關(guān)于太陽能電池-讀書報告

淺談太陽能光伏----《理論專題物理選講》讀書報告摘要：本文簡單的介紹了太陽能方面的一些知識，有助于理解太陽能光伏的一些基礎(chǔ)理論和一些實際的應(yīng)用。主要是敘述了太陽能電池發(fā)電原理、晶體硅太陽電池的制作過程、太陽電池基本性質(zhì)、太陽能“光電轉(zhuǎn)換器”等方面的知識。關(guān)鍵字：太陽能晶體硅電池光電轉(zhuǎn)換器1.太陽能電池發(fā)電原理:太陽電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)已晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。如圖1所示。當(dāng)光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。2、晶體硅太陽電池的制作過程:"硅"是我們這個星球上儲藏最豐富的材料之一。自從上個世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維，20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見"硅"的身影和作用,晶體硅太陽電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟:a)提純過程b)拉棒過程c)切片過程d)制電池過程e)封裝過程.如下圖所示：3、太陽電池的應(yīng)用:上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)-----通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈，太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng),村寨供電的獨立系統(tǒng)，光伏水泵（飲水或灌溉）,通信電源，石油輸油管道陰極保護(hù)，光纜通信泵站電源,海水淡化系統(tǒng)，城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。在世紀(jì)之交前后期間，歐美等先進(jìn)國家光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。光伏電源系統(tǒng)的組成：a）

直流負(fù)載系統(tǒng)b）交流負(fù)載系統(tǒng).

4、太陽電池基本性質(zhì):a）光電轉(zhuǎn)換效率η％:評估太陽電池好壞的重要因素。目前：實驗室η≈24％，產(chǎn)業(yè)化：η≈15％。b）單體電池電壓V：0.4V---0.6V由材料物理特性決定。c）填充因子FF％：評估太陽電池負(fù)載能力的重要因素。幾何意義用I-V曲線圖來表示：陰影部分為負(fù)載面積，填充因子的數(shù)學(xué)表達(dá)形式：FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc)其中：Isc--短路電流,Voc--開路電壓,Im--最佳工作電流,Vm--最佳工作電壓;d）標(biāo)準(zhǔn)光強與環(huán)境溫度地面：AM1.5光譜,1000W/m2,t=25℃;e）溫度對電池性質(zhì)的影響。例如：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，AM1.5光強，t=25℃某電池板輸出功率測得為100Wp，如果電池溫度升高至5．太陽能“光電轉(zhuǎn)換器”一束光照在半導(dǎo)體上和照在金屬或絕緣體上效果截然不同。由于金屬中自由電子如此之多，以致光引起的導(dǎo)電性能的變化完全可忽略。絕緣體在很高溫度下仍未能激發(fā)出更多的電子參加導(dǎo)電。而導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體對體內(nèi)電子的束縛力遠(yuǎn)小于絕緣體，可見光的光子能量就可以把它從束縛激發(fā)到自由導(dǎo)電狀態(tài)，這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)局部區(qū)域存在電場時，光生載流子將會積累，和沒有電場時有很大區(qū)別，電場的兩側(cè)由于電荷積累將產(chǎn)生光電電壓，這就是光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。太陽電池就是利用這種效應(yīng)制成的。

當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子—空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、如果半?dǎo)體內(nèi)存在P—n結(jié)，則在P型和n型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得n區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在P—n結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。光生電場的一部分除抵銷勢壘電場外，還使P型層帶正電，n型層帶負(fù)電，在n區(qū)與p區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動勢。若分別在P型層和n型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。

制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。

所以，將入射太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件稱為太陽能電池。它一般由兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)或異質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成。目前，在空間或地面獲得應(yīng)用的只有硅電池，研究得比較成熟的還有砷化鎵電池、硫化鎘電池。硅太陽能電池是1954年由美國皮爾遜等人首次制成，1958年首次應(yīng)用在“先鋒1號”衛(wèi)星上。1958年，我國亦開始研究太陽能電池，在1971年3月發(fā)射的科學(xué)實驗衛(wèi)星上首次應(yīng)用，隨著硅電池制造成本的逐年降低和技術(shù)的日益成熟，太陽能電池必將獲得更廣泛的應(yīng)用。6．太陽電池的應(yīng)用的主要領(lǐng)域：1.用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用語邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。

2.

交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。

3.

通訊/通信領(lǐng)域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。

4.

