太陽電池系統的物理效應探究

祁紅菊,張 謹

(1.江蘇省奔牛高級中學,江蘇 常州 323000;2.常州信息職業技術學院,江蘇 常州 213164)

近年來,開發、利用新能源成為全球共識。在此背景下,各國深入研究并推廣太陽能、海洋能、風能和核能等新能源,希望能大規模運用新能源實現發電、工業生產,同時,學校也十分重視新能源教育,將新能源相關知識融入物理、化學等課堂教學中,希望培養學生對新能源科技重要性的認知與開發利用新能源的科研興趣。在各種新能源中,太陽能是一種清潔、節能、安全的能源,用晶體硅、氧化鎳鈣鈦礦等材料制備而成的太陽電池系統更是被廣泛應用于社會各領域。由高平奇、王子磊、林豪、蔡倫編著,中山大學出版社出版的《太陽電池物理與器件》一書,闡述了太陽電池的基本概念、研發測試與損耗分析,以及結構解讀和制備技術等物理機制,可為相關企業提高太陽電池制備與生產技術提供參考,也可為物理課程中太陽電池相關知識的教學提供指導。

全書分為7 個章節。第一章介紹光與太陽光的基本物理性質;第二章闡述半導體材料的物理基礎;第三章為太陽電池基礎;第四章為太陽電池測試與分析;第五章針對太陽電池的光電轉換效率進行研究;第六章說明了晶體硅太陽電池技術的生產與制備技術;第七章介紹了FDTD、PC1D 及Quokka 等軟件在太陽電池器件模擬中的應用。

1 太陽電池系統的工作原理與發展應用

太陽電池系統可將太陽能轉化為電能,從而實現供電。太陽電池系統由太陽能電池組件、監控設備和蓄電池組等組成,其中太陽能電池組件可實現對太陽能的吸收、儲存和轉化,是整個系統的核心;蓄電池組可將轉化的電能進行存儲、釋放,以便給其他獨立負載供電;監控設備則可對整個系統的運行狀況進行監測,確保系統功率滿足運行需求。

當前的太陽能發電方式有光電直接轉換和光熱電轉換兩種。光電直接轉換利用光電效應來實現,可將太陽輻射的能量直接轉換為電能,學生通過課堂學習,可了解太陽能發電的基本原理,并學會制作簡單的太陽能電池。光熱電轉換是指利用太陽能集熱器將吸收的光能與熱能轉化為水蒸氣,經過蒸汽驅動發電來實現供電,整個過程分為光-熱轉換和熱-電轉換兩部分。

太陽能是一種無限可再生能源,發電過程安全可靠、清潔無害,能夠大大緩解當前能源緊張的問題。現實中,人們可根據用電需求就近建設太陽電池系統,為周邊區域供電。這種供電方式不僅方便靈活,避免了長距離輸送電造成的能量損失,而且運行簡單、組件維護容易。太陽電池系統也存在一定的缺點,如太陽能發電量容易受到氣候影響,陰雨天、晚上很少或不能發電;太陽能量密度較低,地面上可接收的太陽輻射強度有限,若想大規模使用或發電,需要鋪設很大面積的太陽能電池板,導致太陽能發電系統的普遍應用受到限制。目前,中國以修建大型光伏電站進行社會性供電為主,作為火力發電的一大補充,為社會生產生活提供便利;將太陽電池系統應用于高原、海島等邊遠地區的日常生活供電,以及城市街道路燈供電等方面,解決用電難題。

2 太陽電池系統的光電轉換效率物理機制

根據所用材料不同,目前常見的太陽電池可分為兩類。一類是基于晶硅的太陽電池,包括單晶硅、多晶硅電池。此類電池技術較為成熟,已廣泛應用于各領域,95%的太陽電池均采用此類材料制作而成。另一類是非晶硅電池,包括有機聚合物太陽能電池、納米晶太陽能電池和多晶體薄膜太陽能電池等新型太陽能電池,此外,氧化鎳基柔性鈣鈦礦太陽電池、二硫化鎢改性鈣鈦礦太陽電池等柔性襯底薄膜太陽電池,以及其他以ⅢV 族、ⅡⅥ族和磷化鋅等材料制備而成的太陽能電池也屬此類。與硅電池相比,非晶硅電池的利用效率與使用壽命相對較低,仍有待進一步研究、探索。

