太阳能电池的工作原理及其电池组件介绍

时间:2021-06-10 来源:网友投稿

材料一:

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏,简称光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把能转化成电能的装置。当下以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流,而以光化学效应工作薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应而运用于日常生活的。太阳辐射出不同波(频率)的电磁波,如红、紫外线,可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上,光子导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有频率的射线的能量都能转化为能,值得注意的是光电效应与射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度关,譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为 1.155 电子伏特,因此波长小于1100 纳米的光线才以使晶体硅产生光电效应,一般是 0.4 微米~1.1 微米波长。

(摘编自华秋《太阳能电池的工作原理及其电池组件介绍》)

材料二:

柔性太阳能电池(薄膜太阳能电池的一种)的一个重要应用领域是光伏建筑一体化,高柔性轻质化使得它可以集成在窗户,屋顶、外墙或内墙上。此外,柔性太阳能电池还可以广泛应用于包,帐篷、汽车、帆船甚至飞机上,为各种便携式电子及通信设备、交通工具提供轻便的清洁能源。

与传统的晶硅太阳能电池相比,柔性太阳能电池,特别是其中的柔性染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池及新兴的钙钛矿太阳能电池,可以运用卷对卷印刷技术,将半导体材料通过印刷的方式覆盖在卷筒表面的导电塑料或不锈钢箔片上。

结合纳米技术的染料敏化太阳能电池、有机钙钛矿太阳能电池具有明显的材料和器件组装优势,是当前国际上校主流的柔性太阳能电池。

要得到高性能的柔性染料敏化太阳能电池并推动其产业化,要从以下几个方面寻求突破。一方面是需要进一步提高柔性染料敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性;另一方面是进一步阵低电池的成本并实现卷对卷的大规模印刷制备。

近几年来,钙钛矿太阳能电池的研究处于非常活跃的状态。根据近年来快速更新的光电转换效率纪录,实现 25%的光电转换效率离我们并不遥远。钙钛矿太阳能电池能否实现大规模的制作并进入产业化,还有许多问题亟待解决。

首先,选择合适的清洁有机金属卤化物来取代剧毒的含铅有机金属卤化物。其次,要进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率,设计新型结构的器件也是非常关键的一步。最后,

只有解决了钙钛矿太阳能电池器件大面积均匀性和一致性等重要问题,才可以获得大面积的高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池,使其接近产业化。

柔性太阳能电池作为太阳能产业的前沿代表,通过全球各研究机构和企业的不断努力,正以更多、更好,更廉价的方式进入更广阔的太阳能电池市场。柔性太阳能电池是现有商业太阳能电池最有潜力的竞争者。积极开展柔性太阳能电池研究对抢占太阳能电池行业发展的先机,促进太阳能电池技术的升级换代具有重要意义。从更高的层次上讲,开展柔性太阳能电池研究并推动其产业化,将使人类更廉价,更方便地获得取之不尽、用之不竭的清洁能源,对整个人类社会和经济的可持续发展,提高绿色国内生产总值、治污防霾都具有重要意义。

聚合物太阳能电池是近年来发展起来的一种新型太阳能电池,其核心是利用聚合物/有机光电材料将光能转化成电能。这类电池具有质量轻、制备工艺简单及可通过低成本的卷对卷印刷方式制备大面积柔性器件等突出优点;更为重要的是,人们通过分子设计合成新型半导体聚合物或有机分子,采用新的器件结构或对活性层进行特殊处理等方法可以很容易地提高器件的性能。基于这些独特的优点,聚合物太阳能电池已经成为世界各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。

光电转换效率是决定聚合物太阳能电池能否走向实用的关键参数,因此如何实现高的光电转换效率成为该领域研究的核心问题。

在过去的十几年里,聚合物太阳能电池的光电转换效率已经逐步从 1%提高到 10%以上。活性层材料的分子设计、形貌优化及界面材料的开发,器件结构的创新是推动聚合物太阳能电池领域快速发展的重要途径。

获得高性能聚合物太阳能电池的难点在于:设计和合成性能更加优越的活性层给体和受体光伏材料、调控和优化活性层给体/受体共混形貌、选择合适的电极界面修饰层材料,优化器件结构及优化光电转换的各个基本物理过程。因此,探索和开发更高效的聚合物太阳能电池光伏材料和界面修饰层材料及器件制备工艺,是聚合物太阳能电池技术面向应用的必经之路。

(摘编自《中国学科发展战略·太阳电池科学技术》)

1.下列对材料相关内容的理解和分析,正确的一项是(  C )

A.太阳能电池、太阳能芯片、光电池、太阳能光伏,是一物多名;它是爱因斯坦根据光电效应发明的。

B.柔性染料敏化太阳能电池,从理论上可以运用卷对卷印刷技术,但实际上目前这个技术还有待突破。

C.要制造大面积的光电转换效率达到 25%的钙钛矿太阳能电池,就要解决其器件大面积均匀性和一致性等问题。

D.聚合物太阳能电池要实现如钙钛矿太阳能电池那样有 25%的光电转换效率更遥远,最少需要十多年或更长。

2.根据材料内容,下列说法不正确的一项是 (  A )

A.并非太阳辐射出的任何波长的电磁波都能产生光电效应,产生电流;太阳射线强度的高低,与光电效应成正比。

B.柔性太阳能电池具有高柔性和轻质化的特点,可以附设在窗户、屋顶等建筑物上,在光伏建筑一体化上有应用。

C.柔性太阳能电池是对太阳能电池技术的升级换代,它比晶硅太阳能电池更具有竞争潜力,更具有广阔的市场前景。

D.聚合物太阳能电池解决了柔性染料缴化太阳能电池要突破的一个问题,可用低成本的印刷方式制备大面积柔性器件。

3.根据材料内容,下列各项中属于以光电效应工作的太阳能电池的一项是(  A )

A.晶硅太阳能电池

B.柔性染料敏化太阳能电池

C.钙钛矿太阳能电池

D.聚合物太阳能电池

4.请根据材料一,简要说明太阳光电的发电原理。

太阳光电的发电原理,是利用太阳能电池吸收一定波长的太阳光线,通过光电效应或光化学效应将光能转变成电能。

5.请简要梳理材料二的行文脉络。

①首先简述柔性太阳能电池的两个应用领域及其不同于传统晶硅太阳能电池的特点。

②其次介绍当前国际上主流的柔性染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池分别要解决的问题。

③然后阐述开展柔性太阳能电池研究的重大意义。

④最后阐述聚合物太阳能电池如何实现高的光电转换效率成为该领域研究的核心问题,及解决该问题的途径。

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