太陽能電池的原理、發(fā)展及測(cè)量參數(shù)

夏天豪 陶 煜/寧波市計(jì)量測(cè)試研究院

0 引言

1 太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理

目前全球能源問題嚴(yán)峻，必須尋求可持續(xù)發(fā)展的解決方案。太陽作為地球上所有能源的根源，將會(huì)是解決能源問題的關(guān)鍵。太陽儲(chǔ)能非常豐富，它向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層，到達(dá)地表的約為8×1013kW，也就是說太陽每1 s照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500×104t煤釋放的熱量，取之不盡，用之不竭。但是太陽能的利用率卻非常低。到達(dá)地面的太陽輻射能中，47%在地表面直接轉(zhuǎn)化成熱能，23%儲(chǔ)存在海水和冰中，另一部分用于將水蒸發(fā)成云或雨。地球上動(dòng)植物以光合作用的形式使用的生物能源只占0.02%。這是非常小的一部分太陽能，卻支持著地球上所有的生命活動(dòng)。如果能合理有效地利用太陽能，能源問題將不再是問題。

現(xiàn)階段對(duì)太陽能的利用主要分為兩類，一種是直接利用太陽輻射所轉(zhuǎn)化的熱能，其主要代表為真空管太陽能熱水器，收集太陽輻射的熱能用來提升水的溫度。這種方法技術(shù)簡(jiǎn)單，但是能量使用方式單一，靈活性差；另一種就是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后應(yīng)用于各種場(chǎng)合，這種方法也被稱為太陽能電池發(fā)電。太陽能電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源。

太陽能電池是一種利用太陽光能直接發(fā)電的半導(dǎo)體薄片，在光的照射下，能夠瞬間輸出電流，這在物理學(xué)上稱為光生伏特效應(yīng)（photovoltaic, 簡(jiǎn)稱PV），并于1939年由法國物理學(xué)家A.E.Becquerel首次發(fā)現(xiàn)。

圖1所示為太陽能電池的一般結(jié)構(gòu)，它的主要部分就是兩層不同摻雜的半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體原子受到外來能量激發(fā)時(shí)，外層電子會(huì)脫離原子核的束縛而形成自由電子，而剩下部分則成為一個(gè)“空穴”。由于電子帶負(fù)電，所以空穴帶正電。不同摻雜的半導(dǎo)體導(dǎo)致其多數(shù)載流子的不同，以電子為多數(shù)載流子的成為n型半導(dǎo)體，以空穴為多數(shù)載流子的稱為p型半導(dǎo)體。當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接在一起時(shí)（如圖1所示），就會(huì)發(fā)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散，并在其交界面處形成一個(gè)p-n結(jié)。載流子擴(kuò)散的最終結(jié)果是形成一個(gè)n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，也稱為勢(shì)壘電場(chǎng)。當(dāng)太陽照射p-n結(jié)時(shí)，大量光子的注入會(huì)激發(fā)出許多電子-空穴對(duì)，并在勢(shì)壘電場(chǎng)的作用下，分別向p-n結(jié)兩端移動(dòng)，使得p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電。當(dāng)光生載流子積累到一定程度時(shí)，其產(chǎn)生的電場(chǎng)能夠抵消勢(shì)壘電場(chǎng)，形成一個(gè)與之方向相反光生伏特電動(dòng)勢(shì)。在兩種半導(dǎo)體上接上金屬電極，電流就能從p區(qū)流出，帶動(dòng)負(fù)載，再從n區(qū)流入。可見，太陽能電池的本質(zhì)就是將入射光子的能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。

圖1 太陽能電池一般結(jié)構(gòu)

