太阳能电池

太阳能电池简介王立萍12011107摘要：太阳能电池是绿色清洁可再生能源，其应用越来越广泛。本文就太阳能电池的工作原理、分类、应用现状及未来展望对太阳能电池进行了简单介绍。关键词：太阳能电池、原理、太阳能电池的分类、应用、展望0序言随着社会的不断进步和发展,煤炭、石油等不可再生能源储备大幅度减少,寻找和开发新能源成为当前人类面临的重要问题,而太阳能作为一种取之不尽的能源受到广泛重视，地球每天接收的太阳能可以满足全世界能量消耗近200年，太阳能作为可再生清洁能源得到了大力开发。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池的发展可追溯到19世纪，1893年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”；1930年朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”；1954年第一个太阳能电池在美国的贝尔实验室诞生，太阳电池技术的时代才终于到来；60年代，70年代，太阳能电池开始朝民用化、商业化发展；20世纪90年代至今，随着光电技术的发展，太阳能电池的发电成本大大提高，更不断有新型的太阳能电池涌现，太阳能发电技术快速发展。1原理光电效应：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。工作原理：当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余被半导体吸收或透过。被吸收的光，除去变成热的部分其余光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。如图1-1所示：以硅为例，当光照射到半导体光伏器件上时，能量大于硅禁带宽度的光子进入硅中，激发出光生电子--空穴对，光生电子--空穴对被内建电场分离，光生电子被送进N区，光生空穴则被推进P区，如此便在PN结两侧形成了正、负电荷的积累，从而形成光生电场，接通电路后就形成电流。图1-12分类太阳能电池按照结构分类可分为：同质节太阳能电池、异质节太阳能电池、肖基特太阳能电池；按照工作方式分类可分为：平板太阳能电池、聚光太阳能电池、分光太阳能电池；按照材料分类可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶化学太阳能电池、有机太阳能电池。本文就按材料分类进行介绍：2.1硅太阳能电池硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位,但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层(多结)非晶硅太阳电池。2.1.1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池,以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求99.999%,其结构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。印度物理研究所提出一种内部光陷作用的高效硅太阳电池模型可将转换效率提高28.6%。北京太阳能研究所研制的刻槽埋栅电极2cm×2cm晶体硅电池的转换效率达到19.79%。单晶硅太阳能电池转换效率最高,但对硅的纯度要求高,且复杂工艺和材料价格等因素致使成本较高。2.1.2多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成,在结晶的质量及纯度等方面较低,所以效率也较低。与单晶硅比较，成本低廉，且效率高于非晶硅薄膜电池，目前大规模工业化生产的多晶硅太阳能电池的转换效率已达到了12%～14%的水平,实验室最高转换效率18%，因此多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。2.1.3非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。2.2多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池的电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是硅太阳能电池最理想的替代产品。铜铟硒CuInSe2简称CIS,其能隙为1.1eV，适于太阳光的光电转换。另外,CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题,可用作高转换效率薄膜太阳能电池材料。日本松下公司开发的掺镓的CIS电池,光电转换效率15.3%。CIS作为太阳能电池的半导体材料,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,但铟和硒都是比较稀有的元素,不易获得。2.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机PN结的单向导电装置。