太阳电池系统的物理效应探究

2024-05-28祁红菊

电池 2024年1期

祁红菊,张谨

(1.江苏省奔牛高级中学,江苏常州 323000;2.常州信息职业技术学院,江苏常州 213164)

近年来,开发、利用新能源成为全球共识。在此背景下,各国深入研究并推广太阳能、海洋能、风能和核能等新能源,希望能大规模运用新能源实现发电、工业生产,同时,学校也十分重视新能源教育,将新能源相关知识融入物理、化学等课堂教学中,希望培养学生对新能源科技重要性的认知与开发利用新能源的科研兴趣。在各种新能源中,太阳能是一种清洁、节能、安全的能源,用晶体硅、氧化镍钙钛矿等材料制备而成的太阳电池系统更是被广泛应用于社会各领域。由高平奇、王子磊、林豪、蔡伦编著,中山大学出版社出版的《太阳电池物理与器件》一书,阐述了太阳电池的基本概念、研发测试与损耗分析,以及结构解读和制备技术等物理机制,可为相关企业提高太阳电池制备与生产技术提供参考,也可为物理课程中太阳电池相关知识的教学提供指导。

全书分为7 个章节。第一章介绍光与太阳光的基本物理性质;第二章阐述半导体材料的物理基础;第三章为太阳电池基础;第四章为太阳电池测试与分析;第五章针对太阳电池的光电转换效率进行研究;第六章说明了晶体硅太阳电池技术的生产与制备技术;第七章介绍了FDTD、PC1D 及Quokka 等软件在太阳电池器件模拟中的应用。

1 太阳电池系统的工作原理与发展应用

太阳电池系统可将太阳能转化为电能,从而实现供电。太阳电池系统由太阳能电池组件、监控设备和蓄电池组等组成,其中太阳能电池组件可实现对太阳能的吸收、储存和转化,是整个系统的核心;蓄电池组可将转化的电能进行存储、释放,以便给其他独立负载供电;监控设备则可对整个系统的运行状况进行监测,确保系统功率满足运行需求。

当前的太阳能发电方式有光电直接转换和光热电转换两种。光电直接转换利用光电效应来实现,可将太阳辐射的能量直接转换为电能,学生通过课堂学习,可了解太阳能发电的基本原理,并学会制作简单的太阳能电池。光热电转换是指利用太阳能集热器将吸收的光能与热能转化为水蒸气,经过蒸汽驱动发电来实现供电,整个过程分为光-热转换和热-电转换两部分。

太阳能是一种无限可再生能源,发电过程安全可靠、清洁无害,能够大大缓解当前能源紧张的问题。现实中,人们可根据用电需求就近建设太阳电池系统,为周边区域供电。这种供电方式不仅方便灵活,避免了长距离输送电造成的能量损失,而且运行简单、组件维护容易。太阳电池系统也存在一定的缺点,如太阳能发电量容易受到气候影响,阴雨天、晚上很少或不能发电;太阳能量密度较低,地面上可接收的太阳辐射强度有限,若想大规模使用或发电,需要铺设很大面积的太阳能电池板,导致太阳能发电系统的普遍应用受到限制。目前,中国以修建大型光伏电站进行社会性供电为主,作为火力发电的一大补充,为社会生产生活提供便利;将太阳电池系统应用于高原、海岛等边远地区的日常生活供电,以及城市街道路灯供电等方面,解决用电难题。

2 太阳电池系统的光电转换效率物理机制

根据所用材料不同,目前常见的太阳电池可分为两类。一类是基于晶硅的太阳电池,包括单晶硅、多晶硅电池。此类电池技术较为成熟,已广泛应用于各领域,95%的太阳电池均采用此类材料制作而成。另一类是非晶硅电池,包括有机聚合物太阳能电池、纳米晶太阳能电池和多晶体薄膜太阳能电池等新型太阳能电池,此外,氧化镍基柔性钙钛矿太阳电池、二硫化钨改性钙钛矿太阳电池等柔性衬底薄膜太阳电池,以及其他以ⅢV 族、ⅡⅥ族和磷化锌等材料制备而成的太阳能电池也属此类。与硅电池相比,非晶硅电池的利用效率与使用寿命相对较低,仍有待进一步研究、探索。

晶硅太阳电池的工作原理是由光电效应所决定的。光电效应的产生主要取决于电子的跃迁,即当带有电荷的电子在轨道上运行时,会辐射电磁波,且电子会自发地由高能级跃迁到低能级,并在跃迁时以光子形式释放能量。将这一原理应用于晶硅太阳电池时可发现,当光照射在由P 型和N 型组合而成的半导体材料上时,交界处的PN 结会形成新的空穴电子对,在PN 结电场的作用下,空穴会由N 区流向P 区,电子则会由P 区流向N 区,若此时接通电路,二者之间便会形成电流。理想情况下,太阳电池的光电转换效率可达到100%,但从物理学角度来看,电子在空穴电场中移动时,会与途经的晶硅材料原子发生碰撞,导致能量散失,即材料存在辐照损伤机制,这也是太阳电池的光电转化效率较低的原因。如单晶硅太阳电池的光电转换效率实际只有15%以上,单晶砷化镓太阳电池也仅为18%。为提高太阳电池的实际性能,应减少电子与电池板面的碰撞,避免能量碰撞损失。

