晶体硅太阳能电池
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晶体硅异质结太阳电池
晶体硅异质结太阳电池是一种将晶体硅和其他半导体材料组合在一起形成异质结的太阳能电池。
晶体硅是一种常见的太阳能电池材料,具有良好的电学性能和稳定性。
而将晶体硅与其他半导体材料结合形成异质结,可以提高太阳能电池的效能和效率。
晶体硅异质结太阳电池通常由两层半导体材料组成。
其中一层是N型晶体硅,其中掺杂有五价元素(如磷),形成自由电子。
另一层是P型半导体材料,其中掺杂有三价元素(如硼),形成空穴。
当太阳光照射到电池上时,光子可以从太阳光中释放出电子和空穴。
电子和空穴被异质结分离,形成电流。
至于更多的细节,晶体硅异质结太阳电池还有其他的设计和制造方法,包括反射层、透明导电层、防反射涂层等。
这些都有助于提高太阳能电池的光吸收和能量转换效率。
总的来说,晶体硅异质结太阳电池是一种高效、稳定的太阳能电池,可以广泛应用于太阳能发电和太阳能储存系统中。
晶硅太阳能电池介绍晶体硅太阳能电池(也称为硅片太阳能电池)是一种常见且广泛应用于太阳能领域的太阳能转换技术。
它是利用硅片材料对光能的吸收和转化来产生电能的一个过程。
晶体硅太阳能电池主要由硅片、电极、导线和其他附件组成。
硅片是电池的核心部分,也是光能的主要转换区域。
硅片可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种。
其中,单晶硅最为常见和普遍,它的晶格排列非常有序,电池效率相对较高。
晶体硅太阳能电池的工作原理主要涉及光电效应和PN结。
当光照射到硅片上时,光子会将电子从硅原子中激发出来,使其跃迁到空导带中,形成电流。
此时,硅片的一个表面被掺杂为N型导电层,另一个表面被掺杂为P型电导层,两者之间形成了一个PN结。
当光照射到PN结上时,电子会从N型区域流入P型区域,产生电流,同时产生电压差。
这样就完成了光能到电能的转换。
晶体硅太阳能电池的优点主要有以下几个方面:1.高效率:晶体硅太阳能电池的转换效率相对较高,可以达到20%以上,甚至高达25%。
2.长寿命:晶体硅太阳能电池的使用寿命可以达到25年以上,因此使用寿命较长,可以有效降低运维成本。
3.稳定性:晶体硅太阳能电池的稳定性较好,能够在不同环境条件下保持较高的转换效率。
4.良好的可靠性:晶体硅太阳能电池的可靠性较高,能够适应复杂多变的气候条件和环境。
5.可制造成各种形状和尺寸:晶体硅太阳能电池可以根据需求进行灵活制造,可以制作成不同形状和尺寸的太阳能板。
不过,晶体硅太阳能电池也存在一些局限性:1.成本较高:晶体硅太阳能电池的生产成本相对较高,需要较高的投资。
尽管随着技术不断进步,成本正在逐渐降低,但仍然有一定程度的限制。
2.对光强度和温度的敏感性:晶体硅太阳能电池对光强度和温度的变化较为敏感,在光强度较低或温度较高的环境下,效率会有所降低。
3.制造过程对环境的影响:晶体硅太阳能电池的生产过程中需要使用一定数量的能源和化学物质,可能会对环境造成一定的影响。
综上所述,晶体硅太阳能电池是一种广泛应用于太阳能领域的高效太阳能转换技术。
晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。
【摘要】晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池是目前主流的太阳能电池技术。
晶体硅太阳能电池采用单晶硅或多晶硅制成,具有高转换效率和较长寿命的特点,广泛应用于家用光伏发电系统和大型光伏电站。
制造成本高和生产过程能耗大是其主要缺点。
薄膜太阳能电池利用薄膜材料制成,具有灵活性和轻便性,适用于建筑一体化等特殊场景。
但是转换效率较低,使用寿命短。
比较晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池的效率、成本、适用场景等方面可见各有优劣。
未来,随着技术的进步和成本的下降,晶体硅和薄膜太阳能电池将继续发展,为清洁能源产业注入新动力。
【关键词】晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、原理、特点、应用、优缺点、比较、发展前景、总结。
1. 引言1.1 太阳能电池简介太阳能电池,也称为光伏电池,是一种能够将太阳能转化为电能的设备。
它是利用半导体材料的光电效应将太阳辐射直接转换为直流电的装置。
