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光伏材料

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光伏材料又稱太陽電池材料,是指能將太陽能直接轉換成電能的材料。光伏材料能產生電流是因為光生伏特效應,即如果光線照射在太陽能電池上並且光在界面層被吸收,具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發,以致產生電子空穴對。
中文名
光伏材料
外文名
solar cell materials
學    科
材料工程
領    域
工程技術

光伏材料簡介

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光伏材料是指能將太陽能直接轉換成電能的材料。光伏材料又稱太陽電池材料,只有半導體材料具有這種功能。可做太陽電池材料的材料有單晶硅多晶硅非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用於空間的有單晶硅、GaAs、InP。用於地面已批量生產的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚處於開發階段。致力於降低材料成本和提高轉換效率,使太陽電池的電力價格與火力發電的電力價格競爭,從而為更廣泛更大規模應用創造條件 [1] 

光伏材料光伏發電

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光伏材料能產生電流是因為光生伏特效應,即如果光線照射在太陽能電池上並且光在界面層被吸收,具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發,以致產生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在複合之前,將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區和空穴向帶負電的P區運動。通過界面層的電荷分離,將在P區和N區之間產生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極並接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來説,開路電壓的典型數值為0.5~0.6V。通過光照在界面層產生的電子-空穴對越多,電流越大。界面層吸收的光能越多,界面層即電池面積越大,在太陽能電池中形成的電流也越大。

光伏材料分類

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光伏材料材料分類

可做太陽電池材料的材料有單晶硅多晶硅非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。

光伏材料應用分類

用於空間的有單晶硅、GaAs、InP。用於地面已批量生產的有單晶硅、多晶硅非晶硅。其他尚處於開發階段。
致力於降低材料成本和提高轉換效率,使太陽電池的電力價格與火力發電的電力價格競爭,從而為更廣泛更大規模應用創造條件 [2] 

光伏材料材料特性

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(1)單晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右,最高的達到24%,這是所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的,但製作成本很大,以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由於單晶硅一般採用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝,因此其堅固耐用,使用壽命一般可達15年,最高可達25年。
(2)多晶硅太陽能電池  多晶硅太陽電池的製作工藝與單晶硅太陽電池差不多,但是多晶硅太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少,其光電轉換效率約12%左右 。 從製作成本上來講,比單晶硅太陽能電池要便宜一些,材料製造簡便,節約電耗,總的生產成本較低,因此得到大量發展。此外,多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講,單晶硅太陽能電池還略好。
(3)非晶硅太陽能電池 非晶硅太陽電池是1976年出現的新型薄膜式太陽電池,它與單晶硅和多晶硅太陽電池的製作方法完全不同,工藝過程大大簡化,硅材料消耗很少,電耗更低,它的主要優點是在弱光條件也能發電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低,國際先進水平為10%左右,且不夠穩定,隨着時間的延長,其轉換效率衰減。
(4)多元化合物太陽能電池  多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導體材料製成的太陽電池。各國研究的品種繁多,大多數尚未工業化生產,主要有以下幾種:a) 硫化鎘太陽能電池b) 砷化鎵太陽能電池c) 銅銦硒太陽能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太陽能電池)  Cu(In, Ga)Se2是一種性能優良太陽光吸收材料,具有梯度能帶間隙(導帶價帶之間的能級差)多元的半導體材料,可以擴大太陽能吸收光譜範圍,進而提高光電轉化效率。以它為基礎可以設計出光電轉換效率比硅薄膜太陽能電池明顯提高的薄膜太陽能電池。可以達到的光電轉化率為18%,而且,此類薄膜太陽能電池,未發現有光輻射引致性能衰退效應(SWE),其光電轉化效率比商用的薄膜太陽能電池板提高約50~75%,在薄膜太陽能電池中屬於世界的最高水平的光電轉化效率 [3] 

光伏材料光伏材料的工作原理

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“光伏發電”是將太陽光能直接轉換為電能的一種發電形式。1839年,法國科學家貝克勒爾(A.E.Becqure1)首先發現了“光生伏打效應(Photovoltaic Effect)”。然而,第一個實用單晶硅光伏電池(Solar Cel1)直到一個多世紀後的1954年才在美國貝爾實驗室研製成功。20世紀70年代中後期開始,光伏電池技術不斷完善,成本不斷降低,帶動了光伏產業的蓬勃發展。PN結兩側因多數載流子(N 區中的電子和P區中的空穴)向對方的擴散而形寬度很窄的空間電荷區w,建立自建電場Ei。它對兩邊多數載流子是勢壘,阻擋其繼續向對方擴散;但它對兩邊的少數載流子(N 區中的空穴和P區中的電子)卻有牽引作用,能把它們迅速拉到對方區域。穩定平衡時,少數載流子極少,難以構成電流和輸出電能。但是,光伏電池受到太陽光子的衝擊,在光伏電池內部產生大量處於非平衡狀態的電子一空穴對,其中的光生非平衡少數載流子(即N 區中的非平衡空穴和P區中的非平衡電子)可以被內建電場Ei牽引到對方區域,然後在光伏電池中的PN結中產生光生電場EPV一當接通外電路時,即可流出電流,輸出電能。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串並聯的方式組合在一起,構成光伏電池組件,便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能 [1] 
參考資料
  • 1.    房文健, 劉永生, 楊晶晶, et al. 薄膜光伏材料銅銦鎵硒的研究進展[J]. 材料科學與工程學報, 2013, 31(3):000473-478.
  • 2.    何有軍, 李永舫. 聚合物太陽電池光伏材料[J]. 化學進展, 2009, 21(11):2303-2318.
  • 3.    李文漪, 蔡珣, 陳秋龍. CIS光伏材料的發展[J]. 機械工程材料, 2003, 27(6):1-3.