一、硅太阳能电池 1.硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的 原理主要是半导体的光电效应, 一般的半导体主要结构如下: 硅材料是一种 半导体材料, 太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般 半导体的分子结构是这样的: 上图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕 在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼(黑色或银灰 色固体,熔点 2300℃,沸点 3658℃,密度 2.34 克/厘米,硬度仅次于金刚石, 在室温下较稳定,可与氮、碳、硅作用,高温下硼还与许多金属和金属氧化物反 应,形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的 物质。)、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在一个空穴,它的形成可以参照 下图说明: 图中,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子,而黄 色的表示掺入的硼原子, 因为硼原子周围只有 3 个电子, 所以就会产生如图所示 的蓝色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸收电子而中和, 形成 P(positive)型半导体。 (附,什么是 P 型半导体呢?在半导体材料 硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的 P 型半导体,掺入五价元素杂 质可构成多余壳粒的 N 型半导体。) 同样,掺入磷原子以后,因为磷原子 有五个电子, 所以就会有一个电子变得非常活跃, 形成 N (negative) 型半导体。 黄色的为磷原子核,红色的为多余的电子,如下图所示: P 型半导体中含有较多的空穴,而 N 型半导体中含有较多的电子,这样, 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时, 就会在接触面形成电势差, 这就是 PN 结。 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成 一个特殊的薄层,界面的 P 型一侧带负电,N 型一侧带正电。这是由于 P 型半 导体多空穴,N 型半导体多自由电子,出现了浓度差。N 区的电子汇扩散到 P 区, 区的空穴会扩散到 N 区, P 一旦扩散就形成了一个有 N 指向 P 的“内电场”, 从而阻止扩散进行。达到平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,从 而形成 PN 结。当晶片受光后,PN 结中,N 型半导体的空穴往 P 型区移动,而 P 型区中的电子往 N 型区移动, 从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。 然后在 PN 结中形成电势差,这就形成了电源。下面就是这样的电源图。 由于半导体不是电的良导体,电子在通过 p-n 结后如果在半导体中流动,电阻非 常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就 不能产生,因此一般用金属网格覆盖 p-n 结(如图梳状电极),以增加入射光的 面积。 另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为 此,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图),实际工业生产 基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜,厚度在 1000 埃左右。将反射损失 减小到 5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将 很多电池(通常是 36 个)并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。 2.硅 太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350~450μm 的 高质量硅片上制成的, 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 上述方法 实际消耗的硅材料更多。 为了节省材料,目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气 相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积 (PECVD)工艺。此外,液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶 硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4 或 SiH4,为 反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材 料一般选用 Si、SiO2、Si3N4 等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的 晶粒, 并且容易在晶粒间形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上 沉积一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在 这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节, 目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。 多晶硅薄膜电池除采用了 再结晶工艺外, 另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这样制得的 太阳能电池转换效率明显提高。 二、纳米晶化学太阳能电池非晶硅薄膜太阳 能电池 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的, 但由于成本居高不下, 远不能满足大规模推广应用的要求。为此,人们一直不断在工艺、新材料、电池 薄膜化等方面进行探索,而这当中新近发展的纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池 受到国内外科学家的重视。 以染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)为 例,这种电池主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底,染料敏化的半导体材料、对 电极以及电解质等几部分。 阳极:染料敏化半导体薄膜(TiO2 膜) 阴 极:镀铂的导电玻璃 电解质:I3/I 如图所示,白色小球表示 TiO2,红 色小球表示染料分子。染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电 子快速注入到紧邻的 TiO2 导带, 染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿, 进入 TiO2 导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。 纳米 晶 TiO2 太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光 电效率稳定在 10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的 1/5~1/10.