始于 20 世紀(jì) 70年代。 1976 年,卡爾松等[7] 利用非晶硅制備了薄膜太陽(yáng)能電池,其小面積樣品轉(zhuǎn)換效率為 2. 4% 。 隨后,非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池得到了迅速發(fā)展。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池通常為 P-I -N 偶及型式,如圖1所示,P 層和 N 層主要作為建立內(nèi)部電場(chǎng),I 層則由非晶硅構(gòu)成。

非晶硅用作薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換材料具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)高光吸收能力,其吸光頻率范圍為 1. 1-1. 7 eV,因此,I 層厚度通常小于 0. 5 μm,相對(duì)其他材料(如 GaAs) 小得多;

(2) 相對(duì)于單晶硅,非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池制造工藝簡(jiǎn)單,能耗少;

(3)可實(shí)現(xiàn)大面積、連續(xù)化生產(chǎn);

(4)可做成疊層結(jié)構(gòu),提高效率。 非晶硅薄膜材料的制備早期主要采用硅烷氣體的輝光放電分解、濺射、光-化學(xué)氣相沉積等方法。 為了提高沉積速度,采用超高頻法、等離子增強(qiáng) CVD 法、微波法和微波電子回旋共振 CVD 法等。

2、多晶硅(poly-Si)

為解決非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的不足,人們采用多晶硅薄膜代替 a-SiGe 作為底部電池的材料提高硅基薄膜太陽(yáng)能電池的性能。圖2是具有多層結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

多晶硅用作薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換材料具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)在長(zhǎng)波段具有高光敏性,對(duì)可見(jiàn)光能有效吸收,又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性,是公認(rèn)的高效、低耗的光伏器件材料;

(2)無(wú)光致衰退效應(yīng),效率比非晶硅要高,而成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池。

多晶硅薄膜的制備方法很多,按成膜過(guò)程可分為兩類(lèi) :

一類(lèi)是先制備非晶態(tài)材料,再固相晶化為多晶硅,即固相晶化法,它是利用硅烷等原料氣體,在PECVD 設(shè)備中沉積 a-Si 薄膜,再通過(guò)熱處理將 a-Si薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜;

另一類(lèi)是直接在襯底上沉積多晶硅薄膜,包括等離子體增強(qiáng)法、熱絲法和低氣壓法等。

二、多元化合物材料

1、碲化鎘(CdTe)

CdTe 作為光電轉(zhuǎn)換材料用于太陽(yáng)能電池始于20 世紀(jì) 70 年代,在單晶 CdTe 上蒸發(fā) CdS 薄膜所制備的電池 轉(zhuǎn)換效率達(dá) 到10% 。 其后, Yamayushi等在 CdTe 單晶上外延沉積 CdS,得到效率 12% 的太陽(yáng)能電池。

CdTe 屬于 II-VI 族化合物,具有以下特點(diǎn):

(1)CdTe 帶隙為 1. 5 eV,與太陽(yáng)光譜很匹配,屬于直接躍遷型,對(duì)可見(jiàn)光的吸收系數(shù)大于 10⁵/cm,厚度 1 滋m的薄膜足以吸收大于 CdTe 禁帶能量的輻射能量的99% ;

(2)在 500益 時(shí)為穩(wěn)定的固相,高溫下生成的CdTe 略富 Te,Cd 空位使其成為本征 P 型,作為吸收層,光生載流子正好是遷移率較高的電子;

(3) CdTe或 Cd 和 Te 均可作為制備 CdTe 薄膜的原料,高純度CdTe 薄膜比較容易制備;

(4)CdTe 鍵離子性強(qiáng),導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性好,性能不易退化。 CdTe 薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CdTe 多晶薄膜的制備方法有多種。 其中,電沉積、噴涂熱分解、濺射等三種方法比較成功。

2、銅銦鎵硒(CIGS)

自 1974 年 Bell 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出單晶 CuInSe₂以來(lái),CuInSe₂ 材料引起了光伏界的關(guān)注。 CuIn_1-x Gax Se₂(CIGS)是一種 I-III-VI 族三元化合物半導(dǎo)體材料,具有黃銅礦相結(jié)構(gòu),是 CuInSe₂ 和 CuGaSe₂ 的混晶半導(dǎo)體。圖4是 CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

CIGS 作為光電轉(zhuǎn)換材料制備薄膜太陽(yáng)能電池具有顯著優(yōu)點(diǎn):

