太阳能电池未来发展趋势前途分析

太阳能电池未来发展趋势前途分析

李主 (2010126105)

摘要：能源危机和环境污染已经成为当今世界各国面临的共同问题。随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，石油的枯竭几乎像一个咒语，给人类带来了不安。各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的“新宠”，发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代已为时不远了。太阳能光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源,又可以作为光电检测器件[1]。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单品硅人阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。此外，还有CaAs 太阳电池、 CdTe太阳电池，CuInSe2（CIS）和染料敏化太阳电池（DSSC）等等。本文并就其研究现状、存在的问题、解决的途径以及发展趋势等做了一些分析[2]。

关键词：太阳能电池的种类研究现状发展趋势前途分析

1 引言

长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段[1]。

光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件.它既可以作为电源,又可以作为光电检测器件.作为电源使用的光电池,主要是直接把太阳的辐射能转换为电能,称为太阳电池。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。这些年来在太阳电池及其组件的制造枝术方面有了长足的进步。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单品硅人阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。此外，还有CaAs 太阳电池、 CdTe太阳电池和CuInSe2（CIS）太阳电池等。目前国内生产的太阳电池组件年销售量为2.5-3.0MW。，单晶硅太阳电池的效率已达到12％-14％，实验室效率最高为20人草结非晶硅电池的稳定效率为5.0%-5．5%，实验室最高效率为8.35%，历年来太阳能光电系统的总安装容量在10MW[2]。

2 正文

2.1 研究现状

2.1.1 工作原理

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。

光伏发电是根据光生伏特效应原理，当P-N结受光

照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产

生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸

收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N

区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过

结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区

的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内

建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光

生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。

这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N 区，其方向与光电流相反。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率[3]。

2.1.2 太阳能电池的发展史

太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池。而太阳能电池的发展历史已经经过了160多年的漫长的发展历史。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，至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。太阳能电池材料的发展历程可以分为以下三个阶段。

第一代太阳能电池：包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，从1954年单晶硅太阳电池发明开始到现在，硅材料仍然是目前太阳能电池的主要材料，约占整个太阳能电池产量的90%。

第二化太阳能电池：是基于薄膜材料的太阳能电池，薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，是一种有效降低成本的方法，薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉及铜铟硒薄膜电池。

第三代太阳能电池：具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的特性。目前还在进行概念和简单的试验研究，已经提出的第三代太阳能电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流太阳电池等。

2.1.3 国内现状

在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动