3.太陽(yáng)能電池
電池行業(yè)是21世紀(jì)的朝陽(yáng)行業(yè),發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中,zui沒(méi)有污染、市場(chǎng)空間zui大的應(yīng)該是太陽(yáng)能電池,太陽(yáng)能電池的研究與開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛重視。
太陽(yáng)的光輝普照大地,它是明亮的使者,太陽(yáng)的光除了照亮世界,使植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)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(zhǎng)木材給我們建筑房屋以外,太陽(yáng)的光還可以通過(guò)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。太?yáng)能電池是一種近年發(fā)展起來(lái)的新型的電池。太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽(yáng)的輻射光通過(guò)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(guò)程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”,因此太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為“光伏電池”,用于太陽(yáng)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(gè)電子,按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)受到外來(lái)能量的作用時(shí),這些電子就會(huì)脫離軌道而成為自由電子,并在原來(lái)的位置上留下一個(gè)“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(hào)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(hào)N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合,交界面便形成一個(gè)P-N結(jié)。太陽(yáng)能電池的奧妙就在這個(gè)“結(jié)”上,P-N結(jié)就像一堵墻,阻礙著電子和空穴的移動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí),電子接受光能,向N型區(qū)移動(dòng),使N型區(qū)帶負(fù)電,同時(shí)空穴向P型區(qū)移動(dòng),使P型區(qū)帶正電。這樣,在P-N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì),也就是通常所說(shuō)的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說(shuō)的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時(shí)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(guò),如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái),就能產(chǎn)生一定的電壓和電流,輸出功率。制造太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種,因此太陽(yáng)電池的種類(lèi)也很多。目前,技術(shù)zui成熟,并具有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)電池要算硅太陽(yáng)電池。
1953年美國(guó)貝爾研究所首先應(yīng)用這個(gè)原理試制成功硅太陽(yáng)電池,獲得6%光電轉(zhuǎn)換效率的成果。太陽(yáng)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(duì)它更是注目。這是由于當(dāng)時(shí)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(zhǎng),使用方便,能承受各種沖擊、振動(dòng)的影響。太陽(yáng)能電池*這些要求,1958年,美國(guó)的“先鋒一號(hào)”人造衛(wèi)星就是用了太陽(yáng)能電池作為電源,成為世界上*個(gè)用太陽(yáng)能供電的衛(wèi)星,空間電源的需求使太陽(yáng)電池作為技術(shù),身價(jià)百倍。現(xiàn)在,各式各樣的衛(wèi)星和空間飛行器上都裝上了布滿(mǎn)太陽(yáng)能電池的“翅膀”,使它們能夠在太空中長(zhǎng)久遨游。我國(guó)1958年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制工作,并于1971年將研制的太陽(yáng)能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。以太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)電池造價(jià)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(kāi)發(fā),開(kāi)始將太陽(yáng)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(shí)至今日,光電轉(zhuǎn)換已展示出廣闊的應(yīng)用前景。
太陽(yáng)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(yáng)能電池飛機(jī)在美國(guó)試飛成功以來(lái),激起人們對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)研究的熱潮,太陽(yáng)能飛機(jī)從此飛速地發(fā)展起來(lái),只用了六七年時(shí)間太陽(yáng)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(yáng)能飛機(jī),飛行高度可達(dá)2萬(wàn)多米,航程超過(guò)4000公里。另外,太陽(yáng)能汽車(chē)也發(fā)展很快。
在建造太陽(yáng)能電池發(fā)電站上,許多國(guó)家也取得了較大進(jìn)展。1985年,美國(guó)阿爾康公司研制的太陽(yáng)能電池發(fā)電站,用108個(gè)太陽(yáng)板,256個(gè)光電池模塊,年發(fā)電能力300萬(wàn)度。德國(guó)1990年建造的小型太陽(yáng)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(guó)加州公用局又開(kāi)始研制一種“革命性的太陽(yáng)能發(fā)電裝置”,預(yù)計(jì)可供加州1/3的用電量。用太陽(yáng)能電池發(fā)電確實(shí)是一種誘人的方式,據(jù)專(zhuān)家測(cè)算,如果能把撒哈拉沙漠太陽(yáng)輻射能的1%收集起來(lái),足夠*的所有能源消耗。
