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硅太阳能电池

补充:0  浏览:4413  发布时间:2012-6-25


  硅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,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,P区的空穴会扩散到N区,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,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,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
  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
  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
  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。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。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。


 

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