光电子器件论文
—浅谈太阳能光电池的效率问题
浅谈太阳能光电池的效率问题
摘要：太阳能作为一种新能源和可再生能源，受到了世界各国的青睐。但从如今的发展状况来看，还存在着不少的问题和强大的发展空间。本文简单的分析了当今比较热门的太阳能光电池低效率的问题，并就提高其效率的方法、原理以及发展的现状、价格和产业化问题做了简单介绍。
关键字：太阳能光电池、低效率、解决方案、产业化。
在常规化石燃料能源过度消耗的今天，太阳能的开发与利用达到了前所未有的程度。太阳能取之不尽用之不还随处可得，避免了长距离输电线路的损失，其发电不产生任何废物，无污染无公害，是一种理想的清洁能源。 一、近年来的发展现状：
下表是全球2006-2007年太阳电池的产量和2010年末全球光伏工业产量。 国家/地区 2006年 2007年 产量(MW) 比例(%) 产量(MW) 比例(%) 中国大陆 438 17.1 1088 27.2 日本 德国 美国 硅材料 8-10 硅片 10-12 电池 11-14 晶体硅组件 14-16 薄膜电池 4 表2:2010年末全球光伏工业产量 从表1可以看出，太阳电池的生产能力有了很大的提高，从表2可以看出近年来光伏技术的材料仍旧是以硅为主，并且正在向薄膜电池发展。
虽然近年来太阳能电池的发展速度很快，但是其造价之高和效率之低仍旧是其不能普及的重要障碍。下面让我们看一组数据，便能够了解到提高效率的重要性。 电池种类 转换效率（%） 单晶硅电池 24.7 GaAs多结电池 40.7 多晶硅电池 20.3 非晶硅电池 12.8 多晶薄膜电池 16.6 纳米硅电池 10.1 染料敏化电池 11.0 HIT电池 21.5
926.8 508 36.19 19.83 920 810 23 20.25 6.65 179.6 7.01 266.1 表1：全球2006-2007年太阳电池的产量 表3：目前各类太阳电池的实验室转换效率
电池组件 成本 16%的单晶硅 260美元/ m2 10%的CdTe 90美元/ m2 12%的CIGS 170美元/ m2 8%非晶硅 90美元/ m2 25%聚光太阳电池 50美元/ m2 表4：几种太阳能电池组的成本报价 通过这组数据，我们可知现今太阳能电池的转换效率非常低，造价非常的高，其发展还有很大的提升空间。而想要尽快的提高转换效率、降低造价，便需要不断的改进加工工艺，发展低造价高效率的太阳能电池材料
那么如何提高太阳能电池的效率呢？首先我们应该找到影响效率的原因，我的总结如下:
(1)太阳是能量的来源，虽然它辐射的能量非常巨大，但是太阳能电池的吸
收利用的效率非常低。所以我们应该创新加工工艺改善太阳能电池结构来提高对光照的吸收。
(2)外界的温度等条件也会影响太阳能电池的输出功率，如何使之处于最大
功率输出点也是比较关键的问题。
(3)如今使用较为广泛的太阳能电池材料仍旧是硅，但提纯硅的工艺却是非
常繁琐，其造价之高严重影响了太阳能电池的普及和发展。所以如何节省材料发展材料也成了提高效率的关键。
(4)单节电池的效率较低，无论是输出电流和输出电压都不足以满足生产生
活需要。如何设计太阳电池方阵完善光伏系统也是比较关键的一步。
针对以上问题，我了解到了现今比较常用的提高方法，由下叙述： 二、解决方法:
1、 对于较为常见的非晶硅电池和单晶硅电池来说：
（1） 发展薄膜电池，由于薄膜电池用硅量比较少，价格便宜还可以做成柔性
衬底甚至不规则形状，可以具有不同颜色和透明程度，容易实现与建筑的一体化。
（2） 采用绒面上电极和多层背反射电极来增加光在I层的吸收。采用绒面可
实现入射光的多次反射，使反射损失变小，起到增透减反的作用，同时如果再加上减反射膜，反射率可以进一步的降低，设置可以达到3%以下。制绒前后的反射率对比如图所示：
图1：制绒前后的反射率对比图
入射光在绒面表面多次折射，改变了入射光在硅中的前进方向，不仅延长了光程，增加了对红外光子的吸收率，而且有效多的光子在P-N结附近产生光生载流子，从而增加了光生载流子的收集概率。在同样尺寸的集片上，绒面电池的P-N结面积比光面电池大得多，因而可以提高短路电流和转换效率。
绒面的制作方法：