在生產(chǎn)和生活中,太陽(yáng)能電池已在一些國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用,在遠(yuǎn)離輸電線路的地方,使用太陽(yáng)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(yáng)能電池供電的彩色電視機(jī),太陽(yáng)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(yáng)能電池應(yīng)用于汽車(chē)的自動(dòng)換氣裝置、空調(diào)設(shè)備等民用工業(yè)。我國(guó)的一些電視差轉(zhuǎn)臺(tái)也已用太陽(yáng)能電池為電源,投資省,使用方便,很受歡迎。
當(dāng)前,太陽(yáng)能電池的開(kāi)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(yáng)能電池在一些國(guó)家已大批量生產(chǎn),并得到廣泛應(yīng)用;同時(shí)人們正在開(kāi)發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽(yáng)能電池;可以預(yù)見(jiàn),太陽(yáng)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(lái)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(duì)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(guó)力圖擺脫對(duì)常規(guī)能源的依賴(lài),加速發(fā)展可再生能源。作為的可再生能源,太陽(yáng)能具有“取之不盡,用之不竭”的特點(diǎn),而利用太陽(yáng)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(wèn)題。所以在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了高度重視,歐洲聯(lián)盟國(guó)家計(jì)劃在2010年太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的電力占所有總電力的1.5%,美國(guó)啟動(dòng)了“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃。在能源短缺,環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益嚴(yán)重的我國(guó),低成本率地利用太陽(yáng)能尤為重要。
太陽(yáng)能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽(yáng)電池簡(jiǎn)單裝置如圖1所示。當(dāng)N型和P型兩種不同型號(hào)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(chǎng)。當(dāng)光照在太陽(yáng)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(duì),這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下分離開(kāi),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(kāi)始了地面用太陽(yáng)電池商品化以來(lái),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(huì)發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括:?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池,鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池,非晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池則具有穩(wěn)定得轉(zhuǎn)換的效率,而且性能價(jià)格比zui高;薄膜晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽(yáng)能電池,材料中的各種缺陷,如晶界、位錯(cuò)、微缺陷,和材料中的雜質(zhì)碳和氧,以及工藝過(guò)程中玷污的過(guò)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(shì)。其中,碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CuInSe2)被認(rèn)識(shí)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(yáng)電池抗衡需要大量的工作去做。 返回11
5.晶體硅太陽(yáng)電池及材料
引言
1839年,法國(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)出效率為6%的單晶硅光電池,現(xiàn)代硅太陽(yáng)電池時(shí)代從此開(kāi)始。硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池發(fā)展的*個(gè)時(shí)期。第二個(gè)時(shí)期開(kāi)始于70年代初,在這個(gè)時(shí)期背表面場(chǎng)、細(xì)柵金屬化、淺結(jié)表面擴(kuò)散和表面織構(gòu)化開(kāi)始引人到電池的制造工藝中,太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。與此同時(shí),硅太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面應(yīng)用,而且不斷擴(kuò)大,到70年代未地面用太陽(yáng)電池產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)空間電池產(chǎn)量,并促使成本不斷降低。 80年代初,硅太陽(yáng)電他進(jìn)入快速發(fā)展的第三個(gè)時(shí)期。這個(gè)時(shí)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(yáng)電他的整個(gè)發(fā)展歷程中,先后出現(xiàn)過(guò)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(duì)太陽(yáng)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(chǔ)量第二大元素,作為半導(dǎo)體材料,人們對(duì)它研究得zui多、技術(shù)zui成熟,而
且晶硅性能穩(wěn)定、無(wú)毒,因此成為太陽(yáng)電池研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體材料。
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