柔性太阳能电池概述
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柔性太阳能电池研究概述
msesmart@编写
2011年华中科技大学1、引言
柔性太阳能电池,是薄膜太阳能电池的一种,而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是BIPV(Building Integrated Photovoltaic,光伏建筑一体化),它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。
2、太阳能电池原理
在金属表面照射紫外光,可以发生光电效应。如爱因斯坦结束的那样,由于入射光的光子能量大于电子的束缚能,所以产生自由电子。太阳能电池的功能是把太阳光转换为电压和电流,是一种光电转换。
光伏效应比光电效应的效率高得多。因为在发生光伏效应的太阳能电池中,2种极性相反的半导体组成了p-n结(p-n Junction),形成内建电场,驱动电子进入电路,在电路中形成电压和电流。如下图1所示。
图1
太阳能电池的基本机构,如图2所示。P-n结由两种极性相反的半导体组成。n型半导体,是掺P的Si晶体,易于给出电子,是施主(donor)材料。p型半导体,是掺B的Si晶体,易于获得电子,是受主(acceptor)材料。它们独立存在时,都是电中性的。当两种半导体连接在一起,电子从n型半导体扩散到p型半导体.在p 型半导体靠近边界附近,形成负电荷区,在n型半导体靠近边界附近,形成正电荷区。出现从n型半导体指向p型半导体的内建电场。扩散(diffuse)到p型半导体的部分电子,又在内建电场作用下漂移(drift)到n型半导体,最终p-n结中电子的扩散和漂移达到热平衡。
图2太阳能电池的结构
当太阳光照射到P-n结,如果光子能量hv超过带隙的能量阈值,电子吸收hv,进入导带,如图2.3所示。当一个价带电子进入导带,在价带中就留下一个空穴(hole),形成电子-空穴对。P-n结中电子的扩散,形成了内建电场。所以,不管光生电子在n型半导体中生成,还是在p型半导体中生成,都会沿着内建场方向进入n型半导体。这样,光伏效应形成的光生电场减弱了内建电场,光生电场和内建电场达到平衡后形成稳定的光生电流。被激发的电子通过和n型半导体链接的负电极进入电路,在电路中的负载重做功后,回到和p型半导体链接的正电极,电子和价带中的空穴复合,完成了整个光伏效应的过程。
3、无机柔性太阳能电池
3.1非晶硅柔性电池
晶体硅电池应用广泛,可靠性高,而且人们对其特性和原理有透彻的认识,所以一直是太阳能产业的主流。
非晶硅(amorphous silicon,a-Si)柔性电池的厚度是晶体硅电池的1/300,可以进一步地降低原材料成本。非晶硅柔性电池的一个突破时1997年提出的三结叠层电池结构,提高了转换效率和稳定性,稳定后的转换效率达到8.0%-8.5%。
以美国United Solar Ovonic公司的非晶硅柔性电池为力,非晶硅三结叠层电池结构包含了三层不同带隙的p-n结吸收层,如图3所示。顶电池用1.8eV带隙的非晶硅a-Si,吸收蓝光。中间电池用1.6eV 带隙的硅锗合金a-SiGe,吸收绿光,Ge的含量为10%-15%。底电池用1.4eV带隙的硅锗合金a-SiGe,为40%-50%吸收红光和红外光,Ge的含量较高。太阳光依次通过三层半导体吸收层后,还有一部分没有被吸收的光线,经过Al/ZnO的背反射层反射后,回到三层半导体吸收层,再进行一次吸收过程,背反射层起到陷光作用。这样非晶硅柔性电池可以更有效地吸收入射光,提高了转换效率和输出功率,在低入射光和散射光的条件下,性能更好。
图3非晶硅柔性电池的三结叠层结构的作用
3.2铜铟镓硒柔性电池
20世纪70年代中期,人们开始研究铜铟镓硒(copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜电池。CIGS薄膜属于黄铜矿结构(chalcopyrite)晶体,其带隙可以调节。由于太阳能电池对带隙的要求是1~1.7eV,通过改变III族阳离子In、Ga、Al和VI族阴离子Se、S的含量,可以按照需要调节CIGS的带隙。和非晶硅相比,CIGS晶体内部缺陷少,性能更稳定,组件寿命达25年。在组件使用过程中,铜离子的移动可以修复缺陷,因此组件性能会不断地提高,这和非精贵的光致衰退效应或S-W效应(Staebler-Wronskieflect)恰恰相反。
CIGS柔性电池和薄膜电池同DdTe薄膜电池有相似的结构:衬底、背电极、半导体吸收层和窗口导电层,如图4所示。
图4CIGS薄膜电池的结构
4、有机柔性太阳能电池
在有机太阳电池(organic photovoltaic,OPV)中,有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴,混合后具有正电性,共轭聚合物(conjugated polymer)是典型的施主材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴,混合后具有负电性,富勒烯(fullerene,C60)是典型的受主材料。
激子(excition)是被束缚的电子-空穴对,是受激后的准离子(quasiparticle)。受激后,电子和空穴分离,但是电子-空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引,由于库伦束缚而不能彻底分离,形成激子。激子有两种,瓦尔尼-模特激子(Wannier-Mottexcition)和弗伦克尔激子(Frenkel exciton)。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半导体中,被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态,库伦力较弱,在0.01eV左右。弗伦克尔激子存在于有机介质的施主材料中,之间的库伦力较强,在0.3eV左右。
有机电池光伏发电的原理,如图5所示:
(1)施主材料吸收太阳光,产生单线态激子,如图5(a)所示。
(2)激子从施主材料,扩散到施主材料和受主材料界面,即施主-受主的异质结,如图5(b)所示。
(3)电子被受主材料分子吸收,空穴留在施主材料中,这就是从激子到载流子的分离过程。分离过程很快,共轭聚合物—富勒烯系统中,分离过程仅为100fs,如图5(c)所示。
(4)虽然激子分离成载流子,但是电子和空穴之间仍然有库仑束缚。分离后的库仑束缚较弱,复合寿命在ms或um量级。而前面也提到,单线态激子的复合寿命在ns量级,如图5(d)所示。
(5)分离后的载流子分别进入正电极和负电极,驱动外电路,如图5(e)所示。