浅析太阳能电池在可再生新能源中重要地位

摘要：简单介绍太阳能电池原理及种类；从当前技术角度分析太阳能电池进一步推广应用的可行性；分析太阳能电池相较其他可再生新能源的优势

关键词：太阳能电池原理种类优势

在人类发展历史上，能源资源使用经历了三个发展时期：薪柴时代、煤炭时代和石油时代。人类进入二十一世纪后，生产力水平得到空前的发展。伴随着这一发展，能源危机逐步显现。以石油、煤炭等为代表的传统能源已经明显不能够满足人类发展需要。

首先，传统能源即将耗竭。据14届世界石油大会估计，全球常规石油可采量为3 113亿吨；到20世纪末已开采石油1 016亿吨；按2O世纪90年代的开采速度估计，已探明可采石油只能开采40多年。【1】

其次，过度使用传统能源带来的环境问题逐渐凸显。大量燃烧化石能源释放二氧化碳，造成地球温度升高，海平面上升；化石能源燃烧不充分，形成酸雨……由此可见，寻求新的可再生替代能源已经迫在眉睫。

近几十年来，针对各种可再生新能源的探索蓬勃发展，主要可再生新能源包括：风能、太阳能、潮汐能、地热能等。

本文将简单介绍太阳能电池发展现状，并分析在新能源技术中太阳能电池技术的重要意义。

一、太阳能电池技术简述：

自从太阳能电池原理提出以来，经过几十年的不懈发展，太阳能电池技术已经发展成为一项比较成熟，可以付诸于大规模应用的技术。

接下来，本文将简单介绍太阳能电池工作原理和目前发展状况，从技术角度分析太阳能电池作为未来重要可再生能源应用的可行性。

工作原理：

太阳能电池的工作原理为光伏效应：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。首先，由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的；之后，形成电压，构成电流回路。

太阳能电池种类：

经过几十年的大力发展，太阳能电池已经发展为一个种类丰富的体系。主要包括硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池和有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的, 在应用中居主导地位。它们各自有相应的特点，现分析如下：

单晶硅太阳能电池：是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在, 单晶硅的电池工艺一般都采用表面结构化、发射区钝化、分区掺杂等技术, 开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。光电的转化效率主要取决于单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在所有种类的太阳能电池中，它的转化效率最高，也是目前市场上的主导太阳能电池。但是耗费材料，生产成本较高，从长远角度考虑，一定会被取代。

多晶硅薄膜太阳能电池：采用再结晶技术，大量节省高质量材料，降低成本。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。

非晶体硅薄膜太阳能电池：由于具有成本低、重量轻、转换效率较高和便于大

规模生产等而有极大的发展潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应、稳定性不高、直接影响了它的实际应用。

资料来源：太阳能电池技术进展与趋势.秦易.科技创新导报.2011(18)

二、太阳能电池的发展优势：

1、能量来源无穷无尽：

太阳能电池利用太阳能来发电。太阳能作为可再生能源不仅储量大，而且属于清洁能源。太阳能是一种即时性的辐射能，其强度随季节和时间的变化而变化，这种特性给直接使用太阳能带来了不便。而太阳能电池可以将太阳能转变成电能，将其储存起来供用户使用，克服了太阳能在时间分布上的不均匀性。

太阳能在地球上的分布十分丰富。以我国为例：

年日照时间超过2200h，太能能年辐射总量高于5016MJ/m2的地区，占我国面

积2/3以上；其他地区虽然太阳能资源较差，但也都有一定的开发利用的价值。【3】太阳能资源分布

资料来源：太阳能电池技术应用与发展.船电技术.2010（30）

Ⅰ资源丰富带6700MJ(m2.a)*

Ⅱ资源较富带5400-6700MJ/(m2.a)

Ⅲ资源一般带4200-5400MJ/(m2.a)

Ⅳ资源贫乏带<4200MJ/(m2.a)

*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.年).

由上图可以看到，就我国而言，太阳能电池的使用范围非常的广阔，几乎覆盖全境。相比之下，其他几种新型可再生能源对地形、环境、天气状况等要求更高。如：

风能发电必须使用在多风的高原地区使用，而在广大的东北、中原、东南不适用；

潮汐能只可以在沿海部分使用；

地热能必须在有丰富地热资源的地区使用……

由此可见，太阳能电池无穷无尽的能量来源和广阔的使用范围，使它比其它新型可再生能源更具有优势。

2、自身器件磨损少，无需替换：

太阳能电池的核心部件是半导体晶片，其少磨损的特点与半导体晶片的工作原理密切相关，现以PN结型为例进行分析。

P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P 区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流，然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

由上述分析可知，在产生电能的过程中，P、N型半导体并没有产生物理

磨损或者化学反应；只是电子、空穴的分布发生了可逆的变化。

整体而言，太阳能电池的寿命很长，可以达到20~30年的时间。【3】：《太阳能蓄电池循环再利用最新动态及今后课题》，日本太阳能发电协会，2007年10月

3、系统为组件，可以方便地在任何地方快

速组装使用：

太阳能电池的结构图如右所示。

由图可见，太阳能电池由组件组成，

可以方便地大规模批量生产、随时随地在

任何地方组装。使用非常方便。相比其他

形式可再生新能源，这是很大的优势。

以潮汐能为例：目前成熟的潮汐能发

电形式为水库式，需要在海湾或海潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾或河口与外海隔开围成水库，并安装机组进行发电。

而风能发电机组由于依靠机械方式进行能量转换，所以结构复杂：风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成；风力发电机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成。而且一旦安装完毕，拆卸、搬运、再安装都比较麻烦。

4、无噪声、无有害排放、对环境无污染，可回收利用：

太阳能电池在使用过程中对环境友好，无噪声、无污染，而且废旧的太阳能电池可以回收利用，材料重复使用率很高。

以日本太阳能电池使用情况为例：

太阳能电池的使用者通过制造商或专门的电池分解企业可将其多次分解，各环节都会产生可再次利用的设备或资源，最后将无法再次利用的物质作为垃圾处理。太阳能电池各部分分解提炼后各项资源的重量比大概为：玻璃