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薄膜太阳能电池结构及原理分析

2018年01月24日 09:34 电子发烧友网 作者: 用户评论(0

薄膜太阳能电池概况

薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池,其用硅量极少,更容易降低成本,同时它既是一种高效能源产品,又是一种新型建筑材料,更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下,薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。

模块结构

薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层等所构成的。

种类

非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon,nc-Si,Microcrystalline Silicon,mc-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)。。等

薄膜太阳能电池结构及原理分析

光伏发电就是利用半导体技术,直接将太阳光转化为电能。太阳能是一种清洁、高效的可再生能源,能广泛应用于家庭发电系统和大型商业光伏项目等诸多领域。

晶体硅是太阳能电池大规模生产中最常用的原材料,通常包括单晶硅和多晶硅。目前晶体硅太阳能电池约占整个太阳能市场90%左右的市场份额。

在各类薄膜太阳能电池中,预计能实现规模化生产的是硅基薄膜,CIS和CdTe,其中CIS薄膜太阳能电池制造过程中由于要用到稀有金属硒,使得大规模的生产的成本比较高,而且CIS的生产工艺十分复杂,给大规模生产也造成了一定的困难,所以目前时机还未完全成熟。至于CdTe薄膜太阳能电池,由于其原材料中的“镉”被证实是一种致癌物质,所以与太阳能电池的绿色能源特性有些许冲突,另外其原材料中的“碲”,价格也比较贵。所以相比来说,硅基薄膜电池更适合大规模化生产。

光电池的工作原理及其特性

光电池的工作原理

在一块N形硅片表面,用扩散的方法掺入一些P型杂质,形成PN结,光这就是一块硅光电池。当照射在PN上时,如光子能量hv大于硅的禁带宽度E时,则价带中的电子跃迁到导带,产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区,所以,任阻挡层电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差,P区带正电,为光电池的正极,N区带负电,为光电池的负极。照在PN结上的光强增加,就有更多的空穴流向P区,更多的电子流向N区,从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述,在光的作用下,产生一定方向一定大小的电动势的现象,叫作光生伏特效应。

薄膜太阳能电池结构及原理分析

硅光电池特性

1.2.1 光照特性

不同强度的光照射在光电池上,光电池有不同的短路电流Isc和开路电在Voc,如图1所示。由图1可知短路电流Isc—光强Ev特性是一条直线,即短路电流在很宽的光强范围内,与光强成线性关系,而开路电压是非线性的,而且,在当光强较小,约20mW/cm2时,短路电压就趋于饱和。因此,要想用光电池来测量或控制光的强弱,应当用光电池的短路电流特性。

1.2.2 硅光电池的光谱特性

如图是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易见,不同的光电池,光谱曲线峰值的位置不同,例如硅光电池峰值波长在0.8μm左右,硒光电池在0.54μm左右。硅光电池的光谱范围宽,在0.45~1.1μm之间,硒光电池的光谱范围在0.34~0.75μm之间,只对可见光敏感。

薄膜太阳能电池结构及原理分析

值得注意的是,光电池的光谱曲线形状,复盖范围,不仅与光电池的材料有关,还与制造工艺有关,而且还随着环境温度的变化而变化。

1.2.3 光电池的温度特性

光电池的温度特性如图3所示。由图可知,开路电压随温度的升高而快速下降,短流电流随温度升高而缓缓增加。所以,用光电池作传感器制作的测量仪器,即使采用Isc—Ev特性,在被测参量恒定不变时,仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移,所以,仪器必须采用相应的温度补偿措施。;

硅光电池的结构及工作原理

硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件,其结构图所示。它实质上是一个大面积的半导体PN结。硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层,基体和受光层的交接处形成PN结。在N型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上,并使硅光电池的短路电流增加25%-30%.

薄膜太阳能电池结构及原理分析

以硅材料为基体的硅光电池,可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造。单晶硅光电池是目前应用最广的一种,它有2CR和2DR两种类型,其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造,2DR型硅光电池则采用P型单晶硅制造。

硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的PN结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴对.PN结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层。结果,P区的光生电子进入N区,N区的光生空穴进入P区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在N区的集结使N区带负电,光生电子在P区的集结使P区带正电.P区和N区之间产生光生电动势。当硅光电池接入负载后,光电流从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出。

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( 发表人:彭菁 )

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