石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣象/水文觀測設(shè)備等。

5.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。

7.太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。

8.其他領(lǐng)域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設(shè)備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。

目前美國、歐洲各國特別是德國及日本、印度等都在大力發(fā)展太陽電池應(yīng)用，開始實施的"十萬屋頂"計劃、"百萬屋頂"計劃等，極大地推動了光伏市場的發(fā)展，前途十分光明。7．太陽能電池：太陽能電池是利用電池將光的能量直接轉(zhuǎn)變成電能，太陽光是宇宙取之不盡，用之不竭的天然能源，又具安全、方便及無污染的特性，故太陽能再生能源的開發(fā)利用有其必要性。

太陽能電池的種類:太陽能電池的種類有單晶硅及非晶硅、多結(jié)晶硅三大類，而目前市場應(yīng)用上大多為單晶硅及非晶硅。（1）單結(jié)晶硅太陽電池，

單晶硅電池最普遍，多用於發(fā)電廠、充電系統(tǒng)、道路照明系統(tǒng)及交通號志等，所發(fā)電力與電壓范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高，使用年限長，世界主要大廠，如德國西門子、英國石油公司及日本夏普公司均以生產(chǎn)此類單晶硅太陽能電池為主，市場占有率約五成，單晶硅電池效率從11%~24%，太空級(蒸鍍式)晶片從16%~24%，當(dāng)然效率愈高其價格也就愈貴。（2）多結(jié)晶硅太陽電池，多晶硅電池的效率較單晶硅低，但因制程步驟較簡單，成本亦低廉，較單晶硅電池便宜20%，因此一些低功率的電力應(yīng)用系統(tǒng)均采用多晶硅太陽電池。

8。太陽光發(fā)電和太陽熱發(fā)電：地球所接受的太陽能功率，平均每平方米為1353千瓦，這就是所謂的“太陽常數(shù)”。也就是說，太陽每秒鐘照射到地球上的能量約為500萬噸煤當(dāng)量。就是這些能量比目前全世界人類的能耗量大3.5萬倍。雖然很久以來，人們在不同程度地利用著其能量，最近，溫水器的直接利用，空調(diào)、太陽能電池的電力供給以及太陽能住房等方面都有了很大發(fā)展。很自然的想法是向太陽要電能，但怎樣有效的利用太陽所恩賜的能量，使其成為下世紀(jì)的一大可利用能源，是新能源開發(fā)中的一個重要課題。

太陽能轉(zhuǎn)換為電能有兩種基本途徑：一種是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，即“太陽熱發(fā)電”；另一種是通過光電器件將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能，即“太陽光發(fā)電”。太陽熱發(fā)電，全世界以以色列的技術(shù)最為先進(jìn)。吸取加州的技術(shù)，巴西、印度、摩洛哥正在計劃進(jìn)行設(shè)備的建設(shè)，世界銀行已開始提供資金給開發(fā)中的國家。入射到地球表面的太陽能是廣泛而分散的，要充分收集并使之發(fā)揮熱能效益，就必須采取一種一種能把太陽光發(fā)射并集中在一起，變成熱能的系統(tǒng)。一種方法是采取一種能把太陽光發(fā)射并集中集中加熱，轉(zhuǎn)換成為高溫水蒸氣，以蒸汽渦輪機變換為電。也可以采用拋物面型的聚光鏡將太陽熱集中，使用計算機讓聚光鏡追隨太陽轉(zhuǎn)動。后者的熱效率很高，將引擎放置在焦點的技術(shù)發(fā)展的可能性最大。

除了太陽熱發(fā)電技術(shù)外，目前人類社會也在大力開發(fā)太陽光技術(shù)。太陽輻射的光子帶有能量，當(dāng)光子照射半導(dǎo)體材料時，光能便轉(zhuǎn)換為電能，這個現(xiàn)象叫“光生伏打效應(yīng)”。太陽電池就是利用光生伏打效應(yīng)制成的一種光電器件。太陽電池與普通的化學(xué)電池(干電池、蓄電池)完全不同，是一種物理性質(zhì)電源。雖然太陽光一照射太陽電池就能發(fā)電，但它與一般的發(fā)電機大相徑庭，它無旋轉(zhuǎn)和磨損，能靜悄悄地發(fā)電。9．太陽能利用技術(shù)：人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換包括：光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反應(yīng)，目前該技術(shù)領(lǐng)域尚處在實驗研究階段。太陽光電轉(zhuǎn)換，主要是各種規(guī)格類型的太陽電池板和供電系統(tǒng)。太陽電