太阳能电池
摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。近年来，光伏市场快速发展并取得可喜的成就。本文主要就太阳能电池及关键材料，以及对各类太阳能电池的原理及发展状况进行详细阐述，并对太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。
关键词：太阳能电池；转换效率；晶体硅；薄膜
Solar cells
Abstract：People are facing with two pressures, namely, limited conventional energy and serious environmental contamination, which become huge social and environmental problem calling more and more attentions. In recent years, photovoltaic industry is developing rapidly, and has obstained encouraging achievement.The solar cell and correlative key material were studied. It also elaborates the principle and development of the various solar cells. In addition, it gives the further outlook for the solar cell and correlative key material markets.
Key words：solar cell；transfer efficiency；crystal silicon；thin film
引 言
由于人类对可再生能源的不断需求，促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年，合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一[1]。
太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。由于光生伏特效应在固体中，尤其是在半导体中，具有较高的能量转换效率，故太阳能电池又称为半导体太阳能电池。
1 太阳能电池的研究
1.1 太阳能电池概述
自1954年在美国贝尔实验室[2]成功研制出来第1块单晶硅太阳能电池以来，开启了人类对太阳能在发电方面使用的一扇大门。1958年太阳电池首先在航天器上得到应用。20世纪70年代初，硅太阳电池开始在地面应用。从80年代起，太阳能电池效率大幅度提高，生产成本进一步降低。从1990年到2000年，光伏组件的销售每年平均以20%的速率增长，特别是从1997年以来，年增长速度上升到30%[4]。近5年期间，世界光伏市场以平均每年40%的幅度增加，到2010年全球市场容量将增加到400亿欧元[5]。到2050年，可再生能源占总一次能源的54%，其中太阳能的比例约为13%~15%；到2100年，可再生能源将占86%，太阳能占67%。据美国华盛顿World watch研究院于2007年5月下旬的评估：多晶硅太阳能工业的成本将快速下降，这将使其成为今后几年内的主流发电方，至2010年，成本将下降40%以上，多晶硅太阳能行业极有可能在2008～2009年重新进入黄金发展期[6]。 日本从1991年开始到2001年在建筑屋顶安装光伏系统累计333MW，平均每年增长20MW。美国[7]1980年正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元，1997年宣布“百万屋顶光伏计划”，到2010年将安装1000～3000MW太阳电池。德国从1999年启动“屋顶光伏”计划，当年安装7MW，2000年39MW，2001年77MW，到2003年达到405MW。2002年，我国国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，光伏用量达到16.5MW。2006年我国产量达到460MW，比2005年增加280%，可再生能源发展空间巨大。
1.2 太阳能电池的工作原理
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太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。 在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目相等。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，就构成了P型半导体，如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成势垒电场。当太阳光照射PN结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵销势垒电场，其余使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏特电动势，当接通外电路时便有电能输出。这就是PN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、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。
