太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

摘要：傳統(tǒng)能源的耗盡和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國面臨的共同問題。同時(shí)具有清潔可再生、優(yōu)勢(shì)的太陽能電池已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。本文綜述了太陽能電池的發(fā)電原理、種類，并就其研究現(xiàn)狀、存在的問題、解決的途徑以及發(fā)展趨勢(shì)等做了一些分析。

關(guān)鍵詞：太陽能電池 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

前言

太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”的新能源，與煤、石油等傳統(tǒng)礦物燃料相比較，太陽能具有清潔和可再生等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，其轉(zhuǎn)換途徑有很多，有光熱電間接轉(zhuǎn)換和光電直接轉(zhuǎn)換，前者主要有太能能熱水器等，后者主要指太陽能電池。本文主要綜述了太陽能電池的種類及其研究現(xiàn)狀，并討論了太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)。

1 太陽能電池的原理

太陽能電池發(fā)電主要是由于光生伏特效應(yīng)即光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)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(huì)形成電流的回路。

（一）光生伏特效應(yīng)

如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的可測(cè)試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5～0.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

（二）P-N結(jié)的形成

同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量很小，在室溫下雜質(zhì)差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存 在載流子的濃度差，故彼此要向?qū)Ψ綌U(kuò)散。設(shè)想在結(jié)形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生 復(fù)合，這樣在原來是N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)中和的離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后，由不能運(yùn)動(dòng)的受主離子NA-形成負(fù)的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動(dòng)的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內(nèi)電場(chǎng)（稱內(nèi)建電場(chǎng)）此電場(chǎng) 對(duì)兩區(qū)多子的擴(kuò)散有抵制作用，而對(duì)少子的漂移有幫助作用，直到擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)達(dá)到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場(chǎng)。

（三）發(fā)電原理

太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。

太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

（1）光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能

發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。

（2）光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染。

2 太陽能電池實(shí)現(xiàn)過程

太陽能電池將陽光轉(zhuǎn)換為直流電流，在大部分情況下，我們用電設(shè)備用的都是交流電流。所以可以利用逆變器或者不間斷電源將該直流電流轉(zhuǎn)化為交流電，規(guī)格為220V/50HZ。這樣電流就可以直接被用電設(shè)備使用了。

3 太陽能電池的產(chǎn)業(yè)瓶頸以及解決途徑

目前世界太陽能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出具規(guī)模，1995年到2004年的十年內(nèi)平均年增長率達(dá)到30%以上。目前太陽能電池的推廣應(yīng)用主要還是靠政府投資和扶持，主要原因或者說阻礙其推廣應(yīng)用的瓶頸還是成本太高，因此必須努力降低成本，提高效率。

在太陽能電池組件提高轉(zhuǎn)換效率方面，對(duì)能量損失進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換過程中的損失主要在熱損失，以及電子與空穴的復(fù)合，再就是pn結(jié)和接觸電壓引起。為了提高轉(zhuǎn)換效率，可以對(duì)電池組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，理論預(yù)測(cè)，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到40%以上。

太陽能電池要想實(shí)現(xiàn)更廣泛的普及，首先，要減少材料損耗；其次，要減少制造過程中的能耗；第三，要提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電特性的長期穩(wěn)定性；第四，要減少生產(chǎn)線設(shè)備投資，降低太陽能電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)入門檻；第五，要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和采用更大面積的基片。

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了一下太陽能電池的發(fā)電原理以及太陽能電池的種類及其研究現(xiàn)狀，并討論了太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)。太陽能電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展有賴于進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率并減少生產(chǎn)成本，這是擺在我們面前的進(jìn)一步目標(biāo)和任務(wù)。展望二十一世紀(jì)，世界太陽能電池市場(chǎng)必將繼續(xù)迅猛發(fā)展。

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[3] 林紅，李鑫，劉憶翥，李建保 太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向 稀有金屬材料與工程 2009年12月

作者簡介：徐培杰（1984～），男，浙江桐鄉(xiāng)，控制理論與控制工程碩士，研究方向：模式識(shí)別，生物信息學(xué)