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。2.4纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极。染料敏化纳米晶太阳能电池是利用具有高比表面积多孔特性的薄膜来吸附染料敏化剂,吸收未被半导体吸收的光而产生电动势,进而对半导体电极的光电动势显示敏化作用。Muakoshi等以纳米二氧化钛颗粒表面合成导电聚合物聚吡咯作为正负极间电荷输运的传导介质,建立了一种固态光电池。Gratzel等用一种有机空穴导电材料代替液态电解质,结合吸附染料的纳米二氧化钛薄膜制成固态光电池,其单色光电转换效率达到33%,使染料敏化纳米薄膜太阳能光电池的研究向实际应用迈出了一大步。2.5有机太阳能电池有机太阳能电池是由具有光敏性质的有机材料构成核心部分的太阳能电池。有机太阳能电池的成本只有硅太阳能电池的10%~20%，目前市场上的有机太阳能电池的光转化效率最高只有10%，这是制约其推广的主要问题，如何提高光转换率是今后应该解决的重点问题。3应用现状3.1太阳能电池的应用举例太阳能电池的应用包括通讯领域、交通设施、电源电站、航空航天、建筑设施等多个领域，在军事和民用中都发挥着重要作用。北方油田（尤其是稠油区,如辽河油田）管道输油必须对原油进行加热,需要实时了解管道中的油温,但管道经常通过无电源地区,一种小型的太阳能测温远传仪器就可解决这个问题，它可传送距离1~2km。。公交GPS系统可实现公共汽车调度及行车状态即时显示。江南大学信息工程学院在尚德公司的协助下,已研制出太阳能汽车站GPS指示牌,该系统仅使用10W太阳能电池板,连续阴雨10天也可正常工作。危险品仓库一般对电力线路的安全要求很高,而且仓库有可能在边远人烟很少的地方,夏天烈日下,库房温度可能很高,利用太阳能电池供电的通风设备将会带来很大的方便。太阳能户用系统可满足一个家庭的用电,包括空调、电视机、照明、太阳能电池板放在屋顶上，蓄电池、逆变器等放在室内。卫星在太空中是，其上装有的太阳能电池板会展开，吸收太阳能为卫星在太空中的运行供电。我国有“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。3.2发展现状从硅太阳能电池的发明开始，就被用于空间站为其提供能源，这已成为高性能太阳能电池的稳定市场。19世纪70年代的第一次石油危机刺激了太阳能电池的应用研究。目前，硅基太阳能电池已广泛应用于并网发电、离网发电及商业应用等领域。前面已经提到过，硅基太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的转换效率可达到16％～20％，多晶硅太阳能电池的转化效率达到14％～16％，而非晶硅太阳能电池的转换效率只有5％～7％。由于多晶硅太阳能电池成本低，转换效率较高，生产工艺成熟，占有主要的光伏产业市场，成为现代太阳能电池的主导产品。各国政府对光伏商业投资的免税政策，以及太阳能电池成本的下降促进了光伏产业的发展，近几十年来，光伏产业平均每年增加大约30％，而近十年甚至达到了40％左右。2010年，世界光伏发电装机容量保持高速增长势头，当年新增装机达到18GW，较上年增长153%。从2004年开始，中国光伏产业的年增长率连续5年超过100%。2011年，我国光伏电池组件的产量已经超过全球总产量的50%，光伏需求为2.75GW，成为仅次于德国和意大利的全球第三大光伏市场。4展望太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。加上各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。但是太阳能电池的使用也存在一些问题：硅电池生产过程能耗大，产生有毒有害物质多，环境污染严重；太阳能电池的生产成本以及光电转换效率有待提高；一些区域的太阳能呢个电池产业存在产能过剩问题。因此太阳能电池的未来发展更应注重生产的规模化；继续改进生产技术，以便降低能耗，减少污染；建立合理的市场化竞争。参考文献：[1]陈文峰浅析我国电网系统发展趋势及对策[J].科技资讯,2011(5).[2］蔺旭鹏，强颖怀，肖裕鹏等．薄膜太阳电池研究综述［J］．半导体技术2012，37(2)96－104．[3］廖华，林理彬，刘祖明等．晶硅薄膜太阳电池电子辐照研究［J］．云南师范大学学报(自然科学版)．2012，32(2)1－4．[4］李微，黄才勇，刘兴江．薄膜太阳电池技术发展趋势浅析［J］．中国电子科学研究院学报．2012，7(4):344－350[5］谢光亚，李晓光.中国太阳能光伏产业的国际竞争力研究[J].对外经贸实务，2012，（2）：21-24.[6]杨德仁.太阳电池用多晶硅材料的现状和发展[J].中国建设动态(阳光能源),2007,(1)[7]李建军,邹正光,龙飞.CIS(CIGS)太阳能电池研究进展[J].能源技术,2005,26(4):1642167.[8]苏孙庆.多晶硅薄膜太阳能电池的研究进展[J].技术物理教学,2007,15(2):45247[9］张保民.中国太阳能光伏发电产业的现状、问题及对策分析[J].中国高新技术企业，2011，（36）：9-10.[10］谢晨.多晶硅市场2011年总结和2012预测.2012-1-12.