淺談太陽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，能源問題已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，研究新能源的開發(fā)利用已是當務(wù)之急。太陽能作為一種清潔、高效、取用不盡的能源已有盡半個世紀的發(fā)展歷程。并成為當前各國爭相開發(fā)利用的一種新能源。太陽能光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽能電池，太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。為全面的了解太陽能電池的相關(guān)知識，本文通過查閱大量資料與新聞信息，綜述太陽能電池的發(fā)展歷程與當前應(yīng)用情況。重點研究太陽能電池的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，主要類型，發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。關(guān)鍵詞：太陽能電池;基本原理;材料;晶體硅;薄膜太陽能電池;轉(zhuǎn)換效率引言：由于人類對可再生能源的不斷需求。促使人們致力于開發(fā)新型能源。太陽在40min內(nèi)照射帶地球表面的能量可供全球目前能源消費的速度使用1年。合理的利用好太陽能將是人類解決能源問題的長期發(fā)展戰(zhàn)略，是其中最受矚目的研究熱點之一。在太陽能的有效利用中,太陽能的光電利用是近些年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域.太陽能電池的研制和開發(fā)日益得到重視.太陽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)而進行工作的.根據(jù)所用材料的不同,太陽能電池主要可分為四種類型:(1)硅太陽能電池;(2)多元化合物薄膜太陽能電池;(3)有機物太陽能電池;(4)納米晶太陽能電池.太陽能電池以硅材料為主的主要原因是其對電池材料的要求:(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)的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景.本文簡要地綜述了太陽能電池的原理、種類及其研究現(xiàn)狀,并討論了太陽能電池的發(fā)展趨勢.1基本原理太陽能（SolarEnergy），一般是指太陽光的輻射能量。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。太陽能電池是通過光電效應(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Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ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Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ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、有機半導(dǎo)體等。在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地摻入特定的雜質(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)體的基本概念共價鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價鍵。自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。載流子：運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：通過擴散工藝，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。N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（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。1.2P-N節(jié)的簡單介紹P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時，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)域擴散，造成正負電荷在PN結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數(shù)密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散后與N區(qū)中的電子復(fù)合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散后與P區(qū)中的空穴復(fù)合。PN結(jié)的一重個要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動勢，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來制造光電池。1.3光伏效應(yīng)基本原理如圖1所示，光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”，英文名稱：Photovoltaiceffect。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)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。圖1光伏效應(yīng)基本原理1.4太陽能電池發(fā)電原理1.4.1太陽能電池結(jié)構(gòu)太陽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0.3—0.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個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，整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜。

圖2太陽能電池基本結(jié)構(gòu)1.4.2發(fā)電原理當入發(fā)射光照在電池表面時，光子穿過減反射膜進入硅中，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。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過耗盡區(qū)，就對發(fā)光電壓作出貢獻。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)形成正負電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當光伏電池兩端接一負載后，光電池就從P區(qū)經(jīng)負載流至N＋區(qū)，負載中就有功率輸出。

太陽能電池各區(qū)對不同波長光的敏感型是不同的?？拷攨^(qū)濕產(chǎn)生陽光電流對短波長的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的5－10％（隨N＋區(qū)厚度而變），PN＋結(jié)空間電荷的光生電流對可見光敏感，約占5％左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對紅外光敏感，占80－90％，是光生電流的主要組成部分。2太陽能電池的發(fā)展歷程1839年，光生伏特效應(yīng)第一次由法國物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。1954年當美國的貝爾實驗室在用半導(dǎo)體做實驗發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽能電池最早被應(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年代能源危機時，讓世界各國察覺到能源開發(fā)的重要性。1973年發(fā)生了石油危機，人們開始把太陽能電池的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到一般的民生用途上。在美國、日本和以色列等國家，已經(jīng)大量使用太陽能裝置，更朝商業(yè)化的目標前進。在這些國家中，美國于1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發(fā)電量可以高達16百萬瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國家也設(shè)立專案，鼓勵偏遠的鄉(xiāng)村地區(qū)安裝低成本的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。3太陽能電池的幾種重要種類太陽能電池種類繁多,主要有硅太陽能電池、聚光太陽能電池、無機化合物薄膜太陽能電池、有機薄膜太陽能電池、納米晶薄膜太陽能電池和疊層太陽能電池等幾大類。3.1硅太陽能電池硅太陽能電池中以單晶硅太陽能電池轉(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,單晶硅太陽能電池占據(jù)主導(dǎo)地位,但單晶硅材料價格高而且制備工藝相當繁瑣.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能電池和疊層(多結(jié))非晶硅太陽電池。3.1.1單晶硅太陽能電池單晶硅太陽能電池,是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當前開發(fā)得最快的一種太陽能電池。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多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池兼具單晶硅電池的高轉(zhuǎn)換效率和長壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對簡化等優(yōu)點的新一代電池，其轉(zhuǎn)換效率一般為12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，沒有明顯效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。3.2薄膜太陽能電池薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因為具有可撓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太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢4.1現(xiàn)狀及進展太陽能發(fā)電是一項高新技術(shù)，以太陽能為資源基礎(chǔ)的生產(chǎn)將是一種可持續(xù)的發(fā)展模式。從陽光直接轉(zhuǎn)變成電流的太陽電池也將不再是昂貴的的市場空缺。全球太陽能產(chǎn)品的年銷售額達14億美元，其中12億美元來自太陽能電池的銷售。太陽能工業(yè)的年增長率估計在20%左右，太陽能利用增長的潛力是巨大的。過去幾年中,太陽能電池級的硅原料的生產(chǎn)和硅襯底的制取得到重大進展。例如帶硅、錠鑄硅、大晶粒多晶硅和非晶態(tài)硅/簡寫為#一672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)太陽能電池組件。另外,在太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)方面,如生產(chǎn)自動化、封裝、電池聯(lián)接工藝方法、聚能系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及太陽能電池的效率上,也都取得了進展。4.2未來發(fā)展方向4.2.1薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術(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能電池相比，硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右，可使每瓦太陽能電池成本從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超高級太陽能電池的探索第三代聚光太陽能（CPV）發(fā)電方式，正逐漸成為太陽能領(lǐng)域的焦點。

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；而且所需的電池面積不大，以相對廉價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)電時可有效降低成本、降低生產(chǎn)能耗。太陽能作為一種持久、普遍、巨大的能源，可以說是取之不盡用之不竭。相比于其他能源，太陽能的利用是潔凈、無污染的，利用太陽能不會對生態(tài)環(huán)境造成污染。當人類面臨能源與環(huán)境危機時，迫切的需要找到一種清潔，高效且相對充足的能源形勢來滿足社會經(jīng)濟的發(fā)展，而太陽能則是最好的選擇之一。目前太陽能的開發(fā)方式主要為太陽能電池的形勢，經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，太陽能電池已具備相當成熟的技術(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，太陽能電池會得到更大的發(fā)展，造福于人類社會。

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