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薄膜太阳能电池的类型与发电原理

时间:2021年11月24日 11:38:54 点击次数:700来源:原创

太阳能电池现在已广泛应用于我们的生活中,比如太阳能路灯、应急电源、光伏系统、电池充电等。除了传统的晶体硅用于太阳能电池的制备中,现在薄膜太阳能电池也发展得如火如荼,今天我们讲下薄膜太阳能电池的类型与发电原理。

薄膜太阳能电池的类型

一、薄膜太阳能电池的介绍

薄膜型太阳能电池由于使用材料较少,就每一模块的成本而言比起堆积型太阳能电池有着明显的减少,制造程序上所需的能量也较堆积型太阳能电池来的小,它同时也拥有整合型式的连接模块,这样可省下独立模块所需在固定和内部连接的成本。未来薄膜型太阳能电池将可能会取代现今一般常用硅太阳能电池,而成为市场主流。

非晶硅太阳能电池与单晶硅/多晶硅太阳能电池最主要差异是材料的不同,单晶硅/多晶硅太阳能电池的材料都疏,而非晶硅太阳能电池的材料则是SiH4,因为材料的不同而使非晶硅太阳能电池的构造与晶硅太阳能电池稍有不同。

二、薄膜太阳能电池的类型

现在,薄膜太阳能电池要达到两个目标:一是要具有足够的柔韧性,能够在大型建筑材料表面附着,二是要实现和传统太阳能电池一样的效率,甚至更高。不同的制备技术所得的薄膜太阳能板和传统的太阳能板相比,具有不同的优缺点。通常对薄膜太阳能板的命名来自于半导体材料的类型。

1、不定形硅(a-Si)

不定形硅是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太阳能电池。这可能是因为晶体硅早已用在传统太阳能电池上,人们对硅电子的性质的了解比较透彻。

优点:与晶体硅不同,无定形硅具有较高的太阳能吸收率使其做成薄膜结构成为可能,也有效地降低了成本。由于其原料充足、无毒、物美价廉的特点,无定形硅迅速成为第一薄膜法,进军主流。

缺点:由于其转换效率较低,所以大多数只出现在小规模、柔性较好的电子产品中。

2、碲化镉(CdTe)

基于CdTe的太阳能电池是第二受欢迎的光伏技术,转换效率稳定在5%左右,制造过程简单、迅速。可以和硅基材料相媲美,转换效率的提高,也促进了它的应用。

优点:CdTe比硅基太阳能电池便宜,更值得注意的是,它具有最小的碳排放以及投资回收期。尽管CdTe以及其他薄膜材料,在效率方面仍然落后于传统的c-Si面板。但是,差距在不断缩小,2015年,一家叫做First Solar的公司做的CdTe太阳能面板效率能够达到平均商业效率——16.1%。

缺点:CdTe的一个主要缺点就是要用“非常的”材料来制造,镉是一种剧毒物质,能够像汞一样在食物链中积累,这就有悖于环境友好、安全无毒的理念。许多机构和实验室都在寻找环境友好、转换效率高的替代物,太阳能厂商也在探索回收和循环利用含镉材料的方法以解决环境问题。

3、铜铟镓硒(CIGS)

这种太阳能电池是另一种受欢迎的半导体类型。制备CIGS的技术在欧洲和日本越来越受到重视,而且世界各地的生产商们使用这种技术来充分发掘环境友好型材料的转换效率的潜力。

优点:CIGS的优点在于它是一种环境友好型材料,有利于生产商追求长远利益,这种材料做成的太阳能电池相比于其他薄膜材料,具有较高的潜在效率,也有很大的热阻。由于其不易分解,在一些使用寿命要求较高的设备中应用潜力很大。

缺点:CIGS技术尚未超过传统的硅基太阳能板,但它近年来,转化效率也有明显提升。虽然基于实验室合成的效率超过20%,但在实际应用中效率还达不到实验值的一半。

4、新的铜锌锡硫方法(CZTS)

在寻找既环境友好又原料丰富的太阳能电池材料的路上,CZTS被科学家所发现。CZTS和CIGS在性能和制备方法上很类似,但其效率更低。

优点:CZTS是由地球上储量丰富的铜、锌、锡、和硫硒化物所组成。这意味着这种化合物既环保又便宜。但CdTe和CIGS中的碲和铟在地球中含量却很稀少。

缺点:CZTS现在仍处在发展的早期阶段,为了达到商业化,提出了较高的效率要求,现在所能达到的转化效率在7.6%左右。只有效率至少达到20%,才能成为同类太阳能电池的佼佼者。

薄膜太阳能电池的原理

三、薄膜太阳能电池的发电原理

薄膜,是以pn半导体接面作为光吸收及能量转换的主体结构。在基板上分别涂上二种具不同导电性质的p型半导体及n型半导体,当太阳光照射在pn接面,部份电子因而拥有足够的能量,离开原子而变成自由电子,失去电子的原子因而产生电洞。透过p型半导体及n型半导体分别吸引电洞与电子,把正电和负电分开,在pn接面两端因而产生电位差。在导电层接上,使电子得以通过,并与在 pn 接面另一端的电洞再次结合,电路中便产生电流,再经由导线传输至负载。

从光产生电的过程当中可知,薄膜太阳能电池的能量转换效率,与材料的能隙大小、光吸收系数及载子传输特性攸关,因此厂商就提升转换效率的研发方向,往往也从材料选用、镀膜方面着手。

小结

如果太阳能薄膜电池能够将其潜能完全发挥出来,那么不难想象,将来在城市建筑中,薄膜太阳能电池将覆盖屋顶和房子的正面。在新建房屋中,它们将作为屋面板被整体安装,美观及实用性二者兼得,我们一起期待这一天的到来。

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