太阳能光电池

太阳能光电池—太阳能光电池的应用摘要： 众所周知， 太阳能是自然界最丰富和最基本的的可再生能源。 它无污染，又取之不尽，无处不在。由此，直接将太阳能转换成电能的太阳能电池，就备受世人关注。 本文介绍了太阳能电池的原理和发展， 以及新型太阳能电池， 介绍了太阳能电池的转换效率和发展前景。关键字： 太阳能电池、原理、发展、前景。一、引言在当代，由于人们对能源的不合理利用，使能源变得越来越匮乏。为此，开发新型可再生能源就显得尤为重要。 据相关报道可知， 进入大气层到达地球后的太阳能每平方米大约又 1 千瓦。 所以， 合理地利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略。 本文介绍了太阳能电池的原理和发展， 以及新型太阳能电池，介绍了太阳能电池的转换效率和发展前景。二、内容1、太阳能光电池的定义：“太阳能光电池”又称为“太阳能芯片”或“光电池” ，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。 它只要被光照到， 瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。2、太阳能光电池的原理 : 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质是利用 pn 结内建电场作用，分离入射光产生的电子，在正负电极形成电势差。当入射太阳光能量大于吸收层半导体能隙时，入射光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子—空穴对靠半导体内形成的内建场分开到两级，正负电荷分别被上下电极收集。由金属连接正负电极对外提供电能。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P－ N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：（ 1）价带电子；（ 2）自由电子或空穴（ Free Carrier ）；（ 3）存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。3、太阳能光电池的发展历程 ：1）早在 1839 年，法国著名科学家比克邱勒就发现了一种奇怪的现象，及半导体在电解质溶液会产生光电效应。2）在 1954 年，美国贝尔研究所首先应用这个原理成功试制硅太阳电池，获得了 4.5%光电转换效率的成果。3）在 1958 年，美国的“先锋一号”人造卫星就是运用了太阳能电池作为电源，成为了世界上第一个用太阳能供电的卫星。接着，我国又在 1958 年开始了太阳能电池的研制工作，并在 1971 年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。4）后来，随着科技的不断发展，太阳能电池也走进了千家万户，被人们广泛地应用在生产、生活的许多领域。由此，可以预见，太阳能电池很有可能成为代替石油和煤的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。4、太阳能光电池的基本特性：太阳能光电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳能光电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下：1）太阳能光电池的性能参数：太阳能光电池一般制成 P+/N 型结构或 N+/P型结构， P+和 N+， 表示太阳能光电池正面光照层半导体材料的导电类型； N 和 P，表示太阳能光电池背面衬底半导体材料的导电类型。 太阳能光电池的性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。2）太阳能光电池的性能参数：太阳能光电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能光电池性能好坏的标志。3)①光谱特性： ：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的， 硅光电池波长在 0.8μ m 附近， 硒光电池在 0.5μ m 附近。硅光电池的光谱响应波长范围为 0.4~1.2μ m，而硒光电池只能为 0.38~0.75μ m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。②光照特性： 太阳能光电池在不同的光照强度下， 其光电流和光生电动势是不一样的， 他们之间的伏安关系就是光照特性。 并且因为短路电流在很大范围上与光照强度呈现线性关系， 开路电压 （及负载电阻 R为无限大时） 与光照强度的关系是非线性的， 并且当强度达到 200 是就达到饱和了。 因此用光电池作为测量元件时，我们可以把它当做电流源来使用。③温度特性： 太阳能光电池的温度特性是描述太阳能光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。 