太阳能电池是清洁能源中的重要组成部分,具有环保、可再生和低碳的特点。
太阳能电池的核心部件是光伏电池片,其主要材料包括硅、硒化镉、铜铟镓硒等。
目前市场上主要有晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。
晶体硅太阳能电池具有较高的转换效率和稳定性,是目前主流的太阳能电池技术;而薄膜太阳能电池则具有柔性、轻便和生产成本低的优势。
太阳能电池的应用领域广泛,包括家用光伏发电系统、工业和商业用途,以及航天航空领域等。
随着太阳能产业的快速发展,太阳能电池的效率和成本不断提升,未来将在能源领域扮演越来越重要的角色。
1.2 晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池介绍晶体硅太阳能电池是目前应用最广泛的太阳能电池技术之一。
它由大面积的单晶硅或多晶硅材料组成,通过将硅材料加工成光伏电池片并组装成电池组,从而将太阳能转化为电能。
晶体硅太阳能电池具有转换效率高、稳定性好、寿命长等优点,被广泛应用于屋顶光伏发电、太阳能光伏电站等领域。
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术,采用薄膜材料作为光伏电池片,相比于晶体硅太阳能电池,薄膜太阳能电池具有重量轻、柔软性好、制造成本低等优点。
高效晶体硅太阳能电池介绍高效晶体硅太阳能电池是目前市场上最为常见和广泛应用的一种太阳能电池。
它的高效性和可靠性使其成为太阳能发电领域的主要选择。
本文将介绍高效晶体硅太阳能电池的原理、制造过程、优点和应用领域,并探讨其未来的发展趋势。
高效晶体硅太阳能电池是由单晶硅或多晶硅制成的。
其原理基于光伏效应,即将太阳能转化为电能。
当光线照射到太阳能电池板上时,光子与半导体材料中的电子发生相互作用,激发电子跃迁到导带。
通过电子与空穴的复合,电荷被释放出来,形成电流,最终产生电能。
制造高效晶体硅太阳能电池的过程通常由几个关键步骤组成。
首先,需要从硅矿石提取原始硅材料,并通过化学方法将其转化为硅粉。
然后,硅粉与其他材料混合均匀,形成硅溶胶。
接下来,将硅溶胶涂覆在导电玻璃或衬底上,并将其烘干,形成硅膜。
最后,通过加热和连续处理,将硅膜转化为晶体硅太阳能电池。
高效晶体硅太阳能电池具有许多优点。
首先,它们具有较高的转换效率,通常在15%至25%之间。
这意味着电池可以将大部分太阳能转化为电能,提高能源利用效率。
其次,晶体硅太阳能电池寿命长,可持续使用25年以上。
此外,它们对光强的响应较好,即在弱光条件下仍能产生较高的电能输出。
最后,高效晶体硅太阳能电池的制造工艺相对成熟和稳定,成本相对较低。
高效晶体硅太阳能电池在各个领域都有广泛的应用。
在家庭屋顶和建筑物上安装太阳能电池板,可以将太阳能转化为电能,用于供电、照明和暖气等。
此外,高效晶体硅太阳能电池也广泛应用于太阳能电池板、太阳能电池组件、充电设备和太阳能灯等产品。
随着对可再生能源和环境保护的关注度不断增加,高效晶体硅太阳能电池的未来发展前景十分广阔。
为了提高其转换效率,研究人员正在不断改进太阳能电池设计和材料。
例如,人们正在研究如何改进波长选择器,以优化太阳能电池对不同波长的光线的吸收和利用效率。
此外,研究人员还在探索新型材料,如钙钛矿材料,以提高太阳能电池的效率和稳定性。
晶体硅太阳电池制造工艺原理晶体硅太阳电池的制造过程可谓是一场奇妙的科学之旅,真是让人眼花缭乱。
想象一下,阳光洒在大地上,能量在悄悄地流动。
我们要把这些阳光转化为电力,让我们的生活变得更加美好。
听起来是不是很神奇?晶体硅太阳电池就是这个过程的主角,仿佛是一个超级英雄,默默无闻却改变着世界。
今天就来聊聊这个小小电池的制造工艺,轻松有趣,不那么严肃。
咱们得从原料说起。
晶体硅,顾名思义,就是硅材料。
你可能会问,硅是什么?硅就是你手机里、电脑里那种闪闪发光的半导体材料。
它的来源可不少,地壳中硅的含量可是相当丰富,真的是取之不尽,用之不竭。
听起来好像很简单,但制作晶体硅可不是件容易事。
需要把原材料经过高温加热、熔炼,变成高纯度的硅。
这就像你在厨房做菜,火候掌握得当,才能做出一道美味的菜肴。
咱们要把这些高纯度的硅变成晶体。
通常有两种方法,分别是“Czochralski法”和“区熔法”。
这两个名字听起来高大上,其实也就是把硅加热到液态,然后慢慢冷却,让它自己结晶。
这个过程简直像是在看一场魔术表演,硅在温度的变化中,一点一点地形成晶体结构,犹如冰雪在阳光下融化成水,再慢慢结成冰。
