太陽能及硅太陽能電池的探討范文

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《今日電子》2017年第Z1期

【摘要】介紹了太陽能的優點以及兩種太陽能發電的方式，并基于光伏發電介紹了硅太陽能電池的生產流程和工作原理，對太陽能及太陽能電池未來的發展進行分析和展望。

【關鍵詞】太陽能；光伏發電；硅太陽能電池

1前言

火力發電是現代社會電力發展的主力軍，煤目前作為我國主要的一次能源。隨著社會發展對電需求的大幅度增加，極大地增加了煤的消耗。大量煤在燃燒的過程中釋放出CO2、SO2、NOx、粉塵等污染物，對環境帶來嚴重的影響。由于傳統能源的不可再生性，加上環境問題日益嚴重，世界上越來越多的國家開始重視起清潔、可再生的新型能源。中國目前正在發展的新能源產業有：太陽能、風能、水能（主要指小型水電站）、生物質能、地熱能等，這些都是滿足可循環條件的綠色能源。發展新能源產業既可以補充現有的能源系統，又可以有效地解決目前所存在的環境問題。因此，新型能源將是保障社會可持續發展的最終選擇。

2太陽能

據研究表明，每年大約有17.8億千瓦的太陽能輻射到地球表面，這其中有500~1000億度可以被開發利用。太陽能通常是指太陽光的輻射能量。光電轉化、光熱轉換、光化學轉換三種方式是目前太陽能利用的主要方式。而廣義上太陽能其實是地球上眾多能量的來源，如風能、化學能、水勢能等。人們已經通過光電轉換將太陽光中包含的能量轉化為電能而制造太陽能電池；利用太陽光的熱量加熱水、并利用熱水發電的太陽能熱水器等，開發了一系列使用太陽能的方法。太陽能綠色無污染，可以利用的價值極高，對于人類來說太陽能甚至取之不盡用之不竭，這眾多優點太陽能在其他能源中的重要地位。

2.1光熱發電和光伏發電

太陽能發電分光熱發電和光伏發電。其中光熱發電是指太陽輻射時會產生一定的熱能，是光—熱轉換和熱—電轉換過程相結合的兩個過程，這種方式有些類似于傳統的火力發電。光熱發電存在投資費用昂貴卻效率很低的問題，且投資至少要比普通火電站貴5~10倍。大規模地生產十分浪費經濟，并不優于與普通的火電站或核電站。現在只有一些比較特殊的場合在使用光熱發電。光伏發電則為直接利用光電效應，將太陽光輻射產生的能量通過太陽能電池這一轉化裝置直接轉換成電能。太陽能電池是一種借助光伏效應，使太陽光能可以直接轉化為電能的器件。太陽能電池的優點主要有：可以永久使用，綠色無污染，并且應用范圍廣泛，可以做到大小兼顧。詳細來說，就是太陽能電池只要有太陽光的存在，就可以長期使用；與其他電池相比，太陽能電池最清潔環保；太陽能電池能夠根據電量需求靈活變化運用，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，都可以使用光伏發電提供電源。這些都是別的電源沒有的，太陽能電池作為能源的獨特的優點。綜合銷量、發展速度和發展前景等因素考慮，光伏發電無論在哪一方面都優于光熱發電。光伏發電的結構簡單，它沒有使用機械系統，全都是由電子原件組成的。這也造就了它穩定性高、可使用時間長、利于安裝和維修等一系列優點。理論上來說，所有需要電源的地方都可以使用光伏發電技術，無論是大型發電站，或者航空航天這類高科技，還是簡單的日常電器，甚至玩具，都可以使用其作為供電能源。而太陽能電池板是太陽能發電系統的核心。

2.2光伏發電的歷史

就太陽能的發展歷史上看，人們早在19世紀就發現了光照射到材料上而產生電的狀況。1950年以后，隨著社會工業技術的大力發展，和人們對半導體材料的認識，美國貝爾實驗室在一次實驗中，由于偶然的機會向硅中加入了一些雜質，卻反而使得它對光照更加敏感，后來在此基礎上又深入研究，終于在1954年，貝爾實驗室誕生了世界上第一個太陽能電池。上個世紀七十年代出現能源危機后，大部分國家意識到開發新能源已經勢在必行。1973年的石油危機，人們又在一系列民生用途上開始使用太陽能電池。目前，大量的太陽能裝置已經在美國、日本和以色列等國家投入使用，并且朝著商業化的目標前進。我們國家也開始大力發展太陽能技術，并且在全國各地出臺了一系列的政策，以鼓勵和支持新能源的探索開發與生產利用。

