太陽能電池的原理、發(fā)展及測量參數(shù)

夏天豪 陶 煜/寧波市計量測試研究院

0 引言

1 太陽能電池的結構及原理

目前全球能源問題嚴峻，必須尋求可持續(xù)發(fā)展的解決方案。太陽作為地球上所有能源的根源，將會是解決能源問題的關鍵。太陽儲能非常豐富，它向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW，其中20億分之一到達地球大氣層，到達地表的約為8×1013kW，也就是說太陽每1 s照射到地球上的能量就相當于燃燒500×104t煤釋放的熱量，取之不盡，用之不竭。但是太陽能的利用率卻非常低。到達地面的太陽輻射能中，47%在地表面直接轉化成熱能，23%儲存在海水和冰中，另一部分用于將水蒸發(fā)成云或雨。地球上動植物以光合作用的形式使用的生物能源只占0.02%。這是非常小的一部分太陽能，卻支持著地球上所有的生命活動。如果能合理有效地利用太陽能，能源問題將不再是問題。

現(xiàn)階段對太陽能的利用主要分為兩類，一種是直接利用太陽輻射所轉化的熱能，其主要代表為真空管太陽能熱水器，收集太陽輻射的熱能用來提升水的溫度。這種方法技術簡單，但是能量使用方式單一，靈活性差；另一種就是把太陽能轉化為電能，然后應用于各種場合，這種方法也被稱為太陽能電池發(fā)電。太陽能電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會對環(huán)境造成污染，是具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源。

太陽能電池是一種利用太陽光能直接發(fā)電的半導體薄片，在光的照射下，能夠瞬間輸出電流，這在物理學上稱為光生伏特效應（photovoltaic, 簡稱PV），并于1939年由法國物理學家A.E.Becquerel首次發(fā)現(xiàn)。

圖1所示為太陽能電池的一般結構，它的主要部分就是兩層不同摻雜的半導體。當半導體原子受到外來能量激發(fā)時，外層電子會脫離原子核的束縛而形成自由電子，而剩下部分則成為一個“空穴”。由于電子帶負電，所以空穴帶正電。不同摻雜的半導體導致其多數(shù)載流子的不同，以電子為多數(shù)載流子的成為n型半導體，以空穴為多數(shù)載流子的稱為p型半導體。當兩種半導體連接在一起時（如圖1所示），就會發(fā)生多數(shù)載流子的擴散，并在其交界面處形成一個p-n結。載流子擴散的最終結果是形成一個n型半導體指向p型半導體的一個內(nèi)建電場，也稱為勢壘電場。當太陽照射p-n結時，大量光子的注入會激發(fā)出許多電子-空穴對，并在勢壘電場的作用下，分別向p-n結兩端移動，使得p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電。當光生載流子積累到一定程度時，其產(chǎn)生的電場能夠抵消勢壘電場，形成一個與之方向相反光生伏特電動勢。在兩種半導體上接上金屬電極，電流就能從p區(qū)流出，帶動負載，再從n區(qū)流入?？梢?，太陽能電池的本質(zhì)就是將入射光子的能量轉化為電能的過程。

圖1 太陽能電池一般結構

2 太陽能電池的發(fā)展

雖然早在1883年，Charles Fritts等人通過在鍺半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結，成功制備出世界上第一塊太陽電池，但是這種電池把光能轉化成電能的效率非常低，僅有1%能量被轉化為電能，其余則變?yōu)闊o用的熱能。如此低的轉化效率就決定了如果需要得到足夠的電能，必須使用大面積的電池來吸收太陽光能。這種情況下，一方面巨大的電池體積不利于多場合下的應用；另一方面，電池的成本會大大增加。這兩點技術難題導致太陽能發(fā)電技術長期處于停滯不前的狀態(tài)。

隨著材料科學的發(fā)展，許多新的材料技術被應用于太陽能電池的研究生產(chǎn)中，其轉化效率和成本都得到了大幅度的改進。無機硅太陽能電池憑借新的摻雜技術，有效提升了材料的光敏性，從而提升其轉化效率。其中單晶硅電池的最高轉換效率可達29%，多晶硅電池為24%，非晶硅為17%。這些技術已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，并投入了實際生產(chǎn)。美國于1983年就已在加州建立了一個大型的太陽能發(fā)電站；1994年，日本也通過政府補貼獎勵的辦法，鼓勵每戶人家安裝3 000 W的家用發(fā)電系統(tǒng)；而今，不少汽車生產(chǎn)廠家也推出了商用的太陽能汽車。但是硅太陽能電池由于制作復雜，成本高，還是不適合大規(guī)模的推廣使用。

為了應對無機硅太陽能電池商業(yè)化進程中所遇到的難題，有機太陽能電池已成為現(xiàn)今研究熱點。這種電池同樣是運用光生伏特的原理，有機材料吸收光子產(chǎn)生激子，激子會擴散到一定區(qū)域，并在一定的作用下發(fā)生分離，形成自由電子與空穴，兩者運動到相應電極形成光生伏特電動勢。相對于無機硅來說，有機材料取材相當豐富，價格低廉，而且生產(chǎn)制作相當方便，非常適合投入到商業(yè)化的應用，另外有機材料還可以通過涂覆，運用于各種復雜的環(huán)境條件中。雖然，目前不到10%的轉換效率不如無機硅的太陽能電池，但是低廉的成本使其在市場競爭中保留了一席之地。