寿命能达到 20 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步,估计不久的将来会逐步走 上市场。 三、染料敏化 TiO2 太阳能电池的手工制作 1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地 在导电玻璃上进行涂膜 (3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结 10~15 分钟, 然 后冷却 2.利用天然染料为二氧化钛着色 如图所示, 把新鲜的或冰冻的黑 梅、山梅、石榴籽或红茶,加一汤匙的水并进行挤压,然后把二氧化钛膜放进去 进行着色, 大约需要 5 分钟, 直到膜层变成深紫色, 如果膜层两面着色的不均匀, 可以再放进去浸泡 5 分钟,然后用乙醇冲洗,并用柔软的纸轻轻地擦干。 3. 制作正电极 由染料着色的 TiO2 为电子流出的一极(即负极)。正电极可由 导电玻璃的导电面(涂有导电的 SnO2 膜层)构成,利用一个简单的万用表就可 以判断玻璃的那一面是可以导电的, 利用手指也可以做出判断, 导电面较为粗糙。 如图所示,把非导电面标上?+?,然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 4.加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质, 它主要用于还 原和再生染料。 如图所示, 在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 5. 组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上, 在膜上面滴一到两滴含碘 和碘离子的电解质, 然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃 稍微错开,用两个夹子把电池夹住,两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。 这样,你的太阳能电池就做成了。 6.电池的测试 在室外太阳光下,检测 你的太阳能电池是否可以产生电流。 编辑本段结构 正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 PN 结 当硅晶体中掺入其他的杂质,如硼、磷等,当掺入硼时,硅晶体中就会存在着一 个空穴,它的形成可以参照下图: 正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅 原子旁边的四个电子。 而黄色的表示掺入的硼原子, 因为硼原子周围只有 3 个电 子,所以就会产生蓝色的空穴,这个空穴因为没有电子而变得很不稳定,容易吸 收电子而中和,形成 P(positive)型半导体。 同样,掺入磷原子以后,因 为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成 N(negative) 型半导体。黄色的为磷原子核,红色的为多余的电子。 N 型半导体中含有较 多的空穴,而 P 型半导体中含有较多的电子,这样,当 P 型和 N 型半导体结合 在一起时,就会在接触面形成电势差,这就是 PN 结。 当 P 型和 N 型半导 体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层),界面 的 P 型一侧带负电,N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体多空穴,N 型半导 体多自由电子,出现了浓度差。N 区的电子会扩散到 P 区,P 区的空穴会扩散到 N 区,一旦扩散就形成了一个由 N 指向 P 的“内电场”,从而阻止扩散进行。达到 平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,这就是 PN 结。 当晶片 受光后,PN 结中,N 型半导体的空穴往 P 型区移动,而 P 型区中的电子往 N 型区移动,从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。然后在 PN 结中形成电势差, 这就形成了电源 由于半导体不是电的良导体,电子在通过 p-n 结后如果在 半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳 光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖 p-n 结(如图梳状 电极),以增加入射光的面积。原理图 另外硅表面非常光亮,会反射掉大量的太阳光,不能被电池利用。为此,科学家 们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图),将反射损失减小到 5%甚 至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限,于是人们又将很多电池(通 常是 36 个)并联或串联起来使用,形成太阳能光电板。 编辑本段发电原理 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。 能产生光伏效应 的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发 电原理基本相同,现已晶体硅为例描述光发电过程。 P 型晶体硅经过掺杂磷可 得 N 型硅,形成 P-N 结。 当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材 料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流 流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能 的过程。 编辑本段生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350~450μm 的高质量硅片上制成的, 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 上述方法实际消耗的硅材料更多。 为了节省材料, 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学 气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外,液相 外延法(LPPE) 生产线 化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4 或 SiH4,为反应气体,在一定的 保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上, 衬底材料一般选用 Si、 SiO2、 Si3N4 等。但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间 形成空隙。 解决这一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层, 再将这层非晶硅层退火, 得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅 薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相 结晶法和中区熔再结晶法。 多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了 几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术, 这样制得的太阳能电池转换效率明显提 高。