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2012--2013学年第 二学期 物电 学院期末考试卷 《物理前沿讲座》 学号: 201072010107 姓名: 陈永泽 班级: 10级物理3班 成绩： 评语： （考试题目及要求） 太阳能电池原理及发展 摘 要：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。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。 关键字：太阳能电池；原理；发展；前景 引言 由于人类对可再生能源的不断需求, 促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1 年, 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略, 是其中最受瞩目的研究热点之一。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。 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。 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。 制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。 3.太阳能电池的发展 3.1.第一代太阳能电池 1954年，美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元。由于太阳能电池价格昂贵，因此其发展缓慢，当时主要用于航天科技工程。20世纪70年代，由于石油危机，使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓，太阳能电池也进入了快速发展的阶段。近几年太阳电池市场以每年30%的速度递增。目前，第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的86% 。第一代太阳能电池基于硅晶片基础之上，主要采用单晶体硅、多晶体硅及GaAs为材料，转换效率为11%~15%。 单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。直拉法是将硅材料在石英坩锅中加热熔化，使籽晶与硅液面接触，向上提升以长出柱状的晶棒。 直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径（目前硅棒的直径已经达到100~150mm），用区熔法生长单晶硅技术是将区熔提纯和制备单晶结合在一起，可以得到纯度很高的单晶硅，但成本很高。目前，在所有太阳能电池中此种硅片的效率是最高的，因此，采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电池用单晶硅也是目前的发展方向。为了进一步提高太阳能电池效率，近年来大力发展高效化电池工艺，主要有发射极钝化及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。 多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。定向凝固法是将硅材料在坩锅中熔融后，使坩锅形成由上而下逐渐下降的温度场或从坩锅底部通冷源以造成温度梯度， 使固液界面从坩锅底部向上移动而形成晶体。浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭，铸出的方形硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。 目前使用最广泛的是浇铸法， 此法简单，能耗低， 利于降低成本，但容易造成错位、杂质等缺陷，而导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。 由于多晶硅太阳电池存在杂质问题，光电转换效率比单晶硅电池低但成本有所降低。目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问题，为进一步降低成本，基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史舞台。【2】 3.2．第二代太阳能电池 第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。在薄膜电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上， 大大地减小了半导体材料的消耗（薄膜厚度仅1um），也容易形成批量生产（其单元面积为