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[信息] 太阳能电池

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发表于 2008-12-2 09:23:28 | 显示全部楼层

太阳能电池

  太 阳 电 池 发 展 史
  太阳电池的发展,最早可追溯自1954年由Bell实验室所发明出来的,当时研发的动机是希望能提供偏远地区供电系统的能源,那时太阳电池的效率只有 6%。接着从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始,一直到1969年美国太空人登陆月球,太阳电池的应用可说是充分发挥。虽然当时太阳电池的造价昂贵,但其对人类历史的贡献,却是金钱所不能衡量的。近年来全球的通讯市场蓬勃发展,各大通讯计划不断提出,例如Motorola公司的铱(Iridium)计划,将使用66颗低轨道的卫星(LEO),Bill Gates 之Teledesic计划,预计将使用840颗LEO卫星,这些都将促使太阳电池被广泛地使用在太空中。 

  人类发展太阳电池的最终目标,就是希望能取代目前传统的能源。我们都知道太阳的能量是取之不尽用之不竭的,从太阳表面所放射出来的能量,换算成电力约3.8x1023 kW;若太阳光经过一亿五千万公里的距离,穿过大气层到达地球的表面也约有1.8x1014 kW,这个值大约为全球平均电力的十万倍大。若我们能够 "有效的"运用此能源,则不仅能解决消耗性能源的问题,连环保问题也可一併获得解决。目前太阳电池发展的瓶颈主要有两项因素:一项为效率,另一项为价格。

  在光-电转换的过程中,事实上,并非所有的入射光谱都能被太阳电池所吸收,并完全转成电流。有一半左右的光谱因能量太低(小于半导体的能隙),对电池的输出没有贡献,而再另一半被吸收的光子中,除了产生电子-电洞对所需的能量外,约有一半左右的能量以热的形式释放掉,所以单一电池的最高效率约在25%左右,目前实验室所发出来的效率,几乎可达到理论值的最高水准。唯因製造过程複杂量产不易,因此价格普遍过高,不符合经济效益。这也是目前太阳电池发展最大的瓶颈。工业界一直在寻找降低成本的方法,目前所获的的成果包括: 

  捨弃传统的CZ与FZ长晶方式,改用铸造硅晶锭(Silicon Ingot Casting)的方式。 

  不用轮盘锯切割晶锭,改用线锯的方式切割,如此可节省约30 % 的材料成本。 

  ASE America 公司所研发出Edge-defined Film-fed Growth(EFG)的拉晶方法,此方法可拉出中空的八角形柱体,利用雷射切割就可得到10x10㎝2的晶片,可节省材料在切割上的损失。 

  採用薄膜技术,此方法可大量节省製造所需的材料,被认为是最具有低成本潜力的方式。 

  用薄膜技术製造的主要材料包括:非晶硅(a-Si),硒化铟铜(Copper Indium Diselenide,CISe2),碲化镉(CdTe),虽然薄膜技术被认为是最具有潜力的方式,但是目前还没有任何一个量产的技术,能够达到下列的要求: 

  沉积薄膜的速率在每分钟一微米以上。 

  沉积的温度在600度C以下。 

  薄膜的厚度在十微米以下。 

  成长的晶粒(Grain Size)大小在一微米以下。 

  少数载子的扩散长度超过十微米。 
 楼主| 发表于 2008-12-2 09:23:46 | 显示全部楼层
太 阳 电 池 的 简 介太阳电池是一种能量转换的光电元件,它是经由太阳光照射后,把光的能量转换成电能,此种光电元件称为太阳电池(Solar Cell)。从物理学的角度来看,有人称之为光伏电池(Photovoltaic,简称PV),其中的photo就是光(light),而voltaic 就是电力(electricity)。

太阳电池的种类繁多,若依材料的种类来区分,可分为单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon,简称a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP) 、磷化镓铟(InGaP) ]、Ⅱ-Ⅵ族[包括:碲化镉(CdTe) 、硒化铟铜(CuInSe2)]等。

