学 院： 化学与生物工程学院
专 业： 应用化学
班 级： 0911班
学生姓名： 李 杰
取卵针
学 号： 0920109108
指导教师： 刘成宝
完成时间： 2018年9月5日
太阳能电池技术原理及其应用
摘要：倡导绿环保，清洁高效，清洁能源是当今的时代主题，越来越受到各国的广泛关注的太阳能材料可能将引领未来的能源材料领域。人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力, 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来, 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。目前太阳能光伏发电大体上分为太阳电池片的研究和光伏系统的研究两个部分。通常来讲，这两个部分的研究是相对独立的。不过随着研究的日益深入，太阳电池片和光伏系统的研究都遇到很多问题，要求我们必须要从全局考虑，将这两方面共同考虑和研究。目前的太阳电池片发展迅速，转换效率越来越高，但是仍然面临着一些未解决的基础问题。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。 关键词：太阳能材料 单晶硅材料电池 多晶硅材料电池 非晶硅薄膜 化合物薄膜 光伏效应
1.引言：
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源．也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。
太阳能光伏发电是指通过以太阳电池为核心的光伏系统，把太阳光转换为电能的一种技术。通过各国光伏科研工作者的不懈努力，近10年来太阳电池技术的发展非常迅速，世界太阳电池产业的平均增长速度达到41．3％，是发展最快的新兴产业。
2.太阳能电池原理
太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件，由于他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。最常用的半导体材料是硅。地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。 太阳电池发电的原理是基于光伏效应：当太阳光或其他光照射到太阳电池上的时候，电池吸收光能，产生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，于是负载中就有电流，从而获得输出功率，这样太阳能就转化成了电能。
在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。其中N型区的电子和P型区的空穴向对方扩散，直到所形成的电场阻止载流子进一步扩散，从而形成内建电场。
PN结具有单向导电性：
A）PN拼图板结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。
B）PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。
当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N 结区，通过P—N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。
3.太阳能电池的种类及研究现状:
根据材料的种类和状态的不同，太阳能电池主要有以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，下面分别予以简单介绍。
3.1单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是开发得最早的一种太阳能电池，硅的禁带宽度为1.leV，是间接迁移型半导体，本来不是制作太阳能电池的最合适材料。但是由于硅蕴藏量非常丰富，已广泛应用于微电子工业，有很完善的技术基础，有利干太阳能电池的开发应用。单晶硅太阳能电池具有比较高的转换效率，规模生产的电池组件的效率可以达到 12一16%，而实验室记录的最高转换效率为24.4％。
3.2多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单晶硅比较，多晶硅半导体材料的价格比较低廉，相应的电池单元成本低，非常具有竞争优势。但是由于多晶硅材料存在着较多的晶拉间界而有较多的缺点，转换效率不够高，提高多晶硅太阳能电池的转换效率就是目前许多科学家的研究方向。
3.3化合物太阳能电池
化合物太阳能电池包括III—V族化合物电池和II—VI族化合物电池。III—V族化合物电池主要有GaAs电池、InP 电池、Gasb电池等；II—VI族化合物电池主要有CaS/Culnse电池、CaS/CdTe电池等。上世纪七十年代末，以GaAs为代表的III—V族化合物电池材料（包括叠层电池材料），因具有很高的光电转换效率和优异的抗辐射性能而受到重视，发展很快。最新的一项研究成果就是在加利福尼亚获得了一种变质处理的三叠层GaInP /GaInAs /Ge材料，它在240个太阳辐射，AM1.5情况下的转换效率为40.7%。
3.4膜型太阳能电池
膜型太阳能电池材料主要有铜铟镓硒(CulnGase)、碲化镉(cdTe)等。铜锢稼硒薄膜太阳能电池开发时间还不长，是较有前途而被寄予厚望的新型低成本太阳能电池。该薄膜太阳能电池单元的制备是先用溅射、喷涂或蒸发法在基片上沉积Cu，In和Ga层，再在Se气氛中硒化。碲化镉(CdTe)已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料，而且在各种制备条件下都可以得到较好的电池结果，包括非常粗糙的工艺，如电镀。
3.5有机太阳能电池
有机太阳能电池具有柔韧性和成本低廉的优势，是近年出现的新型太阳电池。与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导体固结太阳电池相比，有机太阳能电池制备工艺简单，可采用真空蒸镀或涂敷的方法制备成膜，且可以制备在可弯曲折香的衬底上形成柔性太阳能电池。有机物太阳能电池材料的分子结构还可以自行设计合成.材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低，可制造面积大，在太阳能电池产业引起了科学家的极大关注。
3.6染料敏化纳米晶太阳能电池
染料敏化纳米晶太阳能电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的太阳能电池。这是一种使用宽禁带半导体材料的太阳电池，宽带隙半导体有较高的热力学稳定性和光化学稳定性，不过本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种现象称为半导体的染料敏化作用，而载有染料的半导体称为染料敏化半导体电极。打包交易
3.车针太阳电池的特性参数及等效电路模型
4.1 太阳电池的特性参数
短路电流：太阳电池的短路电流等于其光生电流。
开路电压：当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势
转换效率：转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率，其定义为，电池的最大功率输出与入射功率之比。
填充因子FF：最大输出功率与极限功率(VocIsc)之比
4.2 太阳电池的等效电路模型
太阳能电池在有光照条件下，光生电流会流过负载，从而产生负载电压。太阳能电池可以看成能稳定地产生光电流的电流源(只要光源稳定)。此时，太阳能电池的实际输出电流为：
I=IL-ID-ISh=I集束线L-I电火花笔0{exp[-1]}-
其中理想的ID=I0[exp()一1]-，即PN结电流，上式各参数意义表示如下：
IL：光产生电流(A)
I0：PN结反向饱和电流(A)
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