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      太陽能電池的構成和相關材料

      2016-08-19

       

      太陽能發電作為清潔能源領域的“佼佼者”目前備受業界關注。如果對此感興趣,就帶你了解太陽能電池的構成和相關的光伏材料。

        太陽能發電裝置,通常被稱為太陽能電池,能夠直接將太陽光能轉換為電能。在太陽能電池板中,太陽釋放的光子使半導體材料的外層電子脫離原子鍵的束縛。當電子受迫在同一方向運動時,便可以產生電流,為電子設備供電或向電網輸送電力。

        自從法國物理學家Alexandre-Edmond Bequerel在1839年首次將光伏發電技術理論化至今,光伏發電一直是科研領域的主題之一。目前,隨著美國、日本和歐洲的主要研究團隊在加速推進各自太陽能系統的產業化,光伏產業國際市場也持續擴大。

      光伏組件

        雖然光伏發電系統的組成材料各異,但所有的組件都包括若干層從向光面到背光面的材料。太陽光首先穿過保護層(通常為玻璃),然后通過透明接觸層進入到電池內部。在組件的中心是吸附材料,這一層材料吸收光子,進而完成“光生電流”。而其中的半導體材料取決于具體的光伏系統需求。

        在吸附層材料下面是完成電路導通的背金屬層。復合薄膜層在背金屬層下面,其作用是使光伏組件防水絕熱。通常光伏組件背部會添加額外的保護層,保護層材料為玻璃、鋁合金或塑料。

      半導體材料

        光伏發電系統中的半導體材料可以是硅、多晶薄膜或單晶薄膜。硅材料包括單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅具有規則的結構,它比多晶硅光電轉換率高。

        非晶硅中的硅原子是隨機分布的,其光電轉換率也低于單晶硅,但是與晶體硅相比,它能捕捉到更多的光子,同時在非晶硅中添加鍺或碳進行合金化可以增強其這一特性。

        銅銦硒(Copper indium diselenide,CIS)、碲化鎘(cadmium telluride,CdTe)和薄膜硅都是常用的多晶薄膜材料,而光電轉換率較高的材料如砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)也通常包含單晶硅薄膜材料。上述材料都因其獨特的性能而用于特定的光伏發電領域。這些特性包括:結晶度、帶隙大小、吸收性能和加工難易程度。

      外部因素對半導體的影響

        晶體結構中的原子排列順序決定了半導體材料的結晶度,而太陽能電池的電荷傳輸、電流密度和能量轉換效率都要受到結晶度的影響。半導體材料的帶隙是使電子從束縛狀態過渡到自由狀態(即允許電子傳導)所需的最小能量。帶隙大小通常以Eg表示,它描述的是價帶和導帶的能量差。半導體材料的價帶是低能級,導帶是高能級。吸收系數用于表征某特定波長的光子穿透介質的距離,它決定了光子被介質吸收的能力。吸收系數由電池材料和被吸收光子的波長決定。

        各種半導體材料和器件的成本和加工難易程度取決于多種因素,包括材料的種類和使用規模,生產周期以及電池在沉積室內的遷移特性。在具體的光伏發電需求中,每一個因素都將起到重要作用。

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