第一个太阳电池是在1954年由贝尔实验室所製造出来的,当时研究的动机是希望能替偏远地区的通讯系统提供电源,不过由于效率太低(只有6%),而且造价太高(357美元/瓦),缺乏商业上的价值。就在此时,开创人类历史的另一项计画---太空计画也正在如火如荼地展开中;因为太阳电池具有不可取代的重要性,使得太阳电池得以找到另一片发展的天空。从1957年当时的苏联发射第一颗人造卫星开始,太阳电池就肩负着太空飞行任务中一项重要的角色,一直到 1969年美国人登陆月球,太阳电池的发展可以说到达一个颠峰的境界。但因为太阳电池造价昂贵,相对地使得太阳电池的应用范围受到限制。到了1970年代初期,由于中东发生战争,石油禁运,使得工业国家的石油供应中断造成能源危机,迫使人们不得不再度重视将太阳电池应用于电力系统的可行性。1990年以后,人们开始将太阳电池发电与民生用电结合,于是「与市电併联型太阳电池发电系统」(grid-connected photovoltaic system)开始推广,此观念是把太阳电池与建筑物的设计整合在一起,并与传统的电力系统相连结,如此我们就可以从这两种方式取得电力,除了可以减少尖峰用电的负荷外,剩馀的电力还可储存或是回售给电力公司。此一发电系统的建立可以舒缓筹建大型发电厂的压力,避免土地徵收的困难与环境的破坏。近年来,太阳电池不断有新的结构与製造技术被研发出来,其目的不外乎是希望能降低成本,并提高效率。如此太阳电池才可能全面普及化,成为电力系统的主要来源。 
 楼主| 发表于 2008-12-2 09:24:12 | 显示全部楼层
  太 阳 电 池 的 原 理
  在1930年代发现,电解质电池照光时电流将会增加,证明了光生电流的现象,一直到1954年第一个硅製的太阳电池终于被製造出来,当时的效率只有6%。

  太阳电池的发电原理,可以用一构造最简单的单晶硅太阳电池来说明。所谓的单晶硅,就是指硅原子与硅原子间按照顺序规则的排列。我们知道,硅(Si)的原子序为14,其电子组态为1s2 2s2 2p6 3s2 3p2,其中内层的10个电子(1s2 2s2 2p6 ),被原子核紧密的束缚着,而外层的4个电子(3s2 3p2 )受到原子核的束缚较小,如果得到足够的能量,则可使其脱离原子核的束缚而成为自由电子,硅原子外层的这四个电子又称为价电子,而硅的晶体结构是属于鑽石晶体结构(diamond crystal structure),每个硅原子与邻近的四个硅原子形成共价键,如果我们在纯硅之中掺入三价的杂质原子,例如硼原子(B),此三价的杂质原子,将取代硅原子的位置,因为硼原子只有三个价电子可与邻近的硅原子形成共价键,所以在硼原子的周围会产生一个空缺,可供电子填补,此一可填补电子的空缺即称为电洞。电洞在电学中可视为一可移动且带正电的载子(carrier),因为电洞可以接受一个电子,所以掺入的三价杂质原子又称为受体(acceptor),而一个掺入三价杂质的半导体,即称为p型半导体。

  同理,如果我们在纯硅之中掺入五价的杂质原子,例如磷原子(P),此五价的杂质原子,将取代硅原子的位置,因为磷原子具有五个价电子,其中的四个价电子分别与邻近的四个硅原子形成共价键,而多出一个自由电子,该电子为一带负电的载子,因为五价的杂质原子可提供一个自由电子,故称此五价的杂质原子为施体 (donor),而掺了施体的半导体称为n型半导体。

  一般太阳电池是以掺杂少量硼原子的p型半导体当作基板(substrate),然后再用高温热扩散的方法,把浓度略高于硼的磷掺入p型基板内,如此即可形成一p-n接面,而p-n接面是由带正电的施体离子与带负电的受体离子所组成,在该正、负离子所在的区域内,存在着一个内建电位(built-in potential),此内建的电位,可驱赶在此区域中的可移动载子,故此区域称之为空乏区(depletion region)。当太阳光照射到一p-n结构的半导体时,光子所提供的能量可能会把半导体中的电子激发出来,产生电子-电洞对,电子与电洞均会受到内建电位的影响,电洞往电场的方向移动,而电子则往相反的方向移动。如果我们用导线将此太阳电池与一负载(load)连接起来,形成一个迴路(loop),就会有电流流过负载,这就是太阳电池发电的原理。
 楼主| 发表于 2008-12-2 09:27:12 | 显示全部楼层
太 阳 电 池 的 製 造
  为了介绍太阳能电池的製造技术,我们先由最简单的流程,即单晶硅太阳电池的製造技术谈起。製程步骤则如以下所示: 

  拉晶:主要的原料为二氧化硅,利用晶种在拉晶炉中成长出一单晶硅碇。 

  修角:一般微电子产业所用的晶圆(wafer),是直接把单晶硅碇切片而成,但对于太阳电池而言,通常必须把许多晶片串联成一方形阵,为了阵列排列的更紧密,大部分都先将单晶硅碇修角成四方形。 