不同太阳电池的光电转换效率差别较明显。影响太阳电池光电转换效率的主要因素有两个:光电转换材料和材料中的电荷运动过程。具体分析来看,单晶硅太阳电池晶面材料的缺陷密度相对较低,载流子在空穴电场中迁移时,迁移率较高、存活率较长;且单晶硅表面更为光滑,电子在迁移过程中不易与途经材料发生碰撞,界面缺陷的减少促进了电荷的更快分离,因此电荷传输效率更高。多晶硅太阳电池的光电转换效率容易受太阳能电池板生产工艺、杂质及晶粒尺寸等因素影响。这种由多个碎片组合而成的硅片,存在明显的材料缺陷,如晶格错位和晶粒界面会直接影响电荷在表面的迁移传输,导致电子在碰撞中损失能量,光电转换效率降低。在实践生产中,人们主要通过改善多晶硅中硅的掺杂浓度、优化光伏电池结构设计等方式来优化多晶硅太阳电池的光电转换效率。此外,二硫化钨改性钙钛矿太阳电池、氧化镍基柔性钙钛矿太阳电池等柔性衬底薄膜太阳电池的光电转换效率相对较高,是因为钙钛矿晶粒较大,形成的薄膜界密度较低,载流子在光伏电板表面迁移时,几乎不需要穿越晶界,因此电荷的传输效率更高。薄膜类太阳电池的光电转换效率很容易受到薄膜致密性的影响,当薄膜致密性较高时,本应分离的空穴传输层与电子传输层会出现直接接触现象,此时光伏电板内会发生电荷复合现象,导致开路电压、电流都下降,因此,保持薄膜的均匀平衡具有重要意义,能够大大增加载流子的传输迁移能力,提高电池的光电转换效率。影响柔性衬底太阳电池中电子传输效率的因素还有光电与电极之间的转化层能级,如钙钛矿太阳电池中,当电子传输层能级低于钙钛矿自身的导带能级时,电子会从钙钛矿传输至电子传输层,而空穴的传输则受到阻碍;当空穴传输层最高占据分子轨道(HOMO)能级高于钙钛矿的价带顶(VBM)能级时,会形成能极差,使电子空穴对发生复合,导致电荷传输效率降低,光电转换效率进一步降低。

3 太阳电池系统光电效率优化技术

针对上述光电转换效率机制与影响因素研究,人们提出了利用密栅、绒面、浅结、背反射、多层膜等技术来增大电池面积,增加太阳电池方阵的受光面与焊接点,进一步提高太阳电池的光电转换效率的方法。

如在晶硅太阳电池中,常采用表面钝化技术、分区掺杂工艺和表面织构化等技术来提高光电转化效率。表面钝化技术是指在太阳电池光伏电板表面覆盖一层保护介质膜,增加电池芯片表面的反射率,提高电池的光吸收能力。常见的钝化膜有二氧化硅、氧化铝、氮化硅和碳化硅等薄膜,以及叠层钝化膜等。这些钝化膜能够降低光伏电板中的载流子复合效率,提高电子的传输迁移效率和光电转化效率。分区掺杂工艺可在硅片内部指定区域进行选择性掺杂,通过去除特定区域中晶体硅片表面的二氧化硅层,使得掺杂原子进入硅片,导致硅片的杂质性得到改变,提高光电转化效率。表面织构化工艺常被用于多晶硅太阳电池,该工艺常在电池表面进行刻槽、埋栅处理,获得的多晶硅织构表面具有更强的陷光效应,能够增加光的反射与折射,减少光损失,提高光电转换效率。

在非晶硅太阳电池中,主要通过优化非晶硅薄膜、降低光致衰退效应的技术来提高光电转换效率。如在纳米晶太阳能电池中,利用二硫化钨对钙钛矿吸光层进行改性,通过二硫化物旋涂法来增加添加剂,从而优化钙钛矿的成膜质量,增强载流子在钙钛矿层面的迁移与运输,提高太阳电池光电转换效率。利用氧化镍作为柔性衬底薄膜也是钙钛矿太阳电池进行性能优化的主要方式。氧化镍薄膜的空穴密度较低,电导率相对较低,当钙钛矿光电与电极之间的转化层能级差距较大时,电子空穴对的复合受到空穴密度影响会降低,从而提高电荷传输效率,减少光电转换损失。

4 太阳电池教学实践

太阳电池相关知识可拓宽学生视野,培养科学素养与节能环保意识。教师在物理教学中应重视太阳能电池相关知识的传授。一方面,教师应向学生普及太阳能电池的基本原理、发展背景。学生在课堂学习中可充分认识到半导体材料、硅材料等材料的重要性,并对太阳能、氢能及生物质能的开发利用现状有所了解,通过学习太阳能电池的光电转换效率物理机制,学生可深刻理解P-N 空穴电子对在电场中的分布与移动,以及电子在电场中的运动等难点。另一方面,教师还可带领学生动手制作太阳能电池。在制作非晶硅薄膜太阳能电池过程中,学生可掌握非晶硅太阳电池的材料特点、优异性,并总结出转换效率低的原因,思考提高非晶硅薄膜太阳电池性能的途径。

通过教学,学生对太阳能电池这一技术的了解会更加深入,并产生极大的科研热情与科创兴趣,这是一个十分值得期待的研究领域。畅想太阳能电池技术在未来生活中的广泛应用,激励着更多年轻人才投入该领域,继续攻克那些尚未解决的技术难题,实现太阳能电池技术的大力推广。