晶体的质量和纯度直接关系到电池的效率,所以这个环节马虎不得。
晶体硅被切割成小小的硅片。
想象一下,厚厚的硅锭被切割得像切蛋糕一样,一片一片的,切得整整齐齐。
每一片都像是小小的太阳能接收器,准备好迎接阳光的洗礼。
切割后,硅片会被放入一个特殊的清洗池,彻底洗净,确保没有任何杂质。
这就像你在出门前认真打理自己的形象,确保看起来光鲜亮丽。
之后,硅片要经过一系列的掺杂工艺,这就像是在给电池“调味”。
掺杂就是在硅中加入一些其他的元素,像磷和硼,来改变它的电导性能。
这一步非常重要,因为晶体硅的电池能否高效工作,全靠这一招。
这种“调味”让硅片的电流变得更加流畅,简直就像是给水管疏通,让水流得更顺畅。
硅片就要涂上薄薄的一层抗反射膜,防止阳光反射出去。
听起来简单,但这可是个技术活,涂得太厚了反而不好,太薄了又不够用。
2024年晶体硅太阳能电池市场发展现状引言晶体硅太阳能电池作为太阳能领域中的主力产品之一,具有高效转换、长寿命和可靠性强等特点,已经成为可再生能源行业的重要组成部分。
本文将对晶体硅太阳能电池市场的发展现状进行深入分析和探讨。
晶体硅太阳能电池技术概述晶体硅太阳能电池采用晶体硅材料制成,通过光伏效应将光转化为电能。
晶体硅太阳能电池主要分为单晶硅和多晶硅两种类型。
单晶硅具有较高的转换效率和优异的性能稳定性,然而制造成本高,不利于大规模生产。
多晶硅的制造成本相对较低,但转换效率较低。
目前,多晶硅太阳能电池在市场上占据主导地位。
2024年晶体硅太阳能电池市场发展现状1. 全球市场规模与发展趋势随着环保意识的增强和可再生能源产业的发展,晶体硅太阳能电池市场持续增长。
根据统计数据显示,全球晶体硅太阳能电池市场规模已经达到数百亿美元,并呈现出持续增长的趋势。
主要发展地区包括欧洲、亚洲和北美洲等。
2. 主要市场参与者晶体硅太阳能电池市场中,主要的市场参与者包括太阳能电池制造商、组件制造商和系统集成商等。
比较有影响力的企业有SunPower、Trina Solar、Canadian Solar、First Solar 等。
这些企业不仅在产品研发和制造方面具有优势,而且在销售渠道拓展和品牌建设方面也取得了显著成果。
3. 市场驱动因素晶体硅太阳能电池市场的快速发展主要受到以下因素的推动:•政府政策支持:各国政府出台了一系列支持太阳能发展的政策和法规,包括补贴政策、产业扶持政策等,大大促进了晶体硅太阳能电池市场的发展。
•成本下降:随着技术的进步和生产规模的扩大,晶体硅太阳能电池的制造成本不断降低,大大提高了市场的竞争力。
•环保意识增强:由于对传统能源的限制和环境问题的日益严重,人们对可再生能源的需求不断增加,推动了晶体硅太阳能电池市场的增长。
4. 发展前景和挑战晶体硅太阳能电池市场具有巨大的发展潜力,预计在未来几年内将继续保持高速增长。
晶体硅太阳能电池和钙钛矿晶体硅太阳能电池和钙钛矿是目前研究和应用较为广泛的两类太阳能电池技术。
晶体硅太阳能电池是一种基于晶体硅材料制造的太阳能电池,而钙钛矿太阳能电池则是利用钙钛矿材料制造的太阳能电池。
两者在结构、工作原理和性能等方面存在一定的差异,但都具有重要的应用前景。
晶体硅太阳能电池是目前商业化应用最广泛的太阳能电池技术之一。
其结构由P-N结构组成,包括P型硅和N型硅两个半导体材料。
当光照射到晶体硅太阳能电池上时,光子能量被吸收,激发电子从P区向N区移动,形成电流。
这种电流经过外部电路后,就可以驱动电子设备工作。
晶体硅太阳能电池具有高转换效率、长期稳定性和可靠性强等优点,被广泛应用于屋顶光伏发电、太阳能电池板等领域。
然而,晶体硅太阳能电池也存在一些问题。
首先,制造成本较高,主要是由于材料制备和加工工艺的复杂性导致的。
其次,晶体硅太阳能电池对光的吸收范围有限,只能吸收太阳光谱中的一部分能量,无法充分利用太阳能资源。
此外,晶体硅太阳能电池在高温环境下效率会降低,限制了其在一些地区的应用。
钙钛矿太阳能电池是近年来快速发展的新型太阳能电池技术。
钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的无机材料,具有优异的光电特性。
钙钛矿太阳能电池的工作原理是将光子能量吸收转化为电子能量,利用钙钛矿材料中的电子传导和离子传输来实现电流的产生。
钙钛矿太阳能电池具有高转换效率、低制造成本和较宽的光吸收范围等优势,被视为下一代太阳能电池技术的发展方向。
然而,钙钛矿太阳能电池也存在一些挑战和问题。
首先,钙钛矿材料相对不稳定,容易受潮、氧化和退化,限制了其长期稳定性和使用寿命。