晶硅太陽電池的工作原理是由光電效應所決定的。光電效應的產生主要取決于電子的躍遷,即當帶有電荷的電子在軌道上運行時,會輻射電磁波,且電子會自發地由高能級躍遷到低能級,并在躍遷時以光子形式釋放能量。將這一原理應用于晶硅太陽電池時可發現,當光照射在由P 型和N 型組合而成的半導體材料上時,交界處的PN 結會形成新的空穴電子對,在PN 結電場的作用下,空穴會由N 區流向P 區,電子則會由P 區流向N 區,若此時接通電路,二者之間便會形成電流。理想情況下,太陽電池的光電轉換效率可達到100%,但從物理學角度來看,電子在空穴電場中移動時,會與途經的晶硅材料原子發生碰撞,導致能量散失,即材料存在輻照損傷機制,這也是太陽電池的光電轉化效率較低的原因。如單晶硅太陽電池的光電轉換效率實際只有15%以上,單晶砷化鎵太陽電池也僅為18%。為提高太陽電池的實際性能,應減少電子與電池板面的碰撞,避免能量碰撞損失。

不同太陽電池的光電轉換效率差別較明顯。影響太陽電池光電轉換效率的主要因素有兩個:光電轉換材料和材料中的電荷運動過程。具體分析來看,單晶硅太陽電池晶面材料的缺陷密度相對較低,載流子在空穴電場中遷移時,遷移率較高、存活率較長;且單晶硅表面更為光滑,電子在遷移過程中不易與途經材料發生碰撞,界面缺陷的減少促進了電荷的更快分離,因此電荷傳輸效率更高。多晶硅太陽電池的光電轉換效率容易受太陽能電池板生產工藝、雜質及晶粒尺寸等因素影響。這種由多個碎片組合而成的硅片,存在明顯的材料缺陷,如晶格錯位和晶粒界面會直接影響電荷在表面的遷移傳輸,導致電子在碰撞中損失能量,光電轉換效率降低。在實踐生產中,人們主要通過改善多晶硅中硅的摻雜濃度、優化光伏電池結構設計等方式來優化多晶硅太陽電池的光電轉換效率。此外,二硫化鎢改性鈣鈦礦太陽電池、氧化鎳基柔性鈣鈦礦太陽電池等柔性襯底薄膜太陽電池的光電轉換效率相對較高,是因為鈣鈦礦晶粒較大,形成的薄膜界密度較低,載流子在光伏電板表面遷移時,幾乎不需要穿越晶界,因此電荷的傳輸效率更高。薄膜類太陽電池的光電轉換效率很容易受到薄膜致密性的影響,當薄膜致密性較高時,本應分離的空穴傳輸層與電子傳輸層會出現直接接觸現象,此時光伏電板內會發生電荷復合現象,導致開路電壓、電流都下降,因此,保持薄膜的均勻平衡具有重要意義,能夠大大增加載流子的傳輸遷移能力,提高電池的光電轉換效率。影響柔性襯底太陽電池中電子傳輸效率的因素還有光電與電極之間的轉化層能級,如鈣鈦礦太陽電池中,當電子傳輸層能級低于鈣鈦礦自身的導帶能級時,電子會從鈣鈦礦傳輸至電子傳輸層,而空穴的傳輸則受到阻礙;當空穴傳輸層最高占據分子軌道(HOMO)能級高于鈣鈦礦的價帶頂(VBM)能級時,會形成能極差,使電子空穴對發生復合,導致電荷傳輸效率降低,光電轉換效率進一步降低。

