詳細(xì)分析太陽(yáng)能電池技術(shù)(下）
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發(fā)布日期：2018-09-13
核心提示：
詳細(xì)分析太陽(yáng)能電池技術(shù)(下）
鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，即是將染料敏化太陽(yáng)能電池中的染料作了相應(yīng)的替換。
如圖示，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。
其中，電子傳輸層一般為致密的TiO2納米顆粒，以阻止鈣鈦礦層的載流子與FTO中的載流子復(fù)合。通過(guò)調(diào)控TiO2的形貌、元素?fù)诫s或使用其它的n型半導(dǎo)體材料如ZnO等手段來(lái)改善該層的導(dǎo)電能力，以提高電池的性能。
下圖為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及其載流子傳輸機(jī)制
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的物理過(guò)程
在接受太陽(yáng)光照射時(shí)，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因?yàn)檫@些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長(zhǎng)。這就是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池優(yōu)異性能的來(lái)源。
然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)絋iO2等電子傳輸層，最后被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集。
當(dāng)然，這些過(guò)程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復(fù)合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應(yīng)該降到最低。最后，通過(guò)連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。
薄膜太陽(yáng)能電池
薄膜太陽(yáng)能電池就是根據(jù)其厚度特征定義出來(lái)的。硅晶太陽(yáng)能電池有350微米左右厚的吸光層，但是薄膜太陽(yáng)能電池的吸光層只有1微米厚。
薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)者們開(kāi)始減少吸光材料的層數(shù)，比如基體上的半導(dǎo)體、涂層玻璃等。用作半導(dǎo)體的材料不需要很厚，因?yàn)樗鼈兾仗?yáng)能非常高效。所以，薄膜太陽(yáng)能電池輕質(zhì)、耐用、簡(jiǎn)單。
根據(jù)所用半導(dǎo)體的類型，薄膜太陽(yáng)能電池主要有以下三類：非晶硅、碲化鎘和銅銦鎵硒。
非晶硅是傳統(tǒng)硅晶太陽(yáng)能電池的改進(jìn)版，它們被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電子器件中，但是非晶硅也存在著一些缺點(diǎn)和不足。
非晶硅太陽(yáng)能電池最大的問(wèn)題之一就是其半導(dǎo)體所用的材料，硅在市場(chǎng)上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不夠高。因此，這種電池正經(jīng)歷著顯著的沒(méi)落。
更薄的非晶硅電池克服了這一缺點(diǎn)，但是厚度減小后的電池吸收光能的效率更低了。非晶硅電池適用于小尺寸器件，比如說(shuō)計(jì)算器，但不適用于大尺寸器件，比如靠太陽(yáng)能供電的建筑物。
無(wú)硅薄膜光電技術(shù)的良好發(fā)展開(kāi)始克服非晶硅存在的問(wèn)題，如碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池。
基于玻璃的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池
基于玻璃的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池
基于箔條的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池
薄膜太陽(yáng)能電池背后的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)與傳統(tǒng)的硅晶電池還是相同的。光電轉(zhuǎn)換電池需要依賴于半導(dǎo)體。半導(dǎo)體以純物質(zhì)存在時(shí)是絕緣體，但是被加熱或和其他材料結(jié)合時(shí)便能夠?qū)щ?。?dāng)半導(dǎo)體材料被混合或摻雜磷后，就有了額外的自由電子，這就是我們所熟知的N型半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體以其他材料摻雜（如硼），就有了額外的空位能夠接收電子，這就是P型半導(dǎo)體。
薄膜太陽(yáng)能電池通過(guò)一層膜將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接起來(lái)，這就是連接面。即使在沒(méi)有光的情況下，少量的電子能夠從N型半導(dǎo)體穿過(guò)連接面到達(dá)P型半導(dǎo)體，產(chǎn)生一個(gè)小電壓。在有光的條件下，光子能夠擊出大量的電子，這些電子流過(guò)連接面形成電流。
傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中加入硅，而最新一代的薄膜太陽(yáng)能電池使用碲化鎘或銅銦鎵硒薄層替代硅。以納米粒子的形式存在，銅銦鎵硒四種元素在均勻分配系統(tǒng)中進(jìn)行自裝配，以確保這四種元素的比例永遠(yuǎn)是正確的。
銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池有兩種基本的外形。玻璃態(tài)的電池需要用鉬制造正電極，但是在箔條狀電池中不需要鉬薄層，因?yàn)椴瓧l可以作為電極。氧化鋅薄膜在銅銦鎵硒電池中扮演另一電極的角色。在正負(fù)電極之間插入的是半導(dǎo)體材料和硫化鎘，這兩個(gè)薄層扮演了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的角色，用于傳到電極之間產(chǎn)生的電流。
碲化鎘電池和銅銦鎵硒電池有著相似的結(jié)構(gòu)。它的一個(gè)電極由一層滲了銅的碳膠制成，另以電極由氧化錫或錫酸鎘制成。所用的半導(dǎo)體是碲化鎘，和硫化鎘一起扮演了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的角色。
太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展方向
薄膜太陽(yáng)能電池是最富前途的下一代太陽(yáng)能電池技術(shù),它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝?與目前常見(jiàn)的硅片太陽(yáng)能電池相比,硅薄膜太陽(yáng)能電池用硅量?jī)H為前者的1%左右,可使每瓦太陽(yáng)能電池成本從2.5美元降至1.2美元?此外,這種高科技新產(chǎn)品可與建筑物屋頂?墻體材料如玻璃幕墻融為一體,既可并網(wǎng)發(fā)電又能節(jié)約建筑材料?美化環(huán)境?
第三代聚光太陽(yáng)能(CPV)發(fā)電方式,正逐漸成為太陽(yáng)能領(lǐng)域的焦點(diǎn)?光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池,目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正逐漸轉(zhuǎn)向高效的CPV系統(tǒng)發(fā)電?
與前兩代電池相比,CPV采用多結(jié)的III-V族化合物電池,具有大光譜吸收?高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)。而且所需的電池面積不大,以相對(duì)廉價(jià)的聚光器件替代昂貴的半導(dǎo)體材料,在大規(guī)模應(yīng)用于發(fā)電時(shí)可有效降低成本?降低生產(chǎn)能耗?
太陽(yáng)能作為一種持久?普遍?巨大的能源,可以說(shuō)是取之不盡用之不竭?相比于其他能源,太陽(yáng)能的利用是潔凈?無(wú)污染的,利用太陽(yáng)能不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染?當(dāng)人類面臨能源與環(huán)境危機(jī)時(shí),迫切的需要找到一種清潔,高效且相對(duì)充足的能源形勢(shì)來(lái)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,而太陽(yáng)能則是最好的選擇之一?
目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)方式主要為太陽(yáng)能電池的形勢(shì),經(jīng)過(guò)短短幾十年的發(fā)展,太陽(yáng)能電池已具備相當(dāng)成熟的技術(shù)并應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的方方面面?相信,隨著技術(shù)水平的不斷提高,太陽(yáng)能電池會(huì)得到更大的發(fā)展,造福于人類社會(huì)?