其次,钙钛矿太阳能电池在高温和潮湿环境下性能会下降,需要进一步改进材料和工艺。
此外,钙钛矿太阳能电池的商业化应用还面临一些技术和市场的挑战,需要进一步推动研发和产业化进程。
晶体硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池是两类重要的太阳能电池技术。
晶体硅太阳能电池在商业化应用上具有广泛的优势和成熟的产业链,但也存在一些问题。
晶体硅太阳能电池结构及原理1.衬底层:通常采用硅衬底,它是一个薄而坚固的基底,用于支撑整个电池。
2.P-N结:位于衬底层上方的是一个P-N结,它由P型硅层和N型硅层组成。
P型硅层向上注入杂质,使之成为P型半导体,N型硅层向下注入杂质,使之成为N型半导体。
P-N结的形成是通过在硅层中引入不同杂质原子,使得两侧形成不同的杂质浓度,从而形成P-N结。
3.金属网格:位于P型硅层和N型硅层之间的金属网格,通常采用铝作为材料。
金属网格的作用是收集通过P-N结产生的电子和空穴。
4.导电层:覆盖在金属网格上方的是导电层,它通常由透明的氧化锡或氧化铟锡薄膜组成,用于将电流导出。
5.防反射层:位于导电层上方的是防反射层,它通常由二氧化硅薄膜或其他适当的材料制成,用于提高光的吸收效率。
1.吸收光能:当光线照射到晶体硅太阳能电池上时,大部分光线将被引导进入P-N结内部,与P型硅层和N型硅层的杂质原子相互作用。
光能会使杂质原子中的电子被激发,跃迁到更高的能级上,形成自由电子和自由空穴。
2.分离电荷:自由电子和自由空穴会在P-N结内部被分离出来。
由于P型硅层中的杂质原子的排列方式,自由电子将被吸引到N型硅层,并向金属网格中流动,而自由空穴则被吸引到P型硅层,并向另一面流动。
3.电流输出:自由电子和自由空穴的运动形成了电流,这个电流可以通过金属网格和导电层导出。
通过在金属网格和导电层上连接线路,可以将电流输出到外部设备或储存电池中。
总之,晶体硅太阳能电池利用光的能量将其转化为电能。
通过P-N结的形成和光的吸收、电子和空穴的分离,最终形成电流输出。
这种电池结构简单、稳定,且具有较高的转化效率,因此被广泛应用于太阳能发电系统中。
晶体硅异质结太阳能电池晶体硅异质结太阳能电池,这个词听起来挺高大上的吧?别担心,我来给你普及一下,咱们轻轻松松聊聊这个话题。
想象一下太阳,那个大火球,每天都在那儿默默发光发热。
我们人类就像是得了天大的便宜,没事就可以享受这份免费的大自然馈赠。
而晶体硅异质结太阳能电池,简单来说,就是把这份恩惠变成我们能用的电力。
就像是把阳光打包成了小电流,让你可以用来充手机、开灯、甚至驱动电动车,真是神奇得很。
说到晶体硅,大家都知道,硅是地球上最常见的元素之一,听起来很简单。
可当它跟其他材料搭配时,就变得特别有意思了。
想象一下,晶体硅就像是一位优秀的厨师,能够和各种配料混搭出不同的美味。
异质结太阳能电池就是这种搭配的结果。
它把晶体硅和非晶硅结合在一起,创造出了一种新型的电池,效率高,成本低,简直是太阳能界的“跨界大咖”。
想象一下,太阳光洒在这些电池上,瞬间就开始产生电流,哇,简直像是魔法!这种电池的工作原理也不复杂。
太阳光打在电池表面,激发电子,电子一激发,就像是孩子们在游乐场上蹦蹦跳跳,瞬间变成了活力满满的电能。
这种电池还有一个好处,就是它对光照的适应能力很强。
不管是晴天还是阴天,只要有光,它就能高效工作。
这样一来,咱们再也不怕阴雨天了。
再说说它的应用,晶体硅异质结太阳能电池简直是个万金油。
家里装个太阳能板,白天吸收阳光,晚上就能用电,嘿,这感觉就像是掌握了超能力。
尤其在一些偏远地区,没电的日子就像没有水的鱼,大家都希望能用上电,生活才有盼头。
而这些电池,正好能解决这个问题,让每个人都能享受现代生活的便利。
不过,咱们也不能忽视它的一些挑战。
虽然技术不断进步,晶体硅异质结太阳能电池的生产成本逐渐降低,但相较于传统能源,依然有些不够“亲民”。
相关部门、市场波动,也会影响这些新技术的普及。
不过,谁说这些挑战不可克服呢?科技的发展总是伴随着困难和机遇,就像走路一样,总得迈出第一步才能看见未来。
环保也是一个大话题。
使用太阳能电池,减少了对化石燃料的依赖,这可是给地球减负,帮助保护环境。
晶体硅太阳电池技术嘿,咱来聊聊晶体硅太阳电池技术这玩意儿。
我有个特牛的经历,有回参加一个科技展,那里面有个专门展示太阳能应用的区域,我一眼就被那些晶体硅太阳电池的展示品吸引住了。
现场有个小模型,用晶体硅太阳电池供电,上面有个小风扇呼呼转呢,还有几个小灯一闪一闪的,那场面,就像看到了未来世界的小缩影,可有意思了。
