太陽能電池簡析

劉海清，許 飛

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

太陽能電池簡析

劉海清，許 飛

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

探討了其他能源無法比擬的太陽能電池的原理、表征參量、當今的幾種太陽能電池、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)電應(yīng)用前景。

太陽能電池；原理；表征參量；種類；產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

當煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。太陽能電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。每年到達地球表面的太陽輻射能相當于130萬億噸煤，其總量在當今世界上開放的能源中占比最大［1］。世界上第一塊實用型半導(dǎo)體太陽能電池是美國貝爾實驗室于1954年研制的，開啟了太陽能電池的新紀元［2］。

1 太陽能電池原理

太陽能電池是一種可以直接將太陽轉(zhuǎn)換為電能的器件［3］。太陽能電池結(jié)構(gòu)（以晶體硅為例）:當硅晶體中摻入硼時，就會存在著一個空穴。同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N型半導(dǎo)體。晶體硅太陽能電池是以硅半導(dǎo)體材料制成大面積PN結(jié)，即在約10 cm×10 cm面積的P型硅片上用擴散法制作出一層很薄的經(jīng)過重摻雜的N型層。然后在N型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極。在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極，并在整個表面上覆蓋一層減反射膜以減少光的反射損失［4-5］。

光伏效應(yīng)。當光照射在PN結(jié)上時，會形成新的空穴-電子對。在內(nèi)建電場的作用下，這些空穴-電子對分別移向N區(qū)和P區(qū)。如果電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在PN結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加正電荷，N區(qū)獲得附加負電荷，這樣就在PN結(jié)上產(chǎn)生了一個光生電動勢，接通電路后就形成電流。

2 太陽能電池的表征參量

填充因子:太陽能電池的最大功率與某一時刻功率之比。

轉(zhuǎn)化效率:太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能之比。

3 當今的幾種太陽能電池

單晶硅、多晶硅、非晶硅和多元化合物太陽能電池是當今的四種太陽能電池，表1給出了4種電池的各自特性。

表1 4種太陽能電池的比較

從統(tǒng)計情況看，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位；非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，但轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。表2是2001～2007年各類太陽能電池產(chǎn)量。

表2 2001～2007年各類太陽能電池產(chǎn)量

4 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計資料顯示，目前全世界共有136個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中，其中有95個國家正在大規(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā)，積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。許多國家正在制訂中長期太陽能開發(fā)計劃，準備在21世紀大規(guī)模開發(fā)太陽能，美國能源部推出的是國家光伏計劃，日本推出的是陽光計劃。全世界總共有23萬座光伏發(fā)電設(shè)備，以色列、澳大利亞、新西蘭居于領(lǐng)先地位。20世紀90年代以來，全球太陽能電池行業(yè)以每年15%的增幅持續(xù)不斷地發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。

中國的太陽能電池研究比國外晚了20年，盡管最近10年國家在這方面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應(yīng)加強政策引導(dǎo)和政策激勵，盡快解決太陽能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價等問題。我國目前已有10條太陽能電池生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力約為4.5 MW，其中8條生產(chǎn)線是從國外引進的，在這8條生產(chǎn)線當中，有6條單晶硅太陽能電池生產(chǎn)線，2條非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線。

5 太陽能發(fā)電應(yīng)用前景

目前，太陽能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備、氣象臺站、航標燈等）的重要電源，其應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟上的限制。但鑒于各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，將為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。

［1］ 太陽能編寫組.太陽能［M］.廣州:廣東世界圖書出版公司，2010.

［2］ 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)研究組織.薄膜太陽能電池的基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［4］ 王志軍.硅太陽能電池特性的實驗研究［J］.大學(xué)物理實驗，2013（6）:27-30.

［5］ 張?zhí)烀?，黑?太陽能電池板負載特性的實驗研究［J］.大學(xué)物理實驗，2013（6）:55-57.

Analysis of Solar Battery

LIU Hai-qing，XU Fei
（East China University of Science and Technology，Shanghai 200237）

It discussed the principle and characterization parameter of solar cells that the other energy cannot be compared with，and it talks about several kinds of modern solar batteries and its industry status and the application prospect of power generation.

the solar cell；principle；characterization parameter；species；industry status；application prospect

TM914.4

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.007

1007-2934（2015）01-0022-02

2014-07-08