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薄膜太陽能電池的類型與發(fā)電原理

太陽能電池現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于我們的生活中,比如太陽能路燈、應(yīng)急電源、光伏系統(tǒng)、電池充電等。

一、薄膜太陽能電池的介紹

薄膜型太陽能電池由于使用材料較少,就每一模塊的成本而言比起堆積型太陽能電池有著明顯的減少,制造程序上所需的能量也較堆積型太陽能電池來的小,它同時也擁有整合型式的連接模塊,這樣可省下獨立模塊所需在固定和內(nèi)部連接的成本。未來薄膜型太陽能電池將可能會取代現(xiàn)今一般常用硅太陽能電池,而成為市場主流。

非晶硅太陽能電池與單晶硅/多晶硅太陽能電池主要差異是材料的不同,單晶硅/多晶硅太陽能電池的材料都疏,而非晶硅太陽能電池的材料則是SiH4,因為材料的不同而使非晶硅太陽能電池的構(gòu)造與晶硅太陽能電池稍有不同。

二、薄膜太陽能電池的類型

現(xiàn)在,薄膜太陽能電池要達(dá)到兩個目標(biāo):一是要具有足夠的柔韌性,能夠在大型建筑材料表面附著,二是要實現(xiàn)和傳統(tǒng)太陽能電池一樣的效率,甚至更高。不同的制備技術(shù)所得的薄膜太陽能板和傳統(tǒng)的太陽能板相比,具有不同的優(yōu)缺點。通常對薄膜太陽能板的命名來自于半導(dǎo)體材料的類型。

1、不定形硅(a-Si)

不定形硅是早期的也是成熟的用于制作薄膜太陽能電池。這可能是因為晶體硅早已用在傳統(tǒng)太陽能電池上,人們對硅電子的性質(zhì)的了解比較透徹。

優(yōu)點:與晶體硅不同,無定形硅具有較高的太陽能吸收率使其做成薄膜結(jié)構(gòu)成為可能,也有效地降低了成本。由于其原料充足、無毒、物美價廉的特點,無定形硅迅速成為第一薄膜法,進(jìn)軍主流。

缺點:由于其轉(zhuǎn)換效率較低,所以大多數(shù)只出現(xiàn)在小規(guī)模、柔性較好的電子產(chǎn)品中。

2、碲化鎘(CdTe)

基于CdTe的太陽能電池是第二受歡迎的光伏技術(shù),轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在5%左右,制造過程簡單、迅速??梢院凸杌牧舷噫敲溃D(zhuǎn)換效率的提高,也促進(jìn)了它的應(yīng)用。

優(yōu)點:CdTe比硅基太陽能電池便宜,更值得注意的是,它具有小的碳排放以及投資回收期。盡管CdTe以及其他薄膜材料,在效率方面仍然落后于傳統(tǒng)的c-Si面板。但是,差距在不斷縮小,2015年,一家叫做First Solar的公司做的CdTe太陽能面板效率能夠達(dá)到平均商業(yè)效率——16.1%。

缺點:CdTe的一個主要缺點就是要用“非常的”材料來制造,鎘是一種劇毒物質(zhì),能夠像汞一樣在食物鏈中積累,這就有悖于環(huán)境友好、安全無毒的理念。許多機構(gòu)和實驗室都在尋找環(huán)境友好、轉(zhuǎn)換效率高的替代物,太陽能廠商也在探索回收和循環(huán)利用含鎘材料的方法以解決環(huán)境問題。

3、銅銦鎵硒(CIGS)

這種太陽能電池是另一種受歡迎的半導(dǎo)體類型。制備CIGS的技術(shù)在歐洲和日本越來越受到重視,而且世界各地的生產(chǎn)商們使用這種技術(shù)來充分發(fā)掘環(huán)境友好型材料的轉(zhuǎn)換效率的潛力。

優(yōu)點:CIGS的優(yōu)點在于它是一種環(huán)境友好型材料,有利于生產(chǎn)商追求長遠(yuǎn)利益,這種材料做成的太陽能電池相比于其他薄膜材料,具有較高的潛在效率,也有很大的熱阻。由于其不易分解,在一些使用壽命要求較高的設(shè)備中應(yīng)用潛力很大。

缺點:CIGS技術(shù)尚未超過傳統(tǒng)的硅基太陽能板,但它近年來,轉(zhuǎn)化效率也有明顯提升。雖然基于實驗室合成的效率超過20%,但在實際應(yīng)用中效率還達(dá)不到實驗值的一半。

4、新的銅鋅錫硫方法(CZTS)

在尋找既環(huán)境友好又原料豐富的太陽能電池材料的路上,CZTS被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)。CZTS和CIGS在性能和制備方法上很類似,但其效率更低。

優(yōu)點:CZTS是由地球上儲量豐富的銅、鋅、錫、和硫硒化物所組成。這意味著這種化合物既環(huán)保又便宜。但CdTe和CIGS中的碲和銦在地球中含量卻很稀少。

缺點:CZTS現(xiàn)在仍處在發(fā)展的早期階段,為了達(dá)到商業(yè)化,提出了較高的效率要求,現(xiàn)在所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化效率在7.6%左右。只有效率至少達(dá)到20%,才能成為同類太陽能電池的佼佼者。

三、薄膜太陽能電池的發(fā)電原理

薄膜,是以pn半導(dǎo)體接面作為光吸收及能量轉(zhuǎn)換的主體結(jié)構(gòu)。在基板上分別涂上二種具不同導(dǎo)電性質(zhì)的p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體,當(dāng)太陽光照射在pn接面,部份電子因而擁有足夠的能量,離開原子而變成自由電子,失去電子的原子因而產(chǎn)生電洞。透過p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體分別吸引電洞與電子,把正電和負(fù)電分開,在pn接面兩端因而產(chǎn)生電位差。在導(dǎo)電層接上,使電子得以通過,并與在 pn 接面另一端的電洞再次結(jié)合,電路中便產(chǎn)生電流,再經(jīng)由導(dǎo)線傳輸至負(fù)載。

從光產(chǎn)生電的過程當(dāng)中可知,薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率,與材料的能隙大小、光吸收系數(shù)及載子傳輸特性攸關(guān),因此廠商就提升轉(zhuǎn)換效率的研發(fā)方向,往往也從材料選用、鍍膜方面著手。

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