咱先说说晶体硅,这可是晶体硅太阳电池的关键。
晶体硅呢,就像是太阳能的小仓库,它能把太阳光这个大宝贝给存起来,变成电。
有单晶硅和多晶硅两种。
单晶硅啊,那是从硅材料里精心提炼出来的,就像从一群马里面挑出最纯种的马一样,纯度可高了。
它的转化效率也高,就像个厉害的小魔法师,能把更多的太阳光变成电。
不过呢,它的成本也高,就像买奢侈品一样,价格不便宜。
多晶硅呢,是好多小晶体凑一块儿的,成本低一些,就像团购似的,虽然效率没单晶硅那么高,但性价比不错,在市场上也很受欢迎。
再说说这晶体硅太阳电池的结构,那是相当有讲究。
就像盖房子,有好几层呢。
最上面有个减反射膜,这玩意儿就像是给太阳电池戴了个隐形眼镜,能让太阳光更好地进去。
然后有个电极,这电极就像电线一样,把产生的电导出来。
中间的P - N 结那是核心,就像心脏一样,太阳光一照,电子就开始在这儿忙活起来,产生电流,这个过程可神奇了,就像一场微观世界里的大狂欢。
制作晶体硅太阳电池的工艺也不简单。
从硅片的切割开始,那得用专门的切割机,就像切豆腐一样,但这豆腐可金贵着呢,得切得又薄又均匀。
然后是扩散、蚀刻这些步骤,每个环节都得小心翼翼的,差一点儿都不行。
就像我在科技展上看到那些工作人员演示制作过程,那专注的眼神,手都不敢抖一下,感觉他们不是在做电池,是在创造一个小生命一样。
晶体硅太阳电池在生活中的应用可多了。
像我家附近的路灯,上面就有太阳能板,用的就是晶体硅太阳电池。
白天晒太阳充电,晚上就亮堂堂的,可环保了。
还有那些在野外工作的小设备,像监测气象的小仪器之类的,有了晶体硅太阳电池,就不用老换电池了。
晶体硅太阳能电池的厚度晶体硅太阳能电池的厚度,这话题一提,许多人可能就会觉得:“这不就是个技术性很强的东西吗?跟我有啥关系?”这事儿跟我们的生活有关系,远比你想的要贴近。
你要知道,太阳能电池在我们的世界里越来越普遍了,甚至有些地方,连大楼上的窗户都能发电。
而晶体硅太阳能电池,又是最常见的一种,它能把阳光变成电能,给我们的生活带来便利。
说到这里,大家肯定会问:“那这厚度到底有啥讲究?为什么这么重要?”说实话,这个问题可大可小,细看起来,里面有很多学问。
咱们今天就聊聊这个话题,轻松一点,别太拘谨,咱们一起来看看太阳能电池是怎么根据厚度来发挥作用的。
太阳能电池的厚度直接决定了它的“吸光能力”,没错,就是这个词。
你想,太阳光射到电池上,电池的作用就是把这些光线转化成电能。
厚度越大,电池能吸收的光线就越多,换句话说,电池的效率也就越高。
这听起来好像挺简单,实际上可没那么一回事。
你要知道,太阳能电池可不是什么“越厚越好”的道理。
像晶体硅太阳能电池,过厚了反而会降低效率。
为什么呢?因为厚的电池能吸收更多的光线,但光线一进入,它就容易“消耗”在电池内部,不能完全转化成电能。
就好比你吃东西,吃得多了,消化吸收不良,最后你反倒什么也没得到。
再说了,电池太厚,不仅不高效,制作起来也麻烦。
太阳能电池的材料成本就已经不便宜了,再加上厚度过大,制造工艺复杂,成本就更高了。
每一层材料、每一个步骤都得精打细算。
你想,一块电池如果很厚,可能制作出来就很重,甚至可能不方便安装在很多地方,尤其是那些需要轻便、高效的场合。
是不是有点儿“竹篮打水一场空”的意思?所以,虽然厚度在一定程度上影响电池的表现,但不能过犹不及。
适中才是王道。
说到这里,我想大家肯定有个疑问了:“那究竟多厚才算合适呢?”这个问题可真不好回答,要看你要用它干啥。
如果是家庭使用的屋顶,咱们可能会用到薄一点的电池,因为屋顶面积有限,电池不需要太厚就能满足需求。
如果是大规模的太阳能发电站,厚度可能就需要适当增加了,毕竟大规模发电需要的效率更高,这样才能在有限的空间里发挥更大的作用。
晶体硅太阳能电池专业班级:机械设计制造及其自动化13秋*名:***学号: *************报告时间: 2015年12月晶体硅太阳能电池摘要:人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力,能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。
人们开始急切地寻找其他的能源物质,而光能、风能、海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。
