修改研究太阳能电池的效率

成员Mukul康德沙玛^{1 *},迪帕克Tanwar²Vikram辛格教授和³

B。技术4^th切开深Engg学院。加济阿巴德&技术,
B。技术4^th切开深Engg学院。加济阿巴德&科技,tanwardeepak011@gmail.com
Vikram辛格破深Engg学院教授。&技术。加济阿巴德vickychouchan21@gmail.com

通讯作者:成员Mukul康德沙玛电子邮件:msmukul.sharma@live.com

文摘

几乎所有的能源经济,特别是工业化国家是基于储存能量的使用,主要是化石燃料的煤炭、石油、天然气以及核能的铀同位素。出现两个问题,当我们使用我们的储备来满足我们的能源需求。能源的来源只能继续,直到枯竭。此外,这些化石燃料燃烧也对大气有害的影响。这些也被称为非可再生能源的来源。所以这些都不是永远。所以这些非可再生能源的替代使用可再生能源,比如太阳能,风能等等。在本文中,我们讨论研究的最佳利用太阳能电力通过研究光伏材料。在本文中,我们研究几种技术的太阳能电池的转换效率水平。

介绍

当一个人认为所有的技术进步在过去的一个世纪里,太空旅行,塑料,超级计算机,和基因工程等等,这是有点奇怪,认为能源用来做或做这些事情基本上来自燃烧的东西。虽然我们有一些水平高于穴居人燃烧木材取暖,本质上是我们在做什么。美国百分之八十五的能源消耗来自燃烧化石燃料:煤、石油和天然气。[1]化石燃料的吸引力在于他们的熟悉和可用性。因为我们一直在使用他们自工业革命的开始,化石燃料是一个很成熟的技术。虽然石油可以有点问题,美国有超过二百年的煤炭储量(基于当前消费),它可以相当便宜。[2]。

美国煤炭发电厂的平均效率约为37%,尽管新工厂,使用最新的技术可以达到50%的效率。[3]最终这些来源将受到热力学第二定律效率低于70%,尽管联合循环电厂发电和热可以高达80%。依靠化石燃料已经做得相当不错直到这一点,但那个时代已经终结,因为全球气候变化。事实证明,通过燃烧这些含碳化合物被困在地球表面的几千年来我们向大气中释放二氧化碳,从而加强大气中提供的自然温室效应。气候的变化,发生是由于这一过程是最好避免,这意味着新能源将会发现,不依赖于燃烧的碳化合物。

太阳能:

幸运的是有许多替代形式都是清洁和可再生的能源生产。他们是“干净”,他们不排放二氧化碳和其他污染物排放,“可再生”在某种意义上,他们不依赖于物质需要数千或数百万年形成通过自然过程。这些可再生能源包括太阳能(光伏发电和太阳能热发电)、风力、水力、地热、潮汐和生物燃料。在这里,我们只会专注于太阳能光伏发电的形式。光的能力产生电流在1839年被首次发现,a·e·贝克勒尔发现了照片电化学过程[4]。然后在1906年蒽成为第一个观察光电导性的有机化合物。有机材料的光电导性研究在1950年代的目的使用它们作为光感受器。同时,无机材料进入现场时,贝尔实验室开发的第一个1954年无机太阳能电池。

有机材料的光生伏打效应首次观察到在1960年代后发现一些常见的染料有半导体性质。该领域的一个重大突破是在1986年当唐发现输出功率可以大大增加两种材料被使用而不是一个。[5]这一概念,称为异质结,现在理论背后的基本思想和设计的有机光伏。最大的突破之一是创建以来,1991年由Michael Gratzel色素增感太阳能电池的第一。Gratzel后来改进的牢房有效率11%以上,一个巨大的跳过前细胞的效率只有1%或更少。Gratzel电池仍然是世界上最有效的有机太阳能电池。相比较而言,硅太阳能电池效率高达20%,而最先进的(且昂贵)的砷化镓电池已经超过40%。

太阳能电池:

太阳能电池、光伏电池是一种发电设备直接从可见光的光生伏打效应。光伏是光的直接转换成电能在原子水平。一些材料表现出一个属性被称为光电效应,导致它们吸收光子并释放电子。当这些自由电子捕获,一个电流的结果可以作为电能。

