新式纳米组织材料制作及在薄膜太阳电池之运用分析

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1、新式纳米组织材料制作及在薄膜太阳电池之运用分析1绪论随着全球工业化进程加快，人类能源需求日益增加，矿物燃料等常规能源开始面临枯竭，其对环境的危害也日益突出。因此，发展清洁的可再生能源，尤其是开发利用太阳能成为人类关注的焦点。丰富的太阳能福射是重要的资源，是取之不尽，用之不竭的，能够满足人类可持续发展的需要。近年来，越来越多的国家开始实行太阳能发展计划，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。如美国在1997年宣布实行太阳能百万屋顶计划即在100万个屋顶和建筑物上安装和使用太阳能光电系统；日本在上世纪七十年代开始制定了阳光计划和新阳光计划；德国提出了百万屋顶计划等。我国政府也

2、出台政策扶持光伏产业的发展，如2009年，财政部宣布对太阳能光电建筑等进行财政补贴。太阳电池是直接把太阳能转换为电能的器件。由于它是利用半导体中的光生伏特效应，因此又称光伏电池。二十世纪五十年代，Bell实验室开发出了第一块真正意义上的太阳电池，效率达6%，从此关于太阳电池的研究开发就正式开始了。太阳电池的分类方法有很多。按结构的不同可以分为单晶、多晶、非晶、微晶和量子点等；按材料的不同则可以分为：桂太阳电池，多元化合物太阳电池、有机太阳电池以及量子点太阳电池；按制作过程的不同可以分为：晶体桂太阳电池、薄膜太阳电池、复合薄膜材料太阳电池和新概念太阳电池。晶体鞋太阳电池在目

3、前光伏市场上占主导地位。包括单晶桂和多晶桂太阳电池两种。其中，单晶娃电池的实验室转换效率已经达到25%，是澳大利亚新南威尔士大学所创造，工业化生产的转换效率也已达到17.5-18.5%;多晶桂电池的转换效率略低于单晶桂，实验室转换效率为20.5%，工业化成产的转换效率为15-17%。然而,我们应该清醒的看到，尽管晶体鞋电池的产量占太阳电池总产量的一般以上，但是鞋材料在晶体桂电池组件成本中约占65%-90%;近年面临娃材料短缺的压力，传统晶体桂太阳能电池难以满足快速成长的太阳光电市场需求，研究开发薄膜太阳能电池成为近来瞩目的焦点。薄膜太阳电池的优点是用料省、设备要求低、工艺

4、过程简单。可以沉积在玻璃、不绣钢和塑料薄膜等廉价的衬底上，因此制作成本相对低廉，有很好的应用前景。薄膜太阳电池中主要包括挂基薄膜太阳电池、铜钢镓硒系列薄膜太阳电池（包括铜锌锡硫硕）以及硫化镉太阳电池。其中，蹄化镉太阳电池中含有有毒元素，这些元素会对人类和环境造成不利影响，这可能是其未来发展的一个障碍。桂基薄膜电池包括非晶桂薄膜、多晶娃薄膜和微晶桂薄膜三种，其中以非晶桂薄膜的研究历史最为悠久。铜铟镓硒薄膜太阳电池是目前为至效率最高的薄膜太阳电池，实验室最高效率达20.3%。综上所述，薄膜太阳电池有着很好的应用前景。但还是存在很多的问题，比如，铜铟镓硒薄膜电池中会用到硫化镉作

5、为缓冲层而镉元素是对人体有害的元素；最为理想的太阳电池是能够吸收利用整个太阳光谱中所有波长的光，而薄膜电池对紫外或近红外区域的光并不能有效的吸收利用。寻找探索新的方法提高薄膜太阳电池的转换效率和降低生产成本是研究太阳电池的目标。本文在前人研究基础上，就薄膜电池中若千问题的解决展开论述。2引言2.1太阳电池基本理论光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电势差的现象。下面以同质pn结为例说明光生电压产生原理。?由于掺杂杂质的不同，P型半导体内多数载流子为空穴，n型半导体内多数载流子为电子。当pn型半导体结合后，由于两种半导体之间载流子浓度的差异

6、，n区电子扩散到p区，同时P区空穴扩散到n区。在半导体界面处两边都留下了不能移动的杂质离子。同时界面处P区部分缺少空穴带负电，n区部分缺少电子带正电。形成了一个由n指向P的内建电场。内建电场将组织电子和空穴的进一步扩散，最终达到稳态。当能量大于半导体禁带宽带的光子入射到pn结表面时，光子被pn结吸收产生电子-空穴对。在pn结内建电场作用下，电子漂移到n区，空穴漂移到P区。这些漂移到pn结两端的光生电荷，将形成一个与原内建电场方向相反的光生电场。光生电场使n区能带相对P区上移，以阻止光生电子空穴被反方向抽取。最终光生电场与内建电场之间达到一个动态的平衡。此时，光照下的pn结

7、两端建立起稳定的电势差，即光生电压。这就是光生伏特效应。当pn所在外电路开路时，光生电压为开路电压。2.1.2太阳电池的等效电路如图2.1所示，太阳电池可以用恒流源、pn结二极管、串联电阻和并联电阻构成的等效电路表示。其中恒流源为光生电流，串联电阻是由材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻以及电极本身传导电流的电阻所构成的总串联电阻，并联电阻是在pn结形成不完全部分所导致的漏电流所引起的电阻，称为旁路电阻或漏电电阻。2.1.3太阳电池光生电流-电压特性曲线典型的AM1.5光照下光生电流-电压特性曲线如图2.2所示。其中，Voc为开