光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来,因此近年来,光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。
本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍,并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。
关键词:太阳能电池;工作原理;晶体硅;特点;发展趋势前言“开发太阳能,造福全人类”人类这一美好的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近!近20年来,光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh减少到低于20美分/KWh。
而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构,太阳能光伏(PV)发电成本将会进一步降低,到本世纪中叶将降至4美分/KWh,优于传统的发电费用。
大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。
通过降低峰瓦电池的硅材料成本,通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本,通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本,通过合理的机制建立优秀的技术团队、避免人才的不合理流动、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在!一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器,太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。
在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目相等。
如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素,就构成了P型半导体,如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素,就构成了N型半导体。
若把这两种半导体结合在一起,在交界面处便会形成PN 结,并在结的两边形成势垒电场。
当太阳光照射PN结时,在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子,产生电子-空穴对,在势垒电场的作用下,电子被驱向N型区,空穴被驱向P型区,从而在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
光生电场的一部分抵销势垒电场,其余使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势,即光生伏特电动势,当接通外电路时便有电能输出。
这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。
若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来,组成太阳能电池组件,在太阳光的照射下,便可获得输出功率相当可观的电能。
二、晶硅太阳能电池特点(一)晶硅电池包括单晶硅和多晶硅,在硅系列太阳能电池中,单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的,技术也最成熟,在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位。
虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用,但晶体硅的禁带宽度Eg=1.12eV,太阳能光电转换理论效率相对较低;硅材料是间接能带材料,在可见光范围内,硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料,如同样吸收95%以上的太阳光,GaAS太阳电池只需要5~10μm,而硅太阳电池在150~200μm以上,才能有效地吸收太阳能;高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。