半导体的基本想法是,原子放置在阳光下会吸收光子来自太阳的辐射。如果这些光子是足够高的能量,在价带将使用一个电子吸收能量转移到半导体的导带,它可以自由移动通过半导体的电接触,它是由一个小电压通过导线电流。雷竞技网页版[6]。电子的能量需要从价带传导带称为半导体的带隙。为此以高效的方式必须有两种半导体太阳能电池。1,n型半导体,掺杂杂质,使其有过多的电子。

p型半导体电子的赤字,创建“漏洞”,它缺少电子。当两电极与创建一个pn结,电子从n型半导体扩散到p型半雷竞技网页版导体,留下漏洞,直到足够的电子积累的p型一侧边界和积累足够的洞在n型方面的边界一个相反的电场是创建并达到平衡。p型半导体内的光子被吸收,释放电子流过pn结的电接触,而这个洞。雷竞技网页版(参见图1.1)电场交界处是推动周围的电子电路。电子将旅行到一个电路和工作结合,之后洞。[7]

纳米技术:

纳米技术可以被定义为在纳米材料及其属性的研究。在纳米材料的性质变化,提高材料的导电性能。纳米技术是重要的理解和控制的尺寸约1 - 100 Nms,独特的现象使小说应用程序。工业产品是由原子。这些产品的属性取决于原子是如何排列的。纳米技术可以快速在一起轻松自然的基本构建块,便宜,而且在大多数的方法允许的物理定律。材料的强度和亮度的数量和强度取决于债券持有他们的原子聚集在一起。除了重量轻和力大,碳粒子像钻石的材料属性,这些属性使它纳米技术的一个很好的选择。

纳电子学:

当我们使用纳米材料生产和制造的电子材料,那么这种技术被称为纳米电子。一些纳米电子材料是笨重的球、纳米管、纳米线等。巴克球soccer-ball-shaped碳分子直径约1海里。碳纳米管是1.4 nm厚。纳米锂粒子可以存储更高的能量密度。

类型的太阳能电池及其属性

在现代时间研究人员和科学家们正在研究不同类型的材料引入廉价和对未来最好的太阳能电池。一些不同类型的太阳能电池是使用不同的方法和材料是本部分中所描述的。

晶体硅电池:

这些传统的细胞通常由层硅几百微米的厚度。硅对散装电池是精致而成长为轻p型掺杂晶体锭,然后切成极薄的晶圆。然而,晶晶圆的大小可以削减仍然很厚的薄膜太阳能电池相比,当考虑到大面积晶片必须掩盖它增加了一个高度集约使用的硅。使晶片太阳能电池,n型掺杂物(通常是磷)在表面扩散,创建pn结。绝大多数的商业销售太阳能电池是晶体硅电池。作为第二个地球上最丰富的元素,硅是一种几乎取之不尽的资源。过去几年,行业一直面临匮乏精硅由于日益增长的需求,使得硅太阳能电池的价格从以正常的速度减少。

单晶的硅电池:

单晶的细胞是由一个大晶体硅的晶片。这些细胞效率高,但价格昂贵,由于要求生产过程。

多晶硅电池:

更便宜比单晶的细胞,poly-crystalline细胞也是低效率的。铸造一个poly-crystalline的硅晶片的方法,而不是单晶的晶片需要更精密和费用。

薄膜技术:

为了应对处理、材料和处理成本与晶体硅电池有关,许多研究已进入完善与半导体太阳能电池的方法只有几微米厚。希望这些细胞能够实现合理的效率在使用硅和很少使用精密卷绕对位技术处理。这些细胞的效率低于晶体硅电池,但经常有成本足够低,使它们的竞争力。

非晶硅电池:

非晶硅(“硅”)- - -非晶的形式的硅-可以导电衬底上沉积一层几微米厚的薄膜太阳能电池。应用晶硅的沉积过程使其小于1%的水晶细胞的厚度。(7、8)合金的晶硅和锗通常用于创建额外的多结电池连接。这些电池更轻,使用更少的材料和能源密集型生产低于硅电池。然而,非晶硅电池效率远低于晶体硅主要原因是增加了电子空穴对的复合载流子迁移率低的结果。[9]

碲化镉电池:

水晶复合碲化镉(集团)是一种有效的太阳能电池材料,这是一个非常强烈的光吸收器,带隙几乎完全调到太阳光谱相匹配。创建一个pn结太阳能电池一层硫化镉是添加到集团。因为它的有效性CdTe太阳能电池使用只有1%的半导体材料,大部分硅电池使用[10]。CdTe太阳能电池通常比散装硅电池效率较低,但具有与其相关联的成本降低由于小数量的材料和廉价的生产方法。虽然低价CdTe细胞的销量急剧上升,不断上涨的非常罕见的金属碲消费推动该元素的价格大幅上涨[10]。还有待观察CdTe太阳能电池的生产将如何影响未来的供应限制。集团是一种有毒的致癌物质和一些已经提出了太阳能电池由CdTe的危险。这些问题已经被指出反击中的镉的一平方米CdTe细胞小于size-Cindy手电筒电池内,集团很好隔离封装的细胞[11]。

铜铟/ Gallium-DiSelenide细胞:

最立即的有前途的技术,细胞是由copper-indium-dieseline和copper-gallium-dieseline(香烟细胞)和最近被证明是19.9%有效,[12]薄膜电池的效率最高。[13]两种材料的混合创造了一个更复杂的和有效的“异质结”,图2.1的带隙不同波长太阳光谱的吸收多层细胞具有不同的带隙能量。在公共领域(图片)半导体在香烟细胞可以被改变的比率不同铟镓,允许带隙范围不断从1.0 eV 1.7 eV细胞中,[14]与太阳光谱匹配很好。

多结集中器:

多结细胞层两个或两个以上的pn结,每个有半导体带隙调整吸收太阳光谱的不同部分。光子将达到顶端半导体-最高的带隙能量,如果光子的能量大于半导体的带隙能量,它将吸收和发电。如果光子能量太低,它将通过半导体吸收降低半导体的细胞之一。因为先进的工程往往需要工艺多结电池可以创建高成本,集中器是用来从一个广阔的区域内收集阳光,并集中在一个小型太阳能电池,减少所需的太阳能光伏发电。集中器通常是反射镜和透镜,跟踪太阳的光照强度,提高事件在光伏电池的强度数十倍unconcentrated阳光。

目前细胞:

目前三结砷化镓电池可以使用gallium-indium-phosphide (GaInP),目前,锗(Ge) pn结。结合集中器,这些细胞是目前最有效的开发,在实验室实现40.7%的效率。[15]细胞效率高达36%目前商用。[16]尽管砷化镓电池高效,目前高成本阻碍了他们的更广泛使用。

新兴的光伏技术:

存在各种各样的光伏技术还在研究阶段,尚未进入共同的商业生产。这些技术尖端研究的主题在大学、政府实验室和初创公司正在寻求光伏电池,可以生产更有效率,量子效率大于可用技术,是由丰富的有毒材料。

有机电池:

有机细胞功能的一种稍微不同的方式比其他电池技术:半导体pn结,而是有机电池利用电子供体和受体材料。典型的选择是聚合物电子给体和电子受体的富勒烯。当创建一个电子空穴对光子的吸收的捐赠,而不是分离和细胞的两极迁移,电子和孔在一起作为激励。激发扩散通过细胞,直到它到达受体的电子转移到受体材料,创建一个电流通过受体。使用有机材料的好处是它允许简单的高容量低温塑料基板上制造柔性太阳能电池。如果可以提高电池的效率,有机电池技术将实现极低成本生产的多功能细胞。目前有机太阳能电池效率的5 - 6%左右,虽然迅速上升。有机太阳能电池还必须克服环境恶化的问题,一个问题,大多数有机分子的脸暴露在氧气、水和太阳辐射。

涂料细胞:

DSSCs在功能上有很大的不同从其他光伏技术存在事实上有点松相似光合作用。DSSC的材料组成的薄膜电解质夹在两个电极(顶部电极对允许光线进入透明细胞)的晶格dyecoated纳米二氧化钛粒子(二氧化钛)涂层电极之一。DSSC工作分解的原则执行的函数在其他光伏半导体技术。在硅电池,硅产生电荷,进行电极的电子和空穴。在DSSC的入射光子激发电子染料分子。如果有足够的能量,激发电子将逃离染料二氧化钛粒子的传导带,然后扩散到电极,产生电流。DSSCs没有重组的问题(通常是一个严重的拖累太阳能电池的效率甚至高强度光)时期由于电子生产者和电子载体的分离,并能因此强劲功能有限的光在多云的天空下,甚至在室内。这个属性最近被利用在南极探险DSSCs被用来提供探险队的很大一部分的力量在极端条件下[17]。

