劉海清，許 飛

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)析

劉海清，許 飛

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

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

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

當(dāng)煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。太陽(yáng)能電池，也稱為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能相當(dāng)于130萬(wàn)億噸煤，其總量在當(dāng)今世界上開(kāi)放的能源中占比最大［1］。世界上第一塊實(shí)用型半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1954年研制的，開(kāi)啟了太陽(yáng)能電池的新紀(jì)元［2］。

1 太陽(yáng)能電池原理

太陽(yáng)能電池是一種可以直接將太陽(yáng)轉(zhuǎn)換為電能的器件［3］。太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)（以晶體硅為例）:當(dāng)硅晶體中摻入硼時(shí)，就會(huì)存在著一個(gè)空穴。同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成N型半導(dǎo)體。晶體硅太陽(yáng)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(kuò)散法制作出一層很薄的經(jīng)過(guò)重?fù)诫s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(gè)背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極，并在整個(gè)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(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，會(huì)形成新的空穴-電子對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，這些空穴-電子對(duì)分別移向N區(qū)和P區(qū)。如果電路處于開(kāi)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(fù)電荷，這樣就在PN結(jié)上產(chǎn)生了一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)，接通電路后就形成電流。

2 太陽(yáng)能電池的表征參量

填充因子:太陽(yáng)能電池的最大功率與某一時(shí)刻功率之比。

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

3 當(dāng)今的幾種太陽(yáng)能電池

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

表1 4種太陽(yáng)能電池的比較

從統(tǒng)計(jì)情況看，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位；非晶硅薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池產(chǎn)量。

表2 2001～2007年各類太陽(yáng)能電池產(chǎn)量

4 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前全世界共有136個(gè)國(guó)家投入普及應(yīng)用太陽(yáng)能電池的熱潮中，其中有95個(gè)國(guó)家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制開(kāi)發(fā)，積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。許多國(guó)家正在制訂中長(zhǎng)期太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)計(jì)劃，準(zhǔn)備在21世紀(jì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能，美國(guó)能源部推出的是國(guó)家光伏計(jì)劃，日本推出的是陽(yáng)光計(jì)劃。全世界總共有23萬(wàn)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(jì)90年代以來(lái)，全球太陽(yáng)能電池行業(yè)以每年15%的增幅持續(xù)不斷地發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)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(guó)的太陽(yáng)能電池研究比國(guó)外晚了20年，盡管最近10年國(guó)家在這方面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國(guó)外差距還是很大。政府應(yīng)加強(qiáng)政策引導(dǎo)和政策激勵(lì)，盡快解決太陽(yáng)能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價(jià)等問(wèn)題。我國(guó)目前已有10條太陽(yáng)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(guó)外引進(jìn)的，在這8條生產(chǎn)線當(dāng)中，有6條單晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，2條非晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線。

5 太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用前景

目前，太陽(yáng)能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無(wú)電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等）的重要電源，其應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)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(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)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(wàn)美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但鑒于各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽(yáng)能電池仍是利用太陽(yáng)輻射能比較切實(shí)可行的方法，將為人類未來(lái)大規(guī)模地利用太陽(yáng)能開(kāi)辟?gòu)V闊的前景。

［1］ 太陽(yáng)能編寫組.太陽(yáng)能［M］.廣州:廣東世界圖書出版公司，2010.

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

［3］ 李安定.太陽(yáng)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(yáng)能電池特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（6）:27-30.

［5］ 張?zhí)烀?，黑?太陽(yáng)能電池板負(fù)載特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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