太阳能电池的研究现状及发展前景

太阳能电池的研究现状及发展前景
摘要：传统能源的耗尽和环境污染问题日益严重已经成为当今世界各国面临的共同问题。

同时具有清洁可再生、优势的太阳能电池已经越来越受到人们的关注。

本文综述了太阳能电池的发电原理、种类，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。

关键词：太阳能电池研究现状发展趋势
前言
太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的新能源，与煤、石油等传统矿物燃料相比较，太阳能具有清洁和可再生等独特优点。

将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径有很多，有光热电间接转换和光电直接转换，前者主要有太能能热水器等，后者主要指太阳能电池。

本文主要综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。

1 太阳能电池的原理
太阳能电池发电主要是由于光生伏特效应即光伏效应。

光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。

有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

（一）光生伏特效应
如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够
能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。

电子向带正电的n区和空穴向带负电的p区运动。

通过界面层的电荷分离，将在p区和n区之间产生一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6v。

通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，电流越大。

界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

（二）p-n结的形成
同质结可用一块半导体经掺杂形成p区和n区。

由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子na-和施主离子nd+。

在pn区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。

设想在结形成的一瞬间，在n区的电子为多子，在p区的电子为少子，使电子由n区流入p区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是n区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的离子nd+形成正的空间电荷。

同样，空穴由p区扩散到n区后，由不能运动的受主离子na-形成负的空间电荷。

在p区与n区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。

（三）发电原理
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能
发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。

太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

2 太阳能电池实现过程
太阳能电池将阳光转换为直流电流，在大部分情况下，我们用电设备用的都是交流电流。

所以可以利用逆变器或者不间断电源将该直流电流转化为交流电，规格为220v/50hz。

这样电流就可以直接被用电设备使用了。

3 太阳能电池的产业瓶颈以及解决途径
目前世界太阳能电池产业已经出具规模，1995年到2004年的十年内平均年增长率达到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，因此必须努力降低成本，提高效率。

在太阳能电池组件提高转换效率方面，对能量损失进行分析发现太阳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，理论预测，其转换效率可达到40%以上。

太阳能电池要想实现更广泛的普及，首先，要减少材料损耗；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。

4 结束语
本文简单介绍了一下太阳能电池的发电原理以及太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展趋势。

太阳能电池
产业的持续发展有赖于进一步提高转换效率并减少生产成本，这是摆在我们面前的进一步目标和任务。

展望二十一世纪，世界太阳能电池市场必将继续迅猛发展。

参考文献：
[1] 郭浩丁丽刘向阳太阳能电池的研究现状及发展趋势许昌学院报第25卷第2期 2006年3月
[2] 周翘宇于洪利太阳能电池的种类及研究现状中国科技成果 2006年第10期
[3] 林红，李鑫，刘忆翥，李建保太阳能电池发展的新概念和新方向稀有金属材料与工程 2009年12月
作者简介：徐培杰（1984～），男，浙江桐乡，控制理论与控制工程硕士，研究方向：模式识别，生物信息学。