淺談太陽(yáng)能電池的發(fā)展與應(yīng)用

1、 淺談太陽(yáng)能電池的基本原理與應(yīng)用摘要：人類面臨著有限常規(guī)能源和環(huán)境破壞嚴(yán)重的雙重壓力。特別是煤、石油、天然氣等不可再生能源的逐漸枯竭，能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題，研究新能源的開發(fā)利用已是當(dāng)務(wù)之急。太陽(yáng)能作為一種清潔、高效、取用不盡的能源已有盡半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程。并成為當(dāng)前各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)利用的一種新能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。為全面的了解太陽(yáng)能電池的相關(guān)知識(shí)，本文通過(guò)查閱大量資料與新聞信息，綜述太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程與當(dāng)前應(yīng)用情況。重點(diǎn)研究太陽(yáng)能電池的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，主要類型，發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)。關(guān)

2、鍵詞：太陽(yáng)能電池;基本原理;材料; 晶體硅;薄膜太陽(yáng)能電池;轉(zhuǎn)換效率 引言：由于人類對(duì)可再生能源的不斷需求。促使人們致力于開發(fā)新型能源。太陽(yáng)在40min內(nèi)照射帶地球表面的能量可供全球目前能源消費(fèi)的速度使用1年。合理的利用好太陽(yáng)能將是人類解決能源問(wèn)題的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，是其中最受矚目的研究熱點(diǎn)之一。 在太陽(yáng)能的有效利用中, 太陽(yáng)能的光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域. 太陽(yáng)能電池的研制和開發(fā)日益得到重視. 太陽(yáng)能電池是利用光電材料吸收光能后發(fā)生的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)而進(jìn)行工作的. 根據(jù)所用材料的不同, 太陽(yáng)能電池主要可分為四種類型: ( 1) 硅太陽(yáng)能電池; ( 2) 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池

3、; ( 3) 有機(jī)物太陽(yáng)能電池; ( 4) 納米晶太陽(yáng)能電池.太陽(yáng)能電池以硅材料為主的主要原因是其對(duì)電池材料的要求: ( 1) 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不能太寬; ( 2) 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率; ( 3) 材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染; ( 4) 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定. 隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 以其他材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池也愈來(lái)愈顯示出誘人的前景. 本文簡(jiǎn)要地綜述了太陽(yáng)能電池的原理、種類及其研究現(xiàn)狀, 并討論了太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì).1 基本原理 太陽(yáng)能（Solar Energy），一般是指太陽(yáng)光的輻射能量。太陽(yáng)能的利用有被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽(yáng)能發(fā)

4、電一種新興的可再生能源。太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1.1 半導(dǎo)體的簡(jiǎn)單介紹 半導(dǎo)體材料指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料，這種材料在某個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加電荷載流子的濃度，電阻率下降。 半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括-族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、-族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、

5、有機(jī)半導(dǎo)體等。 在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。1.1.1關(guān)于半導(dǎo)體的基本概念 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子（即價(jià)電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng)，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價(jià)鍵。 自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子。 空穴：價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子而留下一個(gè)空位置稱空穴。 載流子：運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子，包括電子與空穴。 雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到

6、雜質(zhì)半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置， 就形成了P型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。 N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。 1.2 P-N節(jié)的簡(jiǎn)單介紹 P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，造成正負(fù)電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層。電偶極層中的電場(chǎng)

7、方向正好阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。當(dāng)由于載流子數(shù)密度不等引起的擴(kuò)散作用與電偶層中電場(chǎng)的作用達(dá)到平衡時(shí)，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P 區(qū)中的空穴復(fù)合。 PN結(jié)的一重個(gè)要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來(lái)制造光電池。1.3 光伏效應(yīng)基本原理如圖1所示，光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”，英文名稱：Photovoltaic effect。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過(guò)程；其次，是形成電壓過(guò)程。有了電