  切片:用切片机将单晶硅碇切成厚度约0.5毫米的晶圆。 

  蚀刻及抛光:蚀刻的目的是去除在切片过程中所造成的应力层。抛光的目的是要降低微粒(particle)附着在晶圆上的可能性。 

  清洗:用去离子水(DI water)把晶圆表面的杂质污染物去除。 

  扩散:一般太阳电池均採用p型的基板,利用高温热扩散的处理,使p型的基板上形成一层薄薄的n型半导体。 

  网印或蒸镀:将製作完成的晶圆,用银胶印刷或是用蒸镀的方法,在晶圆的表面接出导电电极,如此即可完成一个简单的太阳电池。 

  而要如何製造才能提昇太阳电池的转换效率,一直是学术界努力的目标。主要的做法可从下列几 个方向着手: 

  将电极作成手指状(Finger),以增加入射光的面积(图一)。 

  将表面製成金字塔型的组织(Pyramid Texture)结构,并加入抗反射层,以减少光的反射量。 

  将金属电极埋入基板中,以减少串联电阻。(图二) 

  因金属与硅的接合处,有大量的缺陷,此易造成逆向饱和电流降低效率,因此製成PERL(Passivated-Emitter ,Rear Locally-diffused),减少实际电极与硅的接触面积。(图三) 

  点接触式太阳电池(Point Contact Cells) (图四),此电池的特点为电极均做在同一面,如此可增加入射光的面积,且易于焊线。 

  目前实验室所製造出的太阳电池,其转换效率几乎可以达到最佳的水准,只可惜他们的製造过程多半过于複杂,量产不易。 

  (图一)

  

  (图二) 

  

  (图三)

  

  (图四)

  
 楼主| 发表于 2008-12-2 09:27:41 | 显示全部楼层
  太 阳 电 池 的 材 料
  太阳辐射之光谱,主要是以可见光为中心,其分佈范围从0.3微米 (μm)之紫外光到数微米之红外光为主,若换算成光子的能量,则约在0.4 eV(电子伏特)到4eV之间,当光子的能量小于半导体的能隙(energy bandgap),则光子不被半导体吸收,此时半导体对光子而言是透明的。当光子的能量大于半导体的能隙,则相当于半导体能隙的能量将被半导体吸收,产生电子-电洞对,而其馀的能量则以热的形式消耗掉。因此製作太阳电池材料的能隙,必须要仔细地选择,才能有效地产生电子-电洞对。一般来说,理想的太阳电池材料必须具备有下列特性:

  1. 能隙在1.1eV到1.7eV之间。

  2. 直接能隙半导体。

  3. 组成的材料无毒性。

  4. 可利用薄膜沉积的技术,并可大面积製造。

  5. 有良好的光电转换效率。

  6. 具有长时期的稳定性。

  我们知道硅的能隙为1.12eV,且硅为间接能隙半导体,它对光的吸收性不好,所以硅在这方面并非是最理想的材料,但是在另方面,硅乃地球上蕴含量第二丰富的元素,且硅本身无毒性,它的氧化物稳定又不具水溶性,因此硅在半导体工业的发展,已具有深厚的基础,目前太阳电池仍旧以硅为主要材料。

  硅原子依据不同的结晶方式,可区分成单晶硅、多晶硅及非晶硅。单晶硅的组成原子均按照一定的规则,週期性的排列,它的製作方法是把硅金属(纯度为99.999999999%,11个9)熔融于石英坩埚中,然后把晶种(seed)插入液面,以每分钟转2~20圈的速率旋转,同时以每分钟0.3~10毫米(mm)的速度缓慢的往上拉引,如此即可形成一直径4~8吋单晶硅碇(ingot),此製作方法称为柴氏长晶法(Czochralski Method)。用单晶硅製成的太阳电池,效率高且性能稳定,目前已广泛应用于太空及陆地上。

  多晶硅的硅原子堆积方式不只一种,它是由多种不同排列方向的单晶所组成。多晶硅是以熔融的硅铸造固化製成,因其製程简单,所以成本较低。目前由多晶硅所製作出的太阳电池产量,已经逐渐超越单晶硅的太阳电池。