由于温度特性关系到太阳能光电池仪器或设备的温度漂移， 影响到测量精度或控制精度等重要特性指标， 为此， 温度特性也是太阳能光电池的重要特性之一。5、太阳能电池的分类：光电池的种类很多， 常用有硒光电池、 硅光电池和硫化铊、 硫化银光电池等。主要用于仪表， 自动化遥测和遥控方面。 有的光电池可以直接把太阳能转变为电能， 这种光电池又叫太阳能电池。 太阳能光电池按结晶状态可分为结晶系薄式和非结晶系薄式两大类， 而前者又分为单结晶形和多结晶形。 太阳能光电池要是按照材料分，则可以分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能光电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、 纳米晶太阳能光电池、 有机太阳能电池、 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的， 在应用中占据主导地位。 因为它具备一系列的优点， 例如： 性能稳定、 光谱范围广、 频率特性好、 换能效率高、 能耐高温辐射等。①硅太阳能电池：硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。主要以单质硅为主要材料。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材料为无机盐，其他成分则为砷化镓的化合物和硫化镉等。③聚合物多层修饰电极型太阳能电池： 聚合物多层修饰电极型太阳能电池的主要材料为聚合物。该材料的柔性较好，制作容易，材料来源广泛，成本低，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有十分重要的意义》6、太阳能光电池的材料 : （一）太阳能光电池材料：1）半导体：单质硅、多晶硅非晶硅、 GaAs有机半导体等。2）表面涂层：金属氧化物‘导电聚合物等。3）电极：金属导体等。4）封装 ; 玻璃、有机玻璃等。（二）对材料的基本要求：1）能充分利用太阳能辐射，即半导体的禁带不能太宽。2）有较高的光电转换效率。3）材料本身不会对环境造成污染。4）材料便于工业化生产，材料的性能稳定且经济，且具有较长的时间的使用寿命。5）直接带隙、带隙宽度在 1.1— 1.7eV 之间，接近 1.4eV 可达到最大光电转换效率。6）无毒，在地球上的含量较高。7）具备十分好的力学特性，便于加工处理。7、太阳能光电池的应用：①太阳能光电池主要用于仪表、 自动化控制和测控等方面。 例如： 可以在应用在产品的测量以及制作各种传感器等领域。②太阳能光电池作为能源广泛在人造地球卫星、 灯塔、 无人气象站等处。 并且，太阳能电池还广泛应用在农业和交通领域，例如：航标灯、交通 / 铁路信号灯、交通警示灯等。③太阳能光电池在许多方面还可以成为消费品电源。 例如： 光伏充电器、 太阳能计算器、太阳能小风帽、太阳能小提灯、太阳能庭院灯等。光生伏特效应： 假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳， 具有足够能量的光子可以在 P 型硅和 N 型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子－空穴对。 界面层临近的电子和空穴在复合之前， 将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的 N 区和空穴向带负电的 P 区运动。经由界面层的电荷分别，将在 P 区和 N 区之间发作一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。 对晶体硅太阳能电池来说， 开路电压的典型数值为0.5～ 0.6V。 经由光照在界面层发作的电子－空穴对越多， 电流越大。 界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。太阳光照在半导体 p-n 结上， 形成新的空穴 -电子对， 在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区， 电子由 p 区流向 n 区， 接通电路后就形成电流。 这就是光电效应太阳能电池的工作原理。8、太阳能光电池的发展前景：如今，太阳能电池的发展仍具有很多局限性。人们清楚的认识到，太阳能光电池的材料于制作成本， 是发展太阳能光电池的十分重要的要素。 由此可知， 太阳能光电池今后的发展方向为： 人们在继承和发展太阳能光电池的基础上， 会全力去寻找适合做太阳光电池的材料， 以此发展未来的太阳能光电池事业。 太阳能光电池有着无可替代的优点，它有着十分广阔的发展前景。三、总结本文简单介绍了一下太阳能电池的原理以及太阳能电池的发展历程和应用领域。 由此可知， 太阳能电池在节约能源和大幅度降低成本方面都具有十分诱人的发展前景。 但是， 伴随生产技术的不完善， 太阳能光电池还存在许许多多多的问题。 但我相信， 任何科学难题的解决都是长期坚持不懈努力的结果， 我们只有不断为其积极奋斗，才会到达成功的彼岸。四、参考文献1. 百度文库2.太阳能电池研究的新进展3.太阳能电池技术应用与发展4.太阳能电池的开发趋势，中外能源