对于单晶硅来说，绒面的制作通常是利用某些化学腐蚀剂对硅片表面进行腐蚀而形成，常用的有有机腐蚀剂例如EPW（乙二胺邻苯二酸和水）和联胺等，另一类是无机腐蚀剂包括碱性腐蚀液等，两者对不同镜面都具有不同的腐蚀速度。腐蚀剂对晶面的腐蚀速度也不相同，对（100）腐蚀最快，对（111)腐蚀较慢，这种现象也成为各向异性腐蚀。一般的太阳能电池对单晶硅（100）晶面作为表面，经过腐蚀会出现表面为（111）晶面的四面方椎体的金字塔结构。
对于多晶硅在实际生产中经常使用比较廉价的浓度为1%的NaOH稀溶液
作为腐蚀剂，添加醇类作为络合剂。但由于多晶表面晶向的随意分布，碱性腐蚀 的效果并不理想。近年来发展的酸腐蚀法、活性离子刻蚀法等应用到了大规模的生产中。酸性腐蚀法常用一定比例的HF+HNO3的酸混合溶液，此方法为各向同性腐蚀法。控制温度在5到10度，使其能在切片造成的表面损伤方向上保持较高的腐蚀速度，从而将表面的损伤加深加宽形成绒面，由于多晶硅表面晶向的随意分布，表面产生出不规则的凹坑形状，与单晶硅形成的有所不同。
图2： 单晶硅绒面形貌 图3：多晶硅的绒面形貌 （3）采用叠型非晶硅太阳能电池来提高太阳光的利用率。
限制非晶硅P-I-N太阳电池转换效率的一个重要因素是低能光子的损失，主要原因一是I层厚度有限，部分透射能力较强的长波光子不能被有效的吸收，二是非晶硅的带隙宽度约为1.8ev，能量小于起帯隙宽度的光子并不能产生电子空穴对。针对这个问题我们发展了叠层非晶硅太阳能电池。 最简单的非晶硅叠层太阳电池由两个非晶硅P-I-N单元组成，薄膜非
晶硅叠层太阳电池的断面结构及光谱相应曲线如图（PIN层的尺寸由图可知）。
图4图5：薄膜非晶硅叠层太阳电池断面结构及光谱响应曲线图
下面我们通过三个单元的叠层组介绍原理:
对于三个单元电池所组成的叠层太阳电池，从光入射的表面开始排序其禁带宽度Eg1>Eg2>Eg3,入射的光子由第一个太阳电池吸收，透过的能量小于的光子被第二个光电池吸收，以此类推来提高太阳电池的收集效率。在AM1光强100mW/cm2条件下，有两个单元叠层式电池的转换效率为19%-20%,此时Eg1=1.85ev，而又三个单元叠层时的最佳效率只有21%-22%，相对生产工作量，效率的提高并不多。但由于增加了叠层个数从而使太阳能的输出电流减小，这就意味着焦耳热功率I2R的损失减小，同时电压增大可以有效提高太阳能电池的性能。
图6：三结非晶硅叠层太阳电池的结构 图7：光谱响应曲线
现今由于叠层太阳电池较为适合空间技术的应用，其小电流大电压带来的优越性使其拥有着较好的发展空间。
2、根据伏安特性曲线和最大功率点的知识，我们可以采取下面的方式来达到提高功率的方法。
图8：太阳电池的伏安特性曲线
（1）恒电压控制法
对于光照和温度变化不大的环境中，太阳电池的最佳工作电压Um变化不大，可根据这一点在光伏方阵和负载之间通过一定的阻抗变化使得系统成为一个稳压器。使工作电压始终保持在Um附近，以此使得太阳能光电池始终接近于最大输出功率。 （2）增量电导法
由伏特曲线可知在最大功率处dP/dU=0，将功率用电压和电流的乘积表示为
dP/dU=d（IU）/dU=1+UdI/dU=0
整理得出dI/dU=-I/U
DI代表变化增量前后测得的电流差值 dU代表变化增量前后测得的的电压差值。因此根据测量的增量值dI/dU和瞬间太阳电池的电导值I/U来决定下一次的变动方向。当满足dI/dU=-I/U时表示已经达到了最大功率点。这种方法可以适应瞬息万变的气象环境，但是实际应用存在着误 差。
同时还有扰动法、直线近似法和实际测量法等等。
我们还可以从硅材料的制作方面、太阳能电池的聚光方面、光伏系统的
完善方面和太阳能点阵的设计方面来进行效率的提高。在此便不再赘述。
三、最新科技的发展：
最新锗太阳能光电池效率是35％！太阳能新能源技术的顶峰！目前各国航天器上用的太阳能电池板都是锗单晶太阳能电池，因为锗单晶材料制成的太阳能电池光电转换效率更高，可以达到35％。世界公认最顶级德国太阳能专家小组预言，随着各国对节能环保的重视，人类制造太阳能电池技术及工艺的进步，未来5年内锗单晶太阳能电池必将取代现在大量使用的硅
材料太阳能电池。
随着科技的发展，很多新材料被挖掘出来，其较高的转换效率和性能的确让人为之欣喜，虽然现今由于造价较高等原因还无法大量普及，但我相信科学的发展是永无止境的，终有一天太阳能电池技术将臻于完善！
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