2 太陽能電池的發(fā)展

雖然早在1883年，Charles Fritts等人通過在鍺半導(dǎo)體上覆上一層極薄的金層形成半導(dǎo)體金屬結(jié)，成功制備出世界上第一塊太陽電池，但是這種電池把光能轉(zhuǎn)化成電能的效率非常低，僅有1%能量被轉(zhuǎn)化為電能，其余則變?yōu)闊o用的熱能。如此低的轉(zhuǎn)化效率就決定了如果需要得到足夠的電能，必須使用大面積的電池來吸收太陽光能。這種情況下，一方面巨大的電池體積不利于多場(chǎng)合下的應(yīng)用；另一方面，電池的成本會(huì)大大增加。這兩點(diǎn)技術(shù)難題導(dǎo)致太陽能發(fā)電技術(shù)長(zhǎng)期處于停滯不前的狀態(tài)。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，許多新的材料技術(shù)被應(yīng)用于太陽能電池的研究生產(chǎn)中，其轉(zhuǎn)化效率和成本都得到了大幅度的改進(jìn)。無機(jī)硅太陽能電池憑借新的摻雜技術(shù)，有效提升了材料的光敏性，從而提升其轉(zhuǎn)化效率。其中單晶硅電池的最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)29%，多晶硅電池為24%，非晶硅為17%。這些技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，并投入了實(shí)際生產(chǎn)。美國于1983年就已在加州建立了一個(gè)大型的太陽能發(fā)電站；1994年，日本也通過政府補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)的辦法，鼓勵(lì)每戶人家安裝3 000 W的家用發(fā)電系統(tǒng)；而今，不少汽車生產(chǎn)廠家也推出了商用的太陽能汽車。但是硅太陽能電池由于制作復(fù)雜，成本高，還是不適合大規(guī)模的推廣使用。

為了應(yīng)對(duì)無機(jī)硅太陽能電池商業(yè)化進(jìn)程中所遇到的難題，有機(jī)太陽能電池已成為現(xiàn)今研究熱點(diǎn)。這種電池同樣是運(yùn)用光生伏特的原理，有機(jī)材料吸收光子產(chǎn)生激子，激子會(huì)擴(kuò)散到一定區(qū)域，并在一定的作用下發(fā)生分離，形成自由電子與空穴，兩者運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)電極形成光生伏特電動(dòng)勢(shì)。相對(duì)于無機(jī)硅來說，有機(jī)材料取材相當(dāng)豐富，價(jià)格低廉，而且生產(chǎn)制作相當(dāng)方便，非常適合投入到商業(yè)化的應(yīng)用，另外有機(jī)材料還可以通過涂覆，運(yùn)用于各種復(fù)雜的環(huán)境條件中。雖然，目前不到10%的轉(zhuǎn)換效率不如無機(jī)硅的太陽能電池，但是低廉的成本使其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保留了一席之地。

新一代太陽能電池的研究都是向提高轉(zhuǎn)化效率和降低制作成本及難度的方向進(jìn)行的。比如薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池等都能有效降低制作成本和難度，并以此優(yōu)勢(shì)搶占市場(chǎng)份額。還有一種叫做串疊型的太陽能電池，通過設(shè)計(jì)不同能級(jí)的多層太陽能硅薄板來充分吸收不同波長(zhǎng)的光子，其轉(zhuǎn)化效率可達(dá)50%以上。另外，太陽能電池存在的最大缺陷就是夜晚不能進(jìn)行發(fā)電作業(yè)，因此利用蓄電池、壓縮空氣等其他形式能量貯存白天所產(chǎn)生電能的技術(shù)，伴隨太陽能技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。美國和日本也為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，合力開展了“衛(wèi)星太陽能計(jì)劃”，利用赤道上空的衛(wèi)星，24 h接收太陽能，并將能量以微波的方式傳送到地面，保證這種能源能夠獨(dú)立支持全天候的能量供應(yīng)。

3 太陽能電池的測(cè)量參數(shù)

