太阳能电池的构成和相关材料

太阳能发电作为清洁能源领域的“佼佼者”目前备受业界关注。如果对此感兴趣,就带你了解太阳能电池的构成和相关的光伏材料。

  太阳能发电装置,通常被称为太阳能电池,能够直接将太阳光能转换为电能。在太阳能电池板中,太阳释放的光子使半导体材料的外层电子脱离原子键的束缚。当电子受迫在同一方向运动时,便可以产生电流,为电子设备供电或向电网输送电力。

  自从法国物理学家Alexandre-Edmond Bequerel在1839年首次将光伏发电技术理论化至今,光伏发电一直是科研领域的主题之一。目前,随着美国、日本和欧洲的主要研究团队在加速推进各自太阳能系统的产业化,光伏产业国际市场也持续扩大。

光伏组件

  虽然光伏发电系统的组成材料各异,但所有的组件都包括若干层从向光面到背光面的材料。太阳光首先穿过保护层(通常为玻璃),然后通过透明接触层进入到电池内部。在组件的中心是吸附材料,这一层材料吸收光子,进而完成“光生电流”。而其中的半导体材料取决于具体的光伏系统需求。

  在吸附层材料下面是完成电路导通的背金属层。复合薄膜层在背金属层下面,其作用是使光伏组件防水绝热。通常光伏组件背部会添加额外的保护层,保护层材料为玻璃、铝合金或塑料。

半导体材料

  光伏发电系统中的半导体材料可以是硅、多晶薄膜或单晶薄膜。硅材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅具有规则的结构,它比多晶硅光电转换率高。

  非晶硅中的硅原子是随机分布的,其光电转换率也低于单晶硅,但是与晶体硅相比,它能捕捉到更多的光子,同时在非晶硅中添加锗或碳进行合金化可以增强其这一特性。

  铜铟硒(Copper indium diselenide,CIS)、碲化镉(cadmium telluride,CdTe)和薄膜硅都是常用的多晶薄膜材料,而光电转换率较高的材料如砷化镓(gallium arsenide,GaAs)也通常包含单晶硅薄膜材料。上述材料都因其独特的性能而用于特定的光伏发电领域。这些特性包括:结晶度、带隙大小、吸收性能和加工难易程度。

外部因素对半导体的影响

  晶体结构中的原子排列顺序决定了半导体材料的结晶度,而太阳能电池的电荷传输、电流密度和能量转换效率都要受到结晶度的影响。半导体材料的带隙是使电子从束缚状态过渡到自由状态(即允许电子传导)所需的最小能量。带隙大小通常以Eg表示,它描述的是价带和导带的能量差。半导体材料的价带是低能级,导带是高能级。吸收系数用于表征某特定波长的光子穿透介质的距离,它决定了光子被介质吸收的能力。吸收系数由电池材料和被吸收光子的波长决定。

  各种半导体材料和器件的成本和加工难易程度取决于多种因素,包括材料的种类和使用规模,生产周期以及电池在沉积室内的迁移特性。在具体的光伏发电需求中,每一个因素都将起到重要作用。



来自:材料牛