太陽能電池光電轉(zhuǎn)換的原理及原理圖

【專家解說】：太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中;大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。 制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為:1、硅太陽能電池;2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料制備的大陽能電池;4、納米晶太陽能電池等。 一、硅太陽能電池 1.硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下: 圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。 當硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖: 圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P(positive)型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N(negative)型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。 N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)。 當P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。 當晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示) 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p-n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p-n結(jié)(如圖 梳狀電極)，以增加入射光的面積。 另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜(如圖)，將反射損失減小到5%甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池(通常是36個)并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。 2.硅太陽能電池的生產(chǎn)流程 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。 上述方法實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。此外，液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。 化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。 三、納米晶化學太陽能電池 在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內(nèi)外科學家的重視。 以染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSCs)為例，這種電池主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。 陽極:染料敏化半導(dǎo)體薄膜(TiO2膜) 陰極:鍍鉑的導(dǎo)電玻璃 電解質(zhì):I3-/I- 如圖所示，白色小球表示TiO2，紅色小球表示染料分子。染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補償，進入TiO2導(dǎo)帶中的電于最終進入導(dǎo)電膜,然后通過外回路產(chǎn)生光電流。 納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5~1/10.壽命能達到20年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。 四、染料敏化TiO2太陽能電池的手工制作 1.制作二氧化鈦膜 (1)先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進行研磨 (2)接著用玻璃棒緩慢地在導(dǎo)電玻璃上進行涂膜 (3)把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結(jié)10~15分鐘，然后冷卻 2.利用天然染料為二氧化鈦著色 如圖所示，把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水并進行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進去進行著色，大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進去浸泡5分鐘，然后用乙醇沖洗，并用柔軟的紙輕輕地擦干。 3.制作正電極 由染料著色的TiO2為電子流出的一極(即負極)。正電極可由導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面(涂有導(dǎo)電的SnO2膜層)構(gòu)成，利用一個簡單的萬用表就可以判斷玻璃的那一面是可以導(dǎo)電的，利用手指也可以做出判斷，導(dǎo)電面較為粗糙。如圖所示，把非導(dǎo)電面標上‘+’，然后用鉛筆在導(dǎo)電面上均勻地涂上一層石墨。 4.加入電解質(zhì) 利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質(zhì)，它主要用于還原和再生染料。如圖所示，在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質(zhì)即可。 5.組裝電池 把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質(zhì)，然后把正電極的導(dǎo)電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開，用兩個夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導(dǎo)線。這樣，你的太陽能電池就做成了。 6.電池的測試 在室外太陽光下，檢測你的太陽能電池是否可以產(chǎn)生電流。