光电池的应用与发展

1 光电池的应用与发展摘要：光电池是利用光伏效应制成的检测光辐射的器件， 主要是利用价带电子在光的照射下产生电动势。 光电池也叫太阳能电池， 直接把太阳光转变成电。 因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。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。 太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。随着可持续发展战略在世界范围内的实施， 新能源的开发与利用显得尤为重要。 在有关光电池的技术走进了我们的生活， 因此这对于光电池的应用与发展方向进行的研究具有较为广泛的意义。关键字：光电池；光伏效应；价带电子2 目录1. 光电池简介· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.1 光电池的定义· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.2 光电池的种类· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2. 光电池的原理· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 3. 光电池发展历史· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 4. 光电池的应用与前景· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 4.1 光电池的应用· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 4.1.1 光电池的运用范围· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 4.1.2 光电池家庭化的应用· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 ①太阳能电话· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 ②太阳能冰箱· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 ③太阳能空调器· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 ④太阳能电视机· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 4.1.3 光电池的市场与应用· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 4.2 光电池的前景· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 总结· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 参考文献· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 3 1. 光电池简介1.1 光电池的定义光电池（ photovoltaic cell ）是利用光伏效应（光电效应的衍生） 制成的检测光辐射的器件， 是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。可见光电池也是一种光电传感器。光电池广泛用于把太阳能直接转换成电能，亦称太阳能电池。1.2 光电池的种类光电池的种类很多，有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化镉、砷化镓光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。2. 光电池的原理光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的， 掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。光伏发电是利用半导体 pn 结（ pn junction ）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。 这种技术的关键元件是太阳能电池 (solar cell) 。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（ module） ，再配合上功率控制器等部件就形成了光4 伏发电装置。 光伏发电的优点是较少受地域限制， 因为阳光普照大地 ;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。 不论是独立使用还是并网发电 , 光伏发电系统主要由太阳能电池板 （组件） 、 控制器和逆变器三大部分组成， 它们主要由电子元器件构成， 不涉及机械部件 , 所以 ,光伏发电设备极为精炼 , 可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲 , 光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合 , 上至航天器 , 下至家用电源 , 大到兆瓦级电站 , 小到玩具 , 光伏电源无处不在。光伏发电产品主要用于三大方面： 一是为无电场合提供电源， 主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中 继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这 在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步， 不过， 2008年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。3. 光电池发展历史从 1839法国科学家 E.Becquerel 发现液体的光生伏特效应 （简称光伏现象）算起，光电池已经经过了 160多年漫长的发展历史。1839 年，安托石 - 贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电池是一个圆柱体， 内装硝酸铅溶液， 溶液中进入一个铅阳极和一个氧5 化铜阴极。这种电池一经阳光照射，就会供给电流。1875 年，德国技师维尔纳 - 西门子是制成第一个硒光电池，并提议用于光量测定。 西门子的光电池是根据 1873年英国人史密斯发现的“内光电效应”提出的。L.H. 亚当斯于 1876年指出， 硒在光的作用下， 不仅出现电阻的变化，而且在一定条件下还出现电动势，从而发现了“阻挡层效应” 。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。 