3太陽能電池

隨著科學技術的不斷進步，目前太陽能電池技術已經被開發了許多，相應的太陽能電池種類也十分繁多，但考慮到效率、成本等一系列不可忽視的因素，實際生產應用的只占了少部分。目前已經開發出來的品種電池中應用最多的是硅太陽能電池，。目前大部分地方提到的太陽能電池，在沒有特殊說明的情況下，也通常是指硅太陽能電池。

3.1太陽能電池的工作原理

太陽能電池工作原理主要為半導體的光電效應。N型半導體是在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）來取代晶格中硅原子的位置而形成。P型半導體是在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼）來取代晶格中硅原子的位置而形成，P型半導體中多出了空穴，N型半導體多出了自由電子。用P型半導體和N型半導體結合在一起，中間就產生了濃度差，從而使它們的交界面區域中存在一個特殊的薄層。兩側分別帶不同電荷，N區電子擴散到P區，P區空穴擴散到N區，由此就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散。當達到平衡后，就會產生上面說到的薄層，產生電勢差，這就是PN結。光線刺激晶片時，兩個區域內的空穴和電子相互移動，就在這兩個區域之間形成了電流。隨之在PN結中形成了電勢差，從而變成一種電源。為了解決“電子在半導體中流動的電阻非常大，損耗也相當大”這一問題，人們用用金屬網格覆蓋P-N結，這樣既保證了導電性，又不會阻礙硅晶片吸收陽光。另外大量的太陽光會由于硅表面非常光亮而被反射損失掉，降低了電池的利用率。若在它上面涂一層反射系數極小的保護膜，反射損失將會被減小到5％甚至更小。

3.2太陽能電池生產流程

通常情況下，晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質量硅片上制成的，此類硅片則是由提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。下圖簡單地演示了一下這種生產流程。

3.3目前太陽能電池的發展情況

象領域、海洋領域、石油領域、通信領域、光伏電站等。還有一些應用于新能源汽車及配套系統、海水淡化系統、航空航天系統、燃料電池再生發電系統等。隨著能源的不斷使用，原有的一次能源越來越稀缺，能源問題甚至成為制約經濟發展的重要因素。在這樣的嚴峻形式下，越來越多的國家將目光放到利用太陽光這一純天然、綠色清潔甚至用之不竭的能源上，提出“陽光計劃”并加以實行，即開發太陽能資源，探索新的能源動力來發展經濟。光伏發電必然擁有強大的發展潛力和前景推動著各國也都開始投入巨額資金制造太陽能電池，意圖在此國際形勢下爭得一席之地。據有關部門預估，到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80％以上，太陽能發電將占到60％以上。由此我們有理由相信，隨著太陽能光伏發電技術的持續發展，未來人類社會將不必再為能源問題和環境問題所困擾。同時這也是一項造福子孫后代的工程。

4結語

以傳統燃料為主的一次能源日益短缺，對環境的不利影響也愈加增大。地球上還有大量的人員得不到正常的能源資源。在這個條件下，全球越來越多的注意力集中到可再生能源上，期望借此改善環境，維持人類社會的發展。光照的零成本、使用自由度高、清潔環保且資源極為豐富，這些獨特的優點使得太陽能在眾多新能源中脫穎而出。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，即使將地球表面0.1%的太陽能轉為電能，在轉變率5%的條件下，每年的發電量也能達到5.6×1012千瓦/小時，僅此就已相當于提供了世界上目前的四十倍能耗。相比較其他能源和發電方式而言，太陽能簡直是大自然給予人類的財富和饋贈。因此，太陽能將成為人類探索新能源的重要組成部分，并越來越好地發展下去。

參考文獻：

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［4］梁宗存，沈輝.太陽能電池及材料研究［J］.材料導報，2000，14（08）:38~40.

作者：姜梓瑩1；楊宇同2 單位：1.南京開拓環保科技有限公司，2.上海海洋大學能源與動力學院