8、壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會(huì)形成電流的回路。 圖1 光伏效應(yīng)基本原理1.4 太陽(yáng)能電池發(fā)電原理1.4.1 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本材料為P型單晶硅，厚度為0.30.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個(gè)PN結(jié)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N區(qū)和P區(qū)形成歐姆接觸，整個(gè)上表面還均勻覆蓋著減反射膜。 圖2 太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)1.4.2發(fā)電原理當(dāng)入發(fā)射光照在電池表面時(shí)，光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，PN結(jié)空間電荷區(qū)和P區(qū)中激發(fā)出光生電子空穴對(duì)。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過(guò)耗盡區(qū)，就對(duì)發(fā)

9、光電壓作出貢獻(xiàn)。光生電子留于N區(qū)，光生空穴留于P區(qū)，在PN結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光伏電池兩端接一負(fù)載后，光電池就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出。 太陽(yáng)能電池各區(qū)對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感型是不同的。靠近頂區(qū)濕產(chǎn)生陽(yáng)光電流對(duì)短波長(zhǎng)的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的510（隨N區(qū)厚度而變），PN結(jié)空間電荷的光生電流對(duì)可見光敏感，約占5 左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對(duì)紅外光敏感，占8090，是光生電流的主要組成部分。2 太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程 1839年，光生伏特效應(yīng)第一次由法國(guó)物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。1954年當(dāng)美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室在用半

10、導(dǎo)體做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對(duì)光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個(gè)太陽(yáng)能電池在1954年誕生在貝爾實(shí)驗(yàn)室。太陽(yáng)能電池最早被應(yīng)用于人造衛(wèi)星的電力系統(tǒng)，以及尖端軍事領(lǐng)域，到1970年代能源危機(jī)時(shí)，讓世界各國(guó)察覺(jué)到能源開發(fā)的重要性。1973年發(fā)生了石油危機(jī)，人們開始把太陽(yáng)能電池的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般的民生用途上。在美國(guó)、日本和以色列等國(guó)家，已經(jīng)大量使用太陽(yáng)能裝置，更朝商業(yè)化的目標(biāo)前進(jìn)。在這些國(guó)家中，美國(guó)于1983年在加州建立世界上最大的太陽(yáng)能電廠，它的發(fā)電量可以高達(dá)16百萬(wàn)瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國(guó)家也設(shè)立專案，鼓勵(lì)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)安裝低成本的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)。3 太陽(yáng)能電池的幾種

11、重要種類 太陽(yáng)能電池種類繁多, 主要有硅太陽(yáng)能電池、聚光太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)化合物薄膜太陽(yáng)能電池、有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池、納米晶薄膜太陽(yáng)能電池和疊層太陽(yáng)能電池等幾大類。3.1硅太陽(yáng)能電池 硅太陽(yáng)能電池中以單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高, 技術(shù)也最為成熟. 在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中,單晶硅太陽(yáng)能電池占據(jù)主導(dǎo)地位, 但單晶硅材料價(jià)格高而且制備工藝相當(dāng)繁瑣. 為了節(jié)省高質(zhì)量材料, 尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品, 現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池, 其中典型代表有以高溫、快速制備為發(fā)展方向的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和疊層( 多結(jié)) 非晶硅太陽(yáng)電池。3.1.1單晶硅太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)能電池,是以高純的單晶硅棒為原料的太陽(yáng)能電

12、池，是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池。它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。3.1.2多晶硅太陽(yáng)能電池 多晶硅太陽(yáng)能電池兼具單晶硅電池的高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)的新一代電池，其轉(zhuǎn)換效率一般為12%左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)電池，沒(méi)有明顯效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。3.2 薄膜太陽(yáng)能電池 薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)m，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%。薄膜電池太陽(yáng)電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳?/p>