提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。
由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本据高不下;硅太阳电池尺寸相对较小,若组成光伏系统,要用数十个相同的硅太阳电池连接起来,造成系统成本较高。
这些因素严重影响了其广泛应用。
为解决单晶硅太阳能电池的制造过程复杂、能耗大的缺点,用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。
但是多晶硅材料质量比单晶硅差,有许多晶界存在,电池效率比单晶硅低;晶向不一致,表面织构化困难。
但多晶硅太阳能电池经过不断的努力,目前其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。
特别是多晶硅电池可以制成方形,在制作太阳能电池组件时面积利用率高。
今后,在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料,如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。
(二)晶硅太阳能的发展趋势高效电池是光伏的突围之匙,近年来晶硅太阳能电池的转换效率取得重大进展,浆料及丝网印刷技术进步最快;但随之而来的是银的消耗日益突出,其成本已占到电池成本的17%左右,如图2-1为量产太阳能电池的转换效率。
图2-1量产太阳能电池的转换效率晶体硅电池发展的趋势是低成本、高效率,这是光伏技术的发展方向。
低成本的实现途径包括效率提高、成本下降及组件寿命提升三方面。
效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进。
成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发。
组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。
因而,晶体硅电池发电的平价上网时间表除了与产业规模的扩大有关外,最重要的依赖于产业技术(包括设备和原材料)的改进。
仅靠工艺水平的改进对电池效率的提升空间已经越来越有限,电池效率的进一步提升将依赖新结构、新工艺的建立。
具有产业化前景的新结构电池包括选择性发射极电池、异质结电池、背面主栅电池及N型电池等。
这些电池结构采用不同的技术途径解决了电池的栅线细化、选择性扩散、表面钝化等问题,可以将电池产业化效率提升2~3个百分点。
为了进一步降低成本、提高效率,各国光伏研究机构和生产商不断改善现有技术,开发新技术。
如新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列PESC、PERC、PERL电池,2001年,PERL电池效率达到24.7%,接近理论值,是迄今为止的最高记录。
后来由此衍生了南京中电的SE电池与尚德的PLUTO电池,PLUTO电池的本质即是将实验室PERL电池进行量产,SE电池可以算是尚德PLUTO电池的一个简化版,它们都是从PE系列电池演变而来,因为无论是PESC、PERC,还是PERL 电池均含有SE电池最典型的选择性发射极技术,SE技术只选取PE系列收益最明显、同时产业化相对容易的前表面结构部分。
相对于尚德PLUTO是对PERL技术的“高仿”电池,中电SE电池可视为“低仿”,如图2-2 PERL电池结构是PERL电池结构图。
图2-2 PERL电池结构PERL电池具有高效率的原因在于:(1)电池正面采用“倒金字塔”,这种结构受光效果优于绒面结构,具有很低的反射率,从而提高了电池的短路电流JSC.(2)淡磷、浓磷的分区扩散。
栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻;而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小,且短波响应好的要求;(3)背面进行定域、小面积的硼扩散P+区。
这会减少背电极的接触电阻,又增加了硼背面场,蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器,从而进一步提高了电池的转化效率;(4)双面钝化。
发射极的表面钝化降低表面态,同时减少了前表面的少子复合。
而背面钝化使反向饱和电流密度下降,同时光谱响应也得到改善;但是这种电池的制造过程相当繁琐,其中涉及到好几道光刻工艺,所以不是一个低成本的生产工艺。