理论

太阳能电池的特点是在基本层面上的电流电压的函数的图形,称为它的电流-电压曲线。这类图的一个例子是如图3.1所示。从这张图可以提炼出一些重要的性能参数,主要是开路电压,短路电流,填充因子,和最大的力量。开路电压的电压时细胞产生采购目前没有和代表细胞的最大电压。短路电流是当前细胞可以产生两个电极时做空在一起(例如V = 0)。由于电源电压和电流的乘积,图上的点形成最大的矩形的两个轴代表了最大输出功率点。

填充因子是比实际的最大力量理想的最大力量,

Pmax / Pt = (Vmp * Imp) / (Voc * Isc) (2.1)

名字的来源应该是明显的可视化表示如图3.2所示。从这一点它直接获取电源转换效率,只是最大输出功率除以入射光的力量:

e = PMAX /销(2.2)

可以发现更多的特征参数建模太阳能电池作为电流源与两个电阻元素与一个二极管,如图3.3所示。RS是分流电阻的串联电阻而RSH。

这两个non-idealities的影响如图3.4所示。所以当前交付给电流源的负载就(从光生伏打效应)-二极管和抵制,造成的损失

我= - Io (e (q (V +国税局)/ nKT) - 1) - ((V +国税局)/ Rsh) (2.3)

I0反向偏压饱和电流,q是电子的电荷,n是二极管的理想因子,玻尔兹曼常数k, T是温度。

目前的研究

洛杉矶加利福尼亚大学的研究人员已经开发出一种新型的透明聚合物太阳能电池70%人类的视觉和功率转换效率4%。轻量级的,灵活的细胞可以批量生产以较低的成本,并可能被用来制造发电窗口。[19]进一步的研究了碳纳米管创建混合太阳能电池板进一步提高效率。这些混合动力车是由碳纳米管结合的照片的电子给体增加电子生成的数量。已经发现照片兴奋之间的交互层和碳生成electro-hole对碳纳米管在表面。在实验中被观察到这一现象,实际上有助于提高效率高达8.5%。[20]其他研究设计太阳能电池是利用量子点。使用在/砷化镓量子点系统可以产生25%的效率,这可能增加[21]。硅纳米结构的带隙工程也可以提高太阳能电池的效率。工作领域的带隙的改进也是当前研究课题。[22]

结果和分析

在这个工作我们已经研究了各种类型的有机太阳能电池的材料。塑料太阳能电池提供灵活的前景、轻量级、低成本生产,希望阳光的有效的方式发电。照片发现以来的感应电荷转移从C60的共轭聚合物,其次是介绍散装异质结的概念,这种材料的组合一直得到广泛的研究在有机太阳能电池导致功率转换效率接近6%。光敏层是基于混合anelectron捐赠的材料(p型半导体)和电子接受材料(n型半导体)形成纳米连续互穿网络。在我们的分析中,我们研究不同材料通过阅读不同的论文。最常用的太阳能电池是硅太阳能电池和galium砷化物太阳能电池有拥有的最大转换效率分别为24.7%和20.1%。这些都是在市场上更便宜的太阳能电池。薄膜技术和薄膜硅电池铜(Ga),(年代,Se) 2和碲化镉在实验室效率范围介于16.5%到25%和9.5%到19.9%的市场。基于有机太阳能电池bulk-hetrojunction太阳能电池和染料敏化电池有6.5%到10.4%的效率。新颖的光伏技术像量子井、量子线、量子点、纳米颗粒加入主机半导体在实验室50%到60%的效率。

结论

通过研究一些论文我们得出这样的结论:新颖的光伏技术像量子井,量子线,量子点,纳米颗粒包含在主机半导体的最大转换效率高达60%,但这种技术非常昂贵,因此提供它在公开市场,我们需要降低成本。另一方面有机太阳能电池更便宜,可以印刷在衣服但是他们非常低效率。所以我们可以提高有机太阳能电池的效率利用电子学和其他一些其他方法合成光伏材料。我们特别感谢D.B. cooper博士Ojha(主任研究Mewar大学)给我们的技术支持。

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