13、性可以制作成非平面構(gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。4 太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)4.1現(xiàn)狀及進(jìn)展太陽(yáng)能發(fā)電是一項(xiàng)高新技術(shù)，以太陽(yáng)能為資源基礎(chǔ)的生產(chǎn)將是一種可持續(xù)的發(fā)展模式。從陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)變成電流的太陽(yáng)電池也將不再是昂貴的的市場(chǎng)空缺。全球太陽(yáng)能產(chǎn)品的年銷售額達(dá)14億美元，其中12億美元來(lái)自太陽(yáng)能電池的銷售。太陽(yáng)能工業(yè)的年增長(zhǎng)率估計(jì)在20%左右，太陽(yáng)能利用增長(zhǎng)的潛力是巨大的。過(guò)去幾年中, 太陽(yáng)能電池級(jí)的硅原料的生產(chǎn)和硅襯底的制取得到重大進(jìn)展。例如帶硅、錠鑄硅、大晶粒多晶硅和非晶態(tài)硅/簡(jiǎn)寫為# 一6 7 2 都取得重要的發(fā)展成果, 并且現(xiàn)在都正在用它們生產(chǎn)太陽(yáng)能電

14、池組件。另外, 在太陽(yáng)能電池的大規(guī)模生產(chǎn)方面, 如生產(chǎn)自動(dòng)化、封裝、電池聯(lián)接工藝方法、聚能系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及太陽(yáng)能電池的效率上, 也都取得了進(jìn)展。4.2未來(lái)發(fā)展方向4.2.1薄膜太陽(yáng)能電池 薄膜太陽(yáng)能電池是最富前途的下一代太陽(yáng)能電池技術(shù)，它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝。與目前常見的硅片太陽(yáng)能電池相比，硅薄膜太陽(yáng)能電池用硅量?jī)H為前者的1%左右，可使每瓦太陽(yáng)能電池成本從2.5美元降至1.2美元。此外，這種高科技新產(chǎn)品可與建筑物屋頂、墻體材料如玻璃幕墻融為一體，既可并網(wǎng)發(fā)電又能節(jié)約建筑材料、美化環(huán)境。4.2.2超高級(jí)太陽(yáng)能電池的探索第三代聚光太陽(yáng)能（CPV）發(fā)電方式，正逐漸成為太陽(yáng)能領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

15、% Z$ U) L4 l  D光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正逐漸轉(zhuǎn)向高效的CPV系統(tǒng)發(fā)電。與前兩代電池相比，CPV采用多結(jié)的III-V族化合物電池，具有大光譜吸收、高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)；而且所需的電池面積不大，以相對(duì)廉價(jià)的聚光器件替代昂貴的半導(dǎo)體材料，在大規(guī)模應(yīng)用于發(fā)電時(shí)可有效降低成本、降低生產(chǎn)能耗。 太陽(yáng)能作為一種持久、普遍、巨大的能源，可以說(shuō)是取之不盡用之不竭。相比于其他能源，太陽(yáng)能的利用是潔凈、無(wú)污染的，利用太陽(yáng)能不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。當(dāng)人類面臨能源與環(huán)境危機(jī)時(shí)，迫切的需要找到一種清潔，高效且相對(duì)充足的能源形勢(shì)來(lái)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而太陽(yáng)

16、能則是最好的選擇之一。目前太陽(yáng)能的開發(fā)方式主要為太陽(yáng)能電池的形勢(shì)，經(jīng)過(guò)短短幾十年的發(fā)展，太陽(yáng)能電池已具備相當(dāng)成熟的技術(shù)并應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的方方面面。相信，隨著技術(shù)水平的不斷提高，太陽(yáng)能電池會(huì)得到更大的發(fā)展，造福于人類社會(huì)。參 考 文 獻(xiàn)1 王遠(yuǎn), 吳麟章, 羅雪蓮, 等. 一種在室溫下 制備柔性太陽(yáng)能電池的新方法J.武漢科學(xué) 院學(xué)報(bào), 2005, 18(8): 9-112 魏奎先, 戴永年, 馬文會(huì),等.太陽(yáng)能電池硅 轉(zhuǎn)換材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J . 輕金屬,2006 (2) : 52 -563 張曉丹, 張發(fā)榮, 趙穎, 等. 1 nm / s 高速率微晶硅薄膜的制備及其在太陽(yáng)能電 池中的應(yīng)用

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