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太阳电池工作原理的基础

晨怡热管 2008-12-22 11:01:54

太阳能文化: 

 

在太阳内部进行的由"氢"聚变成"氦"的原子核反应,不停地释放出巨大的能量,并不断向宇宙空间辐射能量,这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应可以维持几十亿至上百亿年的时间。太阳能对人类是取之不尽,用之不竭的广泛存在、平等给予和可自由利用的能源。

 

尽管太阳能辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×1026W)的22亿分子一,但已高达1.73×105W,也就是说太阳每秒照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。太阳幅射能穿越大气层,因受到吸收、散射及反射的作用,未被吸收或散射而能够直达地表的太阳幅射能称为“直接”幅射能;而被散射的幅射能,则称为“漫射”幅射能,地表上各点的总太阳幅射能即为直接和漫射幅射能二者的总和。地球上的风能、水能、海洋能、波浪能和生物能以及部分的潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大特点:

第一、它是人类可以利用的最丰富的能源,足以供地球人类使用几十亿年;

 第二、地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更有利用价值;

第三、太阳能是一种洁净的能源。在开发和利用时,不会发生废渣、废水、废气,也没有噪音,更不会影响生态平衡,绝对不会造成污染与公害。

但太阳能也有两个主要的缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因数(季节、地点、气候等)的影响,不能维持常量。这两大缺点大大的限制了太阳能的有效利用。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制的四面镜聚焦太阳光来点火;利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代,太阳能的利用已经日益广泛,它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

化石能源资源的有限性,以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、环境、社会发展的需求看,开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。据专家预测,今后2030年内,全球能源结构必将发生根本性的变化,到本世纪50年代,新能源与可再生能源将在整个能源构成中占50%太阳能利用将是21世纪的重大课题。我国太阳辐射资源比较丰富,而太阳辐射资源受气候、地理等环境条件的影响,因此其分布具有明显的地域性。根据过去测量太阳能年辐射总量的大小,我国可划分成以下四个太阳辐射资源带,如图1所示。我国的四个太阳辐射资源带分布如图所示:

1 Ⅰ 资源丰富带 6700MJ(m2.a)*资源较富带 5400-6700MJ/(m2.a)资源一般带 4200-5400MJ/(m2.a)资源贫乏带 < 4200MJ/(m2.a)

*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.)

我国地处北半球,南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上,大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。我国2/3以上地区的年日照大于2000小时,与同纬度的其他国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿吨标准煤。

太阳电池的分类

根据所用材料的不同,太阳电池可分为:1硅太阳电池;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纳米晶太阳电池等。太阳电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。

传统的太阳电池:

太阳电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳电池则还处于萌芽阶段。世界上,1941年出现有关硅太阳电池报道,1945年,美国贝尔电话实验室制造出了世界上第一块实用的硅太阳电池,开创了现代人类利用太阳能的新时代。1958年太阳电池应用于卫星航天领域。随后,人们先后研制了单晶硅电池,多晶硅电池,非晶硅电池,砷化镓双结电池等,可以得到能量转化效率最高可以达到28%。但是,这种电池制造工艺复杂,成本很高,大约是传统电池成本的10倍。

  

2 硅系列太阳能电池板

太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。如图2,太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳电池的工作原理。

 

 

3 PN结电池的工作原理图

  提高转换效率和降低成本是太阳电池制备中考虑的两个主要因素,对于目前的硅系太阳电池,要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此,今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来。

染料敏化太阳电池

1839Becquerel发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象以来,光电化学研究倍受关注。20世纪60年代,德国Tributsch发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理,成为光电化学电池的重要基础。1971Hond's FujishimaTiO2电极光电解水获得成功,这才开始了具有实际意义的光电化学电池的研究。在光电池研究中,大多数染料敏化剂的光电转换效率比较低(<1%)。在常规电化学电池中,人们普遍采用的都是致密的半导体膜,只能在膜表面上吸附单层染料,而单层的染料只能吸收小于1%的太阳光,多层染料又阻碍了电子的传输,因而电化学电池的光电转换效率一直小于1%,这也是几十年来电化学太阳电池没有得到发展的主要原因。直到最近的几项突破性研究才使染料敏化光电池的光电能量转换率有了很大提高。1991年,以瑞士洛桑高等工业学院M.Grätzel教授为首的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2作半导体电极,以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料,并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶体光电化学太阳电池。M. Grätzel教授引进纳米多孔的TiO215%的表面粗糙度的导电膜,使得整个半导体膜呈一个海绵状,有很大的内部表面积,能够吸收更多的染料单分子层,这样即克服了原来电池中只能吸附单分子层   4 Michael Gratzel瑞士联邦工业学院

 

而吸收少量太阳光的缺点,又可使太阳光在膜内多次   教授,染料敏化太阳电池的发明人。

反射,使太阳光被染料反复吸收,可产生更大的光电流,从而大大提高光电转换效率。这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新,其光电能量转换率在AM 1.5模拟日光照射下可达7.1%1993M.Grätzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳电池,2001年效率达到了10%11%短路电流密度为20.53mA/cm2,开路电压为720mV。1998M. Grätzel等人进一步研制出全固态M. Grätzel电池,使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质,单色光光电转换效率最大达33%从而引起了全世界的关注。染料敏化纳米晶太阳电池受到了很多国家的关注。经过近几年的发展,其效率已稳定在10%以上。这种纳米TiO2太阳电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10。寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步,估计不久的将来会逐步走上市场。

5 染料敏化太阳电池

染料敏化太阳电池的结构主要是由镀有透明导电膜(FSnO2) 的导电玻璃、多孔纳米TiO2膜、染料光敏化剂、电解质以及有多重作用的铂电极几部分组成。它的工作原理类似于自然界中的光合作用,绿色植物等的光合作用为太阳能-化学能的转换过程,光激发初期的过程同半导体光电极过程很相似。由于纳米结构的TiO2的带隙为3.2eV, 可见光不能将它激发, 若在TiO2表面吸附一层可见光吸收特性良好的染料光敏化剂, 则染料分子在可见光作用下, 通过吸收光能从基态跃迁到激发态(见图3), 由于激发态的不稳定性, 通过染料分子与TiO2表面的相互作用, 电子很快跃迁到较低能级的TiO2导带,进入TiO2导带中的电子最终将进入SnO2 导电膜, 然后通过外回路, 产生光电流被氧化了的染料分子在阴极被I-还原, 回到基态,同时电解质中的I-3被从阴极进入的电子还原成I-,这样便完成了一个循环。


6 染料敏化太阳电池的工作原理图

染料敏化太阳电池与传统的太阳电池相比有以下一些优势:

第一、生产工艺简单,易于大规模工业化生产;

第二、制备电池耗能较少,能源回收周期短;

第三、生产过程中无毒无污染;

第四、生产成本较低,电池中的导电玻璃可以再回收,预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。

染料敏化太阳电池在经过十多年的发展,在试验和理论的研究上取得了很大的进展,如果能够近期内解决电池密封的问题,并且使光电转化的效率有所提高,那么凭借它自身的低成本、工艺简单和对环境友好等特有的优点,将会取代现有的以硅为主的太阳电池的市场。我们有理由相信在不久的将来,这种新型的太阳电池将会从实验室逐步走进我们的生活中,在我们的日常生活和工作中扮演重要的角色。

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