(1)通過(guò)變化 Ga 的含量,可使半導(dǎo)體的禁帶寬度在 1. 04-1. 65 eV 變化,適合于調(diào)整和優(yōu)化禁帶寬度;

(2) CIGS 的光吸收系數(shù)達(dá)到 105/cm,是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料,最適合薄膜化;

(3)CIGS 可在玻璃基板上形成缺陷少、晶粒大的高品質(zhì)結(jié)晶;

(4)轉(zhuǎn)換效率高,薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄始終由 CIGS 保持;

(5) 電池的壽命長(zhǎng)。CIGS 沒(méi)有光致衰退效應(yīng),且在外太空具有良好的抗幅射損傷能力和極高的穩(wěn)定性。

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料有機(jī)材料

自 1977 年導(dǎo)電聚乙炔( PA) 被發(fā)現(xiàn)以來(lái),有機(jī)太陽(yáng)能電池受到了科學(xué)家極大關(guān)注。

以聚乙炔薄膜為電池材料的研究十分活躍,尤其是近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的導(dǎo)電聚合物為人類(lèi)提供了新的制備廉價(jià)太陽(yáng)能電池的材料,使人們看到了新的希望。 有機(jī)太陽(yáng)能電池材料主要是含有大共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子苝類(lèi)、有機(jī)染料分子及含有染料分子的聚合物、過(guò)渡金屬配合物等。 從材料角度考慮,包括有機(jī)材料、有機(jī)染料/ 無(wú)機(jī)材料、有機(jī)染料/ 有機(jī)染料、有機(jī)染料/ 聚合物材料等多種。 其中,以有機(jī)染料/ 無(wú)機(jī)材料雜化的研究最為深入和卓有成效。

1991 年,瑞士 Gratzel 教授以納米多孔 TiO₂為半導(dǎo)體電極,以 Ru 絡(luò)合物作敏化染料,并選用 I2/ I3氧化還原電解質(zhì),制出了一種新型薄膜太陽(yáng)電池,其光電轉(zhuǎn)換效率為 7. 1% ,不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光伏發(fā)電原理,它是借助于染料作為吸光材料,染料中的價(jià)電子受光激發(fā)躍遷到高能態(tài),進(jìn)而傳導(dǎo)到納米多孔TiO₂ 半導(dǎo)體電極上,經(jīng)由電路引至外部。 失去電子的染料則經(jīng)由電池中的電解質(zhì)獲得電子。圖5是染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)組成。

敏化染料直接影響到電池對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)換效率,要求具備以下條件 :

(1)與 TiO₂納米晶半導(dǎo)體電極表面具有良好的結(jié)合性能,能夠快速達(dá)到吸附平衡,而且不易脫落;

(2)在可見(jiàn)光區(qū)有較強(qiáng)的、盡可能寬的吸收帶;

(3)染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性高,且具有盡可能高的可逆轉(zhuǎn)換能力;

(4) 激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng),且具有很高的電荷傳輸效率;

(5) 有適當(dāng)?shù)难趸€原電勢(shì)以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到 TiO₂導(dǎo)帶中;

(6)敏化染料分子應(yīng)含有達(dá) 仔 鍵、高度共軛、并且具有強(qiáng)的給電子基團(tuán)。

納米 TiO2薄膜電極的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有較大的影響。 所使用的納米 TiO₂粒徑多在 100 nm 以下。

常用的制備方法有溶膠凝膠法、水熱反應(yīng)法、濺射法、醇鹽水解法、模板組裝法和等離子噴涂法等。

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料設(shè)備

太陽(yáng)電池

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。只要被光照到，太陽(yáng)能板瞬間就可輸出電壓及電流。

太陽(yáng)能電池發(fā)電是根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)而運(yùn)用于日常生活。光電效應(yīng)是指金屬表面在光輻射作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，可以引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：

原理

太陽(yáng)能電池是一種可以將能量轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來(lái)，而產(chǎn)生光電子和空穴的對(duì)流，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來(lái)，即形成一個(gè)回路。

生產(chǎn)步驟

硅料—硅碇—切割—硅片—多晶硅芯片—太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率

世界上太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室效率最高水平為：

單晶硅電池24%（4cm²），

多晶硅電池18.6% （4cm²），

InGap/GaAs雙結(jié)電池30.28%（AM1），

非晶硅電池14.5%（初始），12.8%（穩(wěn)定），

碲化鎘電池15.8%，硅帶電池14.6%，

二氧化鈦有機(jī)納米電池10.96%。