新一代太陽能電池的研究都是向提高轉化效率和降低制作成本及難度的方向進行的。比如薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池等都能有效降低制作成本和難度，并以此優(yōu)勢搶占市場份額。還有一種叫做串疊型的太陽能電池，通過設計不同能級的多層太陽能硅薄板來充分吸收不同波長的光子，其轉化效率可達50%以上。另外，太陽能電池存在的最大缺陷就是夜晚不能進行發(fā)電作業(yè)，因此利用蓄電池、壓縮空氣等其他形式能量貯存白天所產(chǎn)生電能的技術，伴隨太陽能技術的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。美國和日本也為了彌補這個缺陷，合力開展了“衛(wèi)星太陽能計劃”，利用赤道上空的衛(wèi)星，24 h接收太陽能，并將能量以微波的方式傳送到地面，保證這種能源能夠獨立支持全天候的能量供應。

3 太陽能電池的測量參數(shù)

隨著太陽能電池生產(chǎn)成本的進一步降低，其商業(yè)化的趨勢越發(fā)不可阻擋。由此受技術條件不均衡的影響，不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的太陽能性能參數(shù)必然參差不齊。為了使太陽能成為一種大規(guī)模供能手段，必須對太陽能電池產(chǎn)品的一些參數(shù)進行定義和測量，并保證量值的統(tǒng)一可靠。根據(jù)太陽能電池的結構原理，描述其性能的主要有以下幾個參數(shù)：

1)開路電壓VOC

將太陽能電池置于標準光源照射下，在兩端開路時，太陽能電池的輸出電壓值?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計測量電池的開路電壓。

通常用I-V曲線來表征一個器件的電學性質(zhì)。在此，可用電化學工作站來測試太陽能電池的I-V曲線。圖2是一個太陽能電池在暗態(tài)和亮態(tài)下的I-V曲線的示意圖。開路電壓相當于圖2中的(b)點。

2)短路電流ISC

就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。如圖2中的(a)點。可以通過用內(nèi)阻＜1 Ω的電流表接在太陽能電池的兩端來測試短路電流。

3)填充因子(fill factor, FF)

圖2 太陽能電池亮態(tài)（實線）與暗態(tài)（虛線）的I-V曲線

指最大輸出功率Pmax與開路電壓和短路電流乘積之比，是由于電池內(nèi)阻而導致的能量損失，體現(xiàn)了電池帶動負載的能力。

最大輸出功率可以通過在I-V曲線圖上找出最大的（I,V）乘積點得到，如圖2中的（c）。

4)能量轉換效率（ηP）

太陽能電池的轉換效率指在外部回路上連接最佳負載電阻時的最大能量轉換效率，等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比，表示產(chǎn)生的電能與入射光能量之比，是太陽能電池的最為重要的指標，可以利用暗室和標準輻射強度（單位：W/m2）的白熾燈提供標準的寬譜光能，根據(jù)所測到的VOC和ISC，計算出轉換效率。

太陽能電池的等效電路是理解太陽能電池各個參數(shù)的有效方式。理想的太陽能電池的等效電路如圖3所示，由一個恒流發(fā)生器、一個二極管、一個并聯(lián)電阻RSH以及一個串聯(lián)電阻RS組成。恒流發(fā)生器表示電池受光照時產(chǎn)生光電流IPH的能力，通過p-n結的結電流用二極管表示。

圖3 太陽能電池的等效電路

這個等效電路的物理意義是：太陽能電池受到光照后產(chǎn)生一定的光電流IPH，其中一部分用來抵消結電流，另一部分為供給負載的電流。其端電壓U、結電流、以及工作電流的大小都與負載電阻R有關，但負載電阻并不是唯一的決定因素。

故通過端電流I與端電壓U可以表示為

式中：I0－ 暗態(tài)電流；

U － 負載兩端的電壓；

RS－ 串聯(lián)電阻；

RSH－ 并聯(lián)電阻；

IPH－ 光電流。

公式第一項表示通過二極管的結電流，第二項表示通過并聯(lián)電阻的電流，第三項表示光電流。

4 小結

石油、煤炭、天然氣等重要能源正在日益枯竭，都不足人類百年之用，太陽能作為一種清潔能源，資源豐富，取之不盡。用太陽能進行發(fā)電，并用于生產(chǎn)生活的方方面面，將會是一種大勢所趨的潮流。為了提升太陽能電池的轉換效率和降低制作成本，各種研究不斷提出不同新的材料和結構。因此，找到各種結構太陽能電池特性參數(shù)的通性，發(fā)展完善這些指標的測量技術，將為推進太陽能電池的商用化進程提供堅實的保障。

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