其他如SunPower公司开发出一种采用丝网印刷工艺的低成本背面点接触电池,效率已达22%;三洋公司生产的HIT电池,研发效率可达23.7%;德国Konstanz ISEC采用n型ZEBRA IBC技术研发的双面电池得到了21.1%效率,背面的光照可得到20%额外的输出功率。
太阳电池硅片技术发展趋势是薄片化,降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施,是光伏技术进步的重要方面。
30多年来,太阳电池硅片厚度从70年的450~500μm 降低到目前的150~180μm,降低了一半以上,硅材料用量大大减少,对太阳电池成本降低起到了重要作用,是技术进步促进成本降低的重要范例之一,如图2-3普通硅太阳能电池的多种损失机制显示了太阳电池硅片厚度的降低。
表2-1太阳电池硅片厚度的降低(三)晶硅太阳能电池转换效率的损失机理太阳能电池转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制。
现有的影响太阳能电池效率的因素主要有电学损失和光学损失,光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性;电量转换损失包括载流子损失和欧姆损失。
太阳光之所以仅有很少的百分比转换为电能,原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流,晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合,在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子—空穴对,余下的能量又被转换为未利用的热量,光的反射引起阳光中的一部分不能进入电池中。
如硅的带隙Eg=1.12eV,对应波长大于1.1μm的光透过,不能被吸收;波长小于1.1μm的光子能量如果大于Eg,一个光子只产生一个电子,多余能量不能利用,以热的形式损失;硅表面反射率35%,造成较大的反射损失;其他如二极管非线性损失、复合损失、接触电阻损失都造成硅电池效率的下降。
对于单晶硅硅太阳能电池,转换效率的理论最高值是28%。
只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。
影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面,如图2-3所示:(1)光学损失,包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。
(2)电学损失,它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的接触电阻,以及金属和半导体的接触电阻等的损失。
这其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳能电池的开路电压。
光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。
此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。
图2-3普通硅太阳能电池的多种损失机制(四)提高晶硅太阳能电池转换效率的方法围绕提高晶硅太阳能电池的转换效率,目前正在采用的有效技术有:1、优化晶体硅材料:太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系,理论和实践都证明0.5-3Ω·cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。
为了降低光致衰减,目前单晶有向高电阻率发展的趋势。
2、高方阻技术:采用均匀高方阻技术,高方阻PN结具有高表面活性磷浓度、低非活性磷浓度、深结的特点。
3、先进的金属化技术:金属栅线由不透光的银颗粒及玻璃体组成。
为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失,可以缩小细栅的宽度、采用超细主栅或无主栅、背面接触、栅线内反射、选择性扩散技术、激光刻槽埋栅电池。
4、光陷阱结构:一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术,制得绒面的反射率可达到10%以下。