1、第三章 光伏电池Photovoltaics(orPV) 主要内容 定义？ 工作原理？ 主要材料？ 发展的方向及材料？PhotovoltaicsystemtreeinStyria,AustriaDefinition：Photovoltaics are best known as a method for generating electric power by using solar cells to convert energy from the sun into electricity.The photovoltaic effect refers to photons of light kn
2、ocking electrons into a higher state of energy to create electricity. In 1839： Edmund Bequerel （ a French physicist）found that certain materials would produce small amounts of electric current when exposed to light.In 1905, Albert Einstein described the nature of light and the photoelectric effect o
3、n which photovoltaic technology is based, for which he later won a Nobel prize in physics. In 1954， Bell Laboratories built the first photovoltaic module In the 1960s, the space industry began to make the first serious use of the technology to provide power aboard spacecraft. During the energy crisi
4、s in the 1970s, photovoltaic technology gained recognition as a source of power for non-space applications. 现象- 原理（解释）- 样品（昂贵、低效）- 新材料研制-规模化生产Howdoesitwork？ 太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池； 3、功能高分子材料制备的大阳能电池； 4、纳米晶太阳能电
5、池等。Energy Band Structure In SolidsConductionintermsofbandandatomicbondingmodels Freeelectron（自由电子）onlyelectronswithenergiesgreaterthantheFermienergymaybeactedonandacceleratedinthepresenceofanelectricfield.Thesearetheelectronsthatparticipateintheconductionprocess，whicharetermedfreeelectrons. Hole(空穴）
6、HaveenergieslessthanEfandalsoparticipateinelectronicconduction.Metal:atomicbondingmodels:electrongaswhichisuniformlydistributedthroughoutthelatticeofioncenter.InsulatorsandSemiconductors:Formanymaterials,bandgapisseveralelectronvoltswide.Mostoftentheexcitationenergyisnonelectricalsourcesuchasheatorl
7、ight.usuallytheformer.SemiconductivityThetwoelementalsemiconductorsareSiandGe(Germanium),bandgapenergies1.1eVand0.7eV.Compoundsemiconductingmaterials:GaAs.III-Vcompounds.IIB-VIA:CdS,ZnTeSi1.1InSb0.17Ge0.67CdS2.40GaP2.25ZnTe2.26GaAs1.42N型，掺入磷，多电子P型，掺入硼，多空穴PN junction , Diode硅太阳能电池的工作原理光电效应P型半导体N型半导体P
8、型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。内电场如何形成的？在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别，N型区内电子很多而空穴很少，P型区内则相反。这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子它们不能任意移动，因此并不参与导电,通常称为空间电荷，它们集中在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，就是所谓的PN结。又称为耗尽区。扩散越强，空间电
9、荷区越宽。由于空间电荷区正负电荷之间的相互作用，在空间电在区中就形成了一个电场(称为内电场)，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。内电场的方向是阻止扩散的。内电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。P区N区空间电荷区内建电场图1-5 PN结的形成当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N
10、型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(Materials CrystalStructures Amorphous 非晶態 Norepeatedstructureatall Polycrystalline多晶態 Somerepeatedstructures Single crystal單晶態 OnerepeatedstructureAmorphous StructurePolycrystallineStructureGrainGrain BoundarySingle Crystal StructureUnitCellofSingleCrystalS
11、iliconFromSandtoWaferQuartzsand:silicondioxideSandtometallicgradesilicon(MGS)ReactMGSpowderwithHCltoformTCSPurifyTCSbyvaporizationandcondensationReactTCStoH2toformpolysilicon(EGS)MeltEGSandpullsinglecrystalingotFromSandtoSilicon Heat (2000 C)SiO2 + C Si + CO2 Sand Carbon MGS Carbon DioxideSiliconPur
12、ificationISi + HCl TCS Silicon PowderHydrochlorideFiltersCondenserPurifierPure TCS with 99.9999999%Reactor, 300 CSiliconPurificationI Heat (300 C)Si + HCl SiHCl3 + H2 MGS Hydrochloride TCS HydrogenPolysiliconDeposition,EGS Heat (1100 C)SiHCl3 + H 2 Si + 3HCl TCS Hydrogen EGS HydrochlorideSiliconPuri
13、ficationIILiquid TCSH2Carrier gas bubblesH2 and TCSProcess ChamberTCS+H2EGS+HClEGSElectronicGradeSiliconSource: http:/ C融熔的矽CZCrystalPullersCZCrystalPullingSource: http:/ CoilsPoly Si RodSingle Crystal SiliconSeed CrystalHeating Coils MovementMolten SiliconComparisonoftheTwoMethods 查克洛斯基法(CZmethod)是
14、較常用的方法 價格便宜 較大的晶圓尺寸12”(直徑300mm) 晶體碎片和多晶態矽再利用 懸浮帶區法(FloatingZone) 純度較高(不用坩堝)(低氧及碳含量) 價格較高,晶圓尺寸較小6”(150mm) 分離式功率元件需掌握内容 太阳能电池的定义？ 硅太阳能电池的工作原理？ 多晶硅和单晶硅的制备过程？ PN节中的内电场？方向？燃料敏化太阳能电池dye-sensitized solar cell DSSC王彪概 述 1873年，德国Vogel发现，染料处理的卤化银对可见光的反应能力明显增强。 1887年，Moser证明。 1949年，Putzeiko和Trenin将罗丹明B、曙红等有机光敏
15、燃料吸附于ZnO粉末上，得到可见光的光电效应。 1964年，染料单分子层吸附到半导体表面上，才会出现光电效应-机理-电子转移 70s初，TiO2进行水的光电解水制氢。 1991年，瑞士洛桑高等工业学校Gratzel研究室以纳米多孔TiO2半导体膜作光电极，以过渡金属Ru有机化合物为染料，发展DSSC，转化率7.1%，成本为Si太阳能电池的1/10。目前转化率已经达到12%。 TiO2膜的表面积要大。工作原理 为什么要用染料？ 组成：玻璃、透明導體(ITO)、半導體氧化物(TiO2)、染(Dye)、電解質(Electrolyte)、陰極(Pt)、玻璃。 常的半導體氧化物如：TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5,CdSe，這些材為寬能隙(3eV)對大部分光譜可透光。 傳統電解質材為碘化物(I-)和3碘化物(I3-)作為氧化還原的反應物，為液態電解質。 DSSC的反應步驟：一、附在TiO2的多孔性薄膜上的染，作為吸收太陽光的材。二、染中價電層電子受光激發，躍遷到電子激發態。從這個激發態，染可以把電子傳導至米氧化鈦半導體的導電層，而染本身變成帶正電，失去電子的染則經由電池中電解質得到電子。三、電子穿過TiO2至電收集端。四、接著穿過外部電至對面電極。五、DSSC的開電壓取決於TiO2的Fermilevel和電解質中氧化還原電位的差。
