太阳能电池的技术发展和应用状况调查

太阳能电池的技术发展和应用状况调查太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它来源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境没有任何污染。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件，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。1. 制作光电池采用的材料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。有的光电池可以将红外光和紫外光转化为直流电。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正有着越来越重要的地位。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。其它的材料，例如 CIS， CdTe 和 GaAs， 也已经被开发用来作为光电池的材料。 有二种基本类型的半导体材料，分别叫做正电型（或 P 型态）和负电型（或 N 型态）。在一个 PV 电池中，这些材料的薄片被一起放置，而且他们之间的实际交界叫做 P-N 节。通过这种结构方式， P-N 节暴露于可见光， 红外光或紫外线下， 当射线照射到 P-N 节的时候， 在 P-N 节的两侧产生电压， 这样连接到 P 型材料和 N 型材料上的电极之间就会有电流通过。 一套 PV电池能被一起连接形成太阳的模组，行列或模板用来产生可用电能的 PV电池就是光电伏设计。2. 光电转换效率（ 1） 单晶硅太阳能电池目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15%左右， 最高的达到 24％， 这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达 15 年，最高可达 25 年。（ 2） 多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多， 但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少， 其光电转换效率约 12％左右 (2004 年 7 月 1 日日本夏普上市效率为 14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池 )。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。（ 3） 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳电池是 1976 年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低， 目前国际先进水平为 10％左右， 且不够稳定， 随着时间的延长， 其转换效率衰减。（ 4） 多元化合物太阳电池多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。 现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a) 硫化镉太阳能电池b) 砷化镓太阳能电池c) 铜铟硒太阳能电池 (新型多元带隙梯度 Cu(In, Ga)Se2 薄膜太阳能电池 ) Cu(In, Ga)Se2 是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为 18％，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（ SWE） ，其光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约 50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。3. 应用状况（ 1） 作为能源使用在这方面的应用可分为两类： 空间应用和地面应用。 空间应用主要作为空间探索用的电源，用于人造卫星和宇宙飞船中。在作为地面能源使用方面，由于使用成本的原因，主要用于制作小功率电源。目前，比较用的多的是作为航标灯的电源。（ 2） 作为光电信号转换器使用硅光电池作为光电信号转换器使用，与其它光电器件相比，有其独特的优点。与光电管相比，它体积小，重量轻，不怕强光，不需外加电源；与光敏电阻和硒光电池相比，它不易老化，参数稳定，光电积分灵敏高；与光电二极管及三极管相比，价格价廉，线路简单。另外它具有 20年以上的寿命。（ 3） 在医学上的应用1. 利用硅光电池检出脉搏—电子脉搏计2. 利用硅光电池检出血氧的饱和度—电子血氧计3. 利用硅光电池检出染料稀释曲线4. 思考和设想太阳能作为一种新能源， 是人类可以利用的最丰富的能源。 发展太阳能光伏产业的关键是生产太阳能电池。目前太阳能光伏电池主要有晶硅电池和薄膜电池， 晶硅电池又分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，薄膜太阳能电池基本上分为非 /微晶硅薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池和碲化镉薄膜电池三类。目前，晶硅太阳能电池是发展速度最快、技术最成熟、产业化规模最大的一种太阳能电池。晶硅太阳能电池材料在结晶的质量、纯度等方面要求较低，生产成本低于单晶硅，而且在产业化应用中的转换效率已达到了 15－ 20%的水平，因此多晶硅成为目前采用最广泛的太阳能电池制造原料。总体来看，晶硅电池是目前光伏电池的主流，主要应用于太阳能屋顶电站、太阳能商业电站和太阳能城市电站，是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品，占据世界光伏市场的份额超过 80%。非微晶硅薄膜电池的转换率偏低，提升转换率的技术难度也较大，铜铟镓硒薄膜电池原材料昂贵，碲化镉薄膜电池虽然转换率较高，但受到材料来源和安全性限制，大规模产业化也存在局限。目前薄膜电池的转换效率平均在 10%以内，售价约在 10 元 / 瓦，单价虽低于晶硅电池，但由于转化率低，综合成本还是要高于晶硅电池。薄膜电池相比晶硅电池生产线的一次性投入要高，由于主要依靠进口设备，动辄数亿元的投资是晶硅电池的 7－ 8 倍，再加上在生产过程中同步产生的技术成本、设备成本、运输成本，其整体成本相比晶硅电池并不具有明显优势。而且由于使用寿命较短，占地过多，普及速度因此受到影响。由于薄膜本身的技术层出不穷，薄膜电池的生产在设备投资上又耗资巨大，一条生产线大约要花几个亿，如果未来很多设备能够真正实现国产化，成本也会有一个大幅度的降低。另外，从市场的角度来看，晶硅和薄膜并不能完全互相替代。比如，薄膜太阳能在做建筑一体化（ BIPV）的时候，是非常适合的，而晶硅就要差一些。晶硅电池和薄膜电池市场前景都很广阔， 太阳能光伏市场远远没有达到让一 种技术独舞的阶段。未来的主流市场虽然还是以晶硅为主，但并不是说晶硅就把薄膜的空间挤压没了。这两者是此消彼长的关系，最后终将会达到一种平衡。