隨著太陽能電池生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低，其商業(yè)化的趨勢(shì)越發(fā)不可阻擋。由此受技術(shù)條件不均衡的影響，不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的太陽能性能參數(shù)必然參差不齊。為了使太陽能成為一種大規(guī)模供能手段，必須對(duì)太陽能電池產(chǎn)品的一些參數(shù)進(jìn)行定義和測(cè)量，并保證量值的統(tǒng)一可靠。根據(jù)太陽能電池的結(jié)構(gòu)原理，描述其性能的主要有以下幾個(gè)參數(shù)：

1)開路電壓VOC

將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽能電池的輸出電壓值。可用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量電池的開路電壓。

通常用I-V曲線來表征一個(gè)器件的電學(xué)性質(zhì)。在此，可用電化學(xué)工作站來測(cè)試太陽能電池的I-V曲線。圖2是一個(gè)太陽能電池在暗態(tài)和亮態(tài)下的I-V曲線的示意圖。開路電壓相當(dāng)于圖2中的(b)點(diǎn)。

2)短路電流ISC

就是將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過太陽能電池兩端的電流。如圖2中的(a)點(diǎn)。可以通過用內(nèi)阻＜1 Ω的電流表接在太陽能電池的兩端來測(cè)試短路電流。

3)填充因子(fill factor, FF)

圖2 太陽能電池亮態(tài)（實(shí)線）與暗態(tài)（虛線）的I-V曲線

指最大輸出功率Pmax與開路電壓和短路電流乘積之比，是由于電池內(nèi)阻而導(dǎo)致的能量損失，體現(xiàn)了電池帶動(dòng)負(fù)載的能力。

最大輸出功率可以通過在I-V曲線圖上找出最大的（I,V）乘積點(diǎn)得到，如圖2中的（c）。

4)能量轉(zhuǎn)換效率（ηP）

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比，表示產(chǎn)生的電能與入射光能量之比，是太陽能電池的最為重要的指標(biāo)，可以利用暗室和標(biāo)準(zhǔn)輻射強(qiáng)度（單位：W/m2）的白熾燈提供標(biāo)準(zhǔn)的寬譜光能，根據(jù)所測(cè)到的VOC和ISC，計(jì)算出轉(zhuǎn)換效率。

太陽能電池的等效電路是理解太陽能電池各個(gè)參數(shù)的有效方式。理想的太陽能電池的等效電路如圖3所示，由一個(gè)恒流發(fā)生器、一個(gè)二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻RSH以及一個(gè)串聯(lián)電阻RS組成。恒流發(fā)生器表示電池受光照時(shí)產(chǎn)生光電流IPH的能力，通過p-n結(jié)的結(jié)電流用二極管表示。

圖3 太陽能電池的等效電路

這個(gè)等效電路的物理意義是：太陽能電池受到光照后產(chǎn)生一定的光電流IPH，其中一部分用來抵消結(jié)電流，另一部分為供給負(fù)載的電流。其端電壓U、結(jié)電流、以及工作電流的大小都與負(fù)載電阻R有關(guān)，但負(fù)載電阻并不是唯一的決定因素。

故通過端電流I與端電壓U可以表示為

式中：I0－ 暗態(tài)電流；

U － 負(fù)載兩端的電壓；

RS－ 串聯(lián)電阻；

RSH－ 并聯(lián)電阻；

IPH－ 光電流。

公式第一項(xiàng)表示通過二極管的結(jié)電流，第二項(xiàng)表示通過并聯(lián)電阻的電流，第三項(xiàng)表示光電流。

4 小結(jié)

石油、煤炭、天然氣等重要能源正在日益枯竭，都不足人類百年之用，太陽能作為一種清潔能源，資源豐富，取之不盡。用太陽能進(jìn)行發(fā)電，并用于生產(chǎn)生活的方方面面，將會(huì)是一種大勢(shì)所趨的潮流。為了提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低制作成本，各種研究不斷提出不同新的材料和結(jié)構(gòu)。因此，找到各種結(jié)構(gòu)太陽能電池特性參數(shù)的通性，發(fā)展完善這些指標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，將為推進(jìn)太陽能電池的商用化進(jìn)程提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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