  非晶硅乃是指硅原子的排列非常紊乱,没有规则可循。一般非晶硅是以电浆式化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,简称PECVD),在玻璃等基板上成长厚度约1微米(μm)左右的非晶硅薄膜,因为非晶硅对光的吸收性比硅强约500倍,所以对非晶硅而言只需要薄薄的一层就可以把光子的能量有效的吸收。而且不需要使用价格昂贵的结晶硅基板,改採用价格较便宜的玻璃、陶瓷或是金属等基板,如此不仅可以节省大量的材料成本,也使得製作大面积的太阳电池成为可能(结晶硅太阳电池的面积受限于硅晶圆的尺寸)。当非晶硅太阳电池刚被发明时,由于具有低成本、製作简易且可大面积製造等优点,有学者预言将有可能取代结晶硅太阳电池,因此曾经引起厂商的兴趣投入生产,从1985年到1990年初期非晶硅太阳电池的比例曾经到达全世界太阳电池总量的三分之一。但是近几年非晶硅太阳电池的生产比例有逐渐下滑的趋势,影响非晶硅太阳电池发展的主要因素就是稳定度的问题。由于非晶硅材料在强烈的光线照射下,将会产生缺陷而导致电流下降(即所谓的Staebler-Wronski效应),发生供电不稳定的问题。虽然目前有人採用双重接面(a-Si/a-SiGe)电池来提升它的稳定度,但是,对于消费者的接受度上,仍有值得努力发展的空间。

  除了上述以硅为主的太阳电池材料外,还有各种不同的化合物半导体材料陆续被研发出来。主要的材料有:GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、 CuInSe2(CIS)、CuInGaSe2(CIGS)等。这些材料所製作出的太阳电池都有很高的效率,但是因为製程的成本较高,所以只有应用于少数特殊的用途。



 楼主| 发表于 2008-12-2 09:29:48 | 显示全部楼层
太 阳 电 池 的 效 率
  要判别一个太阳电池性能的好坏,最重要的就是转换效率(h),转换效率定义为: 

  

  其中Pin 为太阳光入射功率,Pm为最大输出功率, Im 与Vm 分别为在最大输出功率时的电流与电压。 

  要如何製造才能提昇太阳电池的转换效率,一直是学术界努力的目标。主要的做法可从下列几个方向着手: 

  将不透光的金属电极作成手指状(finger)或是网状,以减少光线的反射,使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中。 

  将表面製成金字塔型的组织(pyramid texture)结构,并加入抗反射层,以减少光的反射量。 

  将金属电极埋入基板中,以增加接触面积,减少串联电阻。 

  点接触式太阳电池(point contact cell),此电池的特点为电极均做在同一面,如此可增加入射光的面积,且易于焊线。 

  将太阳电池製成串叠型电池(tandem cell),把两个或两个以上的元件堆叠起来,能够吸收较高能量光谱的电池放在上层,吸收较低能量光谱的电池放在下层,透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。

  目前实验室所製造出的太阳电池,其转换效率几乎可以达到最佳的水准,只可惜他们的製造过程多半过于複杂,而且价格昂贵并未大量生产。 

  根据文献的记载,目前各种太阳电池的最高效率为:

  单晶硅:24.7% 

  多晶硅:19.8% 

  非晶硅:14.5% 

  GaAs:25.7% 

  CIGS:18.8% 

  多接面串叠型(InGaP/GaAs//InGaAs, multijunction tandem cell):33.3%。

  由于材料特性上的限制,对于结晶硅太阳电池的效率,几乎已经达到最佳的水准,要再进一步提升的空间有限,目前比较具有成长潜力的应属多接面的串叠型太阳电池,根据美国能源部的研究人员预测,到达2005年时,多接面的串叠型太阳电池效率将可达到40%以上。



 楼主| 发表于 2008-12-2 09:30:57 | 显示全部楼层
太 阳 电 池 的 应 用
  太阳电池应用的范围非常广,可分为下列几项: 

  电力:大功率发电系统、家庭发电系统等。 

  通讯:无线电力、无线通讯等。 

  消费性电子产品:计算机、手錶、电动玩具、收音机等。 

  交通运输:汽车、船舶、交通号志、道路照明、灯塔等。 

  农业:抽水机、灌溉等。 

  其他:冷藏疫苗、茶叶烘焙、学校用电等。

  随着电子科技的快速发展,各种电子产品也是日新月异,其中通讯与资讯产品,更成为人类日常生活中,不可缺少的日常用品,诸如大哥大的手机、掌上型电脑与个人数位助理(PDA)等,这些电子产品都必须要有电源供应才能发挥功能。因为电池没电而英雄无用武之地的窘境,相信很多人都曾发生过,而这个问题即将在太阳能衣的上市后成为历史。 

  最近德国的科学家洛雅恩与拉恩林研製出一种太阳能纤维,这种太阳能纤维是由三层非结晶硅与两层导电电极所组成。当太阳光照射时,可使上层的电极产生自由电子,这些自由电子经由内建电场的作用,穿过中间的非结晶硅层而抵达下层的电极,即形成一个基本的电池结构。据称这种太阳能纤维製成的衣服还可以放入洗衣机内洗涤!未来只要人们穿上这种太阳能衣,就不用再担心自己随身携带的电子产品,面临没电而一切停摆的命运了。 

  而太阳能电池的应用比例则如下图所示。





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