太阳能电池工作原理及应用

太阳能电池工作原理及应用摘 要： 太阳能电池 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 电流 。在物理学上称为 太阳能光伏（ Photovoltaic ， photo 光， voltaics 伏特，缩写为 PV） ，简称 光伏 。当太阳光照射 p-n 结时， 在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子， 相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向 rt 型区，空穴被驱向 P 型区，从而使rt 区有过剩的电子， P 区有过剩的空穴。 于是， 就在 p-n 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。关键词：太阳能；光伏发电；半导体；电 池太阳能电池的分类简介太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为： 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 、 纳米晶太阳能电池、 有机太阳能电池 、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位（ 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。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7% ，规模生产时的效率为 15% （截止 2011 ，为 18% ）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于单晶硅成本价格高， 大幅度降低其成本很困难， 为了节省 硅材料 ， 发展了多晶硅薄膜和 非晶硅薄膜 做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较， 成本低廉， 而效率高于非晶硅 薄膜电池 ， 其实验室最高转换效率为 18% ，工业规模生产的转换效率为 10%（截止 2011 ，为 17% ）。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。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）多晶体薄膜电池多晶体薄膜电池硫化镉、 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 晶体硅太阳能电池 最理想的替代产品。砷化镓（ GaAs ） III-V 化合物电池的转换效率可达 28% ， GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs 电池的普及。（ 3）有机聚合物电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。 能否发展成为具有实用意义的产品， 还有待于进一步研究探索。（ 5）有机薄膜电池有机 薄膜太阳能电池 ，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉， 这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里， 95% 以上是硅基的， 而剩下的不到 5% 也是由其它无机材料制成的6）染料敏化电池染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在 TiO2 粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射， 生成自由电子和空穴。 自由电子被 TiO2 吸收， 从电极流出进入外电路，再经过用电器， 流入电解液，最后回到色素。 染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为 12% 左右。（ 7）塑料电池塑料太阳能 电池 以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过 “ 卷对卷印刷 ” 技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来 5 年到 10 年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。太阳能工作原理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。太阳能发电有两种方式， 一种是光一热一电转换方式， 另一种是光一电直接转换方式。 其中， 光一电直接转换方式是利用光电效应， 将太阳辐射能直接转换成电能， 光一电转换的基本装置就是太阳能电池。 太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池的工作原理基础是：半导体 P— n 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 当太阳光或其他光照射半导体 P— n结时，就会在 P— n 结的两边出现电压，叫光生电压。使 P． n 结短路，就会产生电流。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。 硅原子的外层电子壳层中有 4 个电子，如图 1 所示。每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。 它们在外来能量的激发下， 如在太阳光辐射时， 就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子， 并同时在它原来的地方留出一个空位， 即半导体物理学中所谓的“空穴” 。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。如果在晶体硅中掺人能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那么它就成为空穴型半导体，简称 P 型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素， 那么它就成了电子型的半导体， 简称 n 型半导体。 若把这两种半导体结合在一起， 由于电子和空穴的扩散， 在交界面处便会形成 p-n 结， 并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处电阻特别高，所以也称为阻挡层 。当太阳光照射 p-n 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向凡型区，空穴被驱向 P型区，从而使 n 区有过剩的电子， P区有过剩的空穴；是，就在 p-n 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场，如下图 2 所示。光生电场的一部分抵消势垒电场， 其余部分使 P 型区带正电， n 型区带负电；于是， 就使得在 n 区与 P区之间的薄层产生了电动势， 即光生伏打电动势。 接通电路时便有电能输出。 这就是 P． 凡结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并连起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的电能。太阳能电池的应用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 。但是在现阶段，它的成本还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。