光电池被广泛地用于自动控制技术、信息电子学和测量技术。这些元件的性能约自 1950年起，因半导体技术的发展而得到显著改善。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。 对光电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅光电池的研制成功， 在光电池发展史上起到了里程碑的作用。至今为止， 光电池的基本结构和机理没有改变， 光电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅光电池、 CIS 光电池、 CdTe光电池和纳米敏化光电池等， 此外主要的是生产技术的进步， 如丝网印刷、多晶硅光电池生产工艺的成功开发， 特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。4. 光电池的应用与前景4.1 光电池的应用6 4.1.1 光电池的运用范围光电池主要用于仪表， 自动化遥测和遥控方面。 太阳能电池作为能源广泛应用在人造地球卫星、灯塔、无人气象站等处。目前， 光伏发电产品主要用于三大方面： 一是为无电场合提供电源， 主要为广大无电地区居民生活生产提供电力， 还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电， 这在发达国家已经大面积推广实施。 我国并网发电还未起步， 不过， 2008年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。4.1.2 光电池家庭化的应用太阳能（光）发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行， 所以它适合于各家各户分散进行发电， 而且要联接到供电网络上。光电池日益成为家用电器的“能源心脏” 。①太阳能电话。 以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。它利用顶端上装的太阳能接收板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机， 再传送到各地电话通讯网去。②太阳能冰箱。 法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰剂， 每 24小时可制冰 10公斤， 保鲜 30公斤食物。 印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱， 上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上， 把光转换成7 电流，箱内温度保持在 -2 ℃，可冷藏 500公斤食品，每天还可制造出25公斤冰来。③太阳能空调器。 日本夏普电器公司制造的这种空调装置， 当天气晴朗时，全部动力都由阳关供给，多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成， 用它可使一间 18平方米的居室室温保持在 20℃左右，并较一般空调器节约电费 60%以上。④太阳能电视机。 芬兰研制的太阳能电视机只要白天吧半导体硅光电池转换器放在有阳光的阳台上， 晚上不需电源便可观看电视， 转换器储存的电能， 可供工作电压为 12伏的电视机使用 3至 4小时。 印度研制的太阳能电视机，其能源吸收系统只要每天工作 4小时，即使连续 3天无太阳，也能正常接收信号播放节目。4.1.3 光电池的市场与应用近年来太阳能利用在技术上的不断突破， 使太阳能光电池的商业化应用要比人们原先预期的快得多。 目前， 全世界总共有 23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。技术上的不断突破使光电池以高速度进入市场。 80年代后期， 由于多晶薄膜光电池的出现，使光电池的光电转换率达 16%，而生产成本降低了 50%，极利于在缺能少电的发展中国家推广。 目前， 美国和日本在世界光伏市场上占据最大的市场份额。 美国拥有世界上最大的光伏发电厂， 其功率为 7MW，日本也建成了发电功率达 1MW的光伏发电厂。最初光电池主要是广泛应用于人造卫星和航空航天领域， 因为在8 太空中只有白天， 没有黑夜， 太阳光强度也不受天气变化和季节更替的影响。如人造卫星、宇宙空间站上的能源都是有太阳能电池提供。目前，光电池已在民用电力、交通、以及军用航海、航天等诸多领域发挥着越来越大的作用。 大型的可用于电话通讯系统、 卫星地面接收站、微波中继站等；中型的可用于电车、轮船、卫星、宇宙飞船等； 小 （微） 型的可用于太阳能手表、 太阳能计算器、 太阳能充电器、太阳能手机等。4.2 光电池的前景如今， 人们已经清楚的认识到， 光电池光电效应效率和光电池材料的来源与制作成本，是发展光电池的极为重要的因素。可见，光电池今后的发展方向是： 人类在继承和发展已被开发和利用的光电池的基础上， 一当面全力的去研究和开发高光电效应效率的材料， 另一方面， 寻取富含太阳能电池材料的原料， 以用于发展未来的光电池事业。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分， 太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面有着越来越重要的地位。光电池无可替代的优点，使它有着广阔的前景。总结太阳能有许多优点， 但在它成为未来的主要能源之前， 还有许多亟待解决的问题。 太阳能集热设备和太阳能电池造价高自不待言， 还有一个人们常想的问题是没有太阳时怎么办？受夜间和阴雨气候的9 影响，这是利用太阳能所遇到的最大限制。但是随着科技的进步，这种限制正逐步缩小。目前，一般家庭太阳能热水器，都有储热槽储存热水，高级一点的储热装置，即使连续一、二天阴雨，仍能使用前日储存的热水。还有固体储热和化学储热法。 我们完全有理由相信， 太阳能作为一种清洁优良的新能源， 它的开发和应用前景都是广阔的， 在不久的将来它必将会逐渐应用到我们的各个方面中来， 使我们的能源使用更加科学和环保。总之， 光电池与我们 21世纪人的关系是密不可分的， 随着时间和科技的发展，我们将会得到更先进和更人性化的光电池设备。参考文献[1] 太阳电池：材料、制备工艺及检测 Tom Markvart 机械工业出版社 2009-08 [2] 有机太阳电池与塑料太阳电池 张华，李陵岚 化学工业出版社2006-3 [3] 光伏产业标准汇编 陕西省标准化研究院 中国标准出版社2011-08 [4] 太阳能光伏发电应用原理 黄汉云 化学工业出版社 2009-3 [5] 太阳能光伏产业：多晶硅生产技术 邓丰 化学工业出版社2009-3 10 [6] 建筑工程太阳能发电技术及应用 李宏毅，金磊 机械工业出版社 2008-1 [7] 太阳能光伏电池及其应用 滨川圭弘 科学出版社 2008-9 [8] 太阳能光伏发电实用技术 长贵 千斯成 北京科学出版社2005 [9] 光电信息技术 [M] 杨永才 上海：东华大学出版社 2010 [10] 太阳能光伏技术 [M] 王齐乐 浙江：浙江科技出版社 2009