1.3 太阳能电池的结构
以晶体硅太阳能电池为例,它以硅半导体材料制成大面积PN结进行工作。一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的P型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度约为0.3μm）的经过重掺杂的N型层。然后在N型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在做检测时要注意探针接触电极的压力会影响接触电阻。在整个背面也制作金属膜，作为背面接触电极，同样，探针接触电极的压力会影响电池片背面的接触电阻。为了减少光的反射损失，一般电池表面会作毛化处理，或者覆盖减反射膜[10]。如下图1，为太阳能电池片的结构。
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图1 太阳能电池结构示意图
2 太阳能电池的发展
2.1 太阳能电池的发展瓶颈
世界太阳能电池产业已初具规模，1995年～2004年的十年内平均年增长率达30%以上。目前，太阳能电池的推广应用主要还是靠政府投资和扶持，主要原因或者说阻碍其推广应用的瓶颈还是成本太高，必须努力降低成本，提高效率。
太阳能发电系统的价格包括太阳能电池组件、蓄电池、转换电路及安装费用，而太阳能电池组件又包括太阳能电池单元和封装。太阳能电池作为一种商品，要想在市场上受欢迎就必须有较高的性价比，也就是说太阳能电池单元的材料和制造成本以及制造过程中能源的消
耗都要达到市场和消费者可接受的程度。
在太阳能电池组件提高转换效率方面,可以对能量损失进行分析。发现太阳光能转换过程中的损失主要在热损失，以及电子与空穴的复合,再就是PN结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善。据理论预测，其转换效率可达到40%以上。
从太阳能电池产业的发展上看，要从以下几个方面来改进：首先，要减少材料消耗；其次，要减少制造过程中的能耗；第三，要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性；第四，要减少生产线设备投资,降低太阳能电池产业的进入门槛；第五，要扩大生产规模和采用更大面积的基片。
太阳能电池产业的蓬勃发展，给困扰人类社会物质文明可持续发展的能源危机和环境污染问题的解决带来了曙光。但成本和价格是摆在我们面前的拦路虎，太阳能电池产业的继续发展有赖于进一步提高转换效率，并降低生产成本及减少生产过程中的能耗，这是摆在我们面前的进一步目标和任务。
2.2 太阳能电池的发展趋势
（1）提升电池板的光电转换率。
（2）加大系统容量，满足大功率室外照明灯的要求。
（3）降低成本。目前，一套太阳能照明灯（全套）是普通照明灯（全套）的几倍，影响了太阳能照明的推广使用。
（4）延长蓄电池等器件的寿命，从而延长太阳能照明系统的寿命。 （5）减小电池板、蓄电池等的体积，美化杆型。
（6）逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、Ni－Cd蓄电池等，加快开发研制无污染蓄电池，实现真正意义的环保。
（7）太阳能照明在经过技术进步和降低价格后，将成为新世纪的主导光源之一。
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3 结语
随着科学技术的不断发展，新材料制成的太阳能电池层出不穷,其中虽然多元化合物所制备的太阳能电池转换率高，但因材料制备加工要求苛刻，工艺复杂、有些是稀有元素、有毒、缺乏柔性等，导致其不适合在民用市场广泛发展。而聚合物和染料敏化太阳能电池起步均较晚，技术还不成熟，距离大规模的工业化生产仍有距离。在后续研究中，应将减少材料消耗与能耗、降低成本、提高转换效率和稳定性等作为太阳能电池研究及制备工艺的重点。基于人类对新能源材料的需求和科技的不断进步，太阳能电池在替代常规能源方面将显示出愈来愈强的优势。
参考文献：
[1] 梁宗存, 沈辉, 李戬洪. 太阳能电池及材料研究. 材料导报. 2000, (08): 38-40. [2] 卢金军. 太阳能电池的研究现状和产业发展. 科技资讯. 2007, (18): 8.
[3] 汪建军, 刘金霞. 太阳能电池及材料研究和发展现状. 浙江万里学院学报. 2006, (05): 73-77. [4] 马胜红. 中国光伏产业发展展望及政策建议. 电器工业. 2004, (10): 1-11. [5] 耿新华, 张建军. 硅基薄膜太阳电池新进展. 新材料产业. 2007, (07): 28-31. [6] 杨莹, 阿柱. 太阳能电池前景喜人. 环境. 2007, (10): 28-31.
[7] 德、美、日等发达国太阳能利用状况一览. 东北电力技术. 2005, (07): 46.
[8] A. Goetzberger and C. Hebling. Photovoltaic materials, past, present, future. Solar Energy Materials
and Solar Cells. 2000, 62(1-2): 1-19.
[9] 张竹慧. 太阳能电池组件的设计及选用. 中国新技术新产品. 2009, (07): 4. [10] 崔容强, 王晨. 太阳能电池检测系统基本原理. 阳光能源. 2008, (03): 36-40.