3 太陽電池系統光電效率優化技術

針對上述光電轉換效率機制與影響因素研究,人們提出了利用密柵、絨面、淺結、背反射、多層膜等技術來增大電池面積,增加太陽電池方陣的受光面與焊接點,進一步提高太陽電池的光電轉換效率的方法。

如在晶硅太陽電池中,常采用表面鈍化技術、分區摻雜工藝和表面織構化等技術來提高光電轉化效率。表面鈍化技術是指在太陽電池光伏電板表面覆蓋一層保護介質膜,增加電池芯片表面的反射率,提高電池的光吸收能力。常見的鈍化膜有二氧化硅、氧化鋁、氮化硅和碳化硅等薄膜,以及疊層鈍化膜等。這些鈍化膜能夠降低光伏電板中的載流子復合效率,提高電子的傳輸遷移效率和光電轉化效率。分區摻雜工藝可在硅片內部指定區域進行選擇性摻雜,通過去除特定區域中晶體硅片表面的二氧化硅層,使得摻雜原子進入硅片,導致硅片的雜質性得到改變,提高光電轉化效率。表面織構化工藝常被用于多晶硅太陽電池,該工藝常在電池表面進行刻槽、埋柵處理,獲得的多晶硅織構表面具有更強的陷光效應,能夠增加光的反射與折射,減少光損失,提高光電轉換效率。

在非晶硅太陽電池中,主要通過優化非晶硅薄膜、降低光致衰退效應的技術來提高光電轉換效率。如在納米晶太陽能電池中,利用二硫化鎢對鈣鈦礦吸光層進行改性,通過二硫化物旋涂法來增加添加劑,從而優化鈣鈦礦的成膜質量,增強載流子在鈣鈦礦層面的遷移與運輸,提高太陽電池光電轉換效率。利用氧化鎳作為柔性襯底薄膜也是鈣鈦礦太陽電池進行性能優化的主要方式。氧化鎳薄膜的空穴密度較低,電導率相對較低,當鈣鈦礦光電與電極之間的轉化層能級差距較大時,電子空穴對的復合受到空穴密度影響會降低,從而提高電荷傳輸效率,減少光電轉換損失。

4 太陽電池教學實踐

太陽電池相關知識可拓寬學生視野,培養科學素養與節能環保意識。教師在物理教學中應重視太陽能電池相關知識的傳授。一方面,教師應向學生普及太陽能電池的基本原理、發展背景。學生在課堂學習中可充分認識到半導體材料、硅材料等材料的重要性,并對太陽能、氫能及生物質能的開發利用現狀有所了解,通過學習太陽能電池的光電轉換效率物理機制,學生可深刻理解P-N 空穴電子對在電場中的分布與移動,以及電子在電場中的運動等難點。另一方面,教師還可帶領學生動手制作太陽能電池。在制作非晶硅薄膜太陽能電池過程中,學生可掌握非晶硅太陽電池的材料特點、優異性,并總結出轉換效率低的原因,思考提高非晶硅薄膜太陽電池性能的途徑。

通過教學,學生對太陽能電池這一技術的了解會更加深入,并產生極大的科研熱情與科創興趣,這是一個十分值得期待的研究領域。暢想太陽能電池技術在未來生活中的廣泛應用,激勵著更多年輕人才投入該領域,繼續攻克那些尚未解決的技術難題,實現太陽能電池技術的大力推廣。

5 結語

太陽電池是現今應用最為廣泛的清潔技術之一。隨著現代科學技術的進步,晶體硅太陽電池的光電轉換效率可高達30%以上,為太陽電池的大規模應用提供了可能。《太陽電池物理與器件》一書,對太陽電池的相關知識進行了介紹,能為相關教學提供指導,為企業生產提供參考。

中國應加大對光伏產業的政策支持,推動太陽電池技術進一步優化,實現光伏并網系統的大范圍推行,為可再生能源事業的發展提供助力。