太陽能光伏技術的原理、現(xiàn)狀及展望

陳煌林

摘要 在能源、環(huán)境問題日趨嚴重的今天，光伏技術越來越受到人們的重視，而光伏電池的研究是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵。簡述了太陽能光伏的基本原理，接著根據(jù)太陽能電池的轉換效率和生產(chǎn)成本這兩點分析了太陽能電池的分類以及各類的優(yōu)缺點，指出了太陽能電池的研究現(xiàn)狀和需要解決的問題，最后對太陽能電池的發(fā)展前景進行了展望。

[關鍵詞]可再生能源 太陽能光伏技術 轉換效率

隨著全球工業(yè)化的進程，煤炭、石油等常規(guī)能源的頻頻告急，人們將目光紛紛投向了各種可再生能源的利用上。其中，太陽能可說是取之不盡、用之不竭。因此，太陽能光伏技術極有可能成為21世紀最有發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娂夹g之一。所謂光伏，是指通過太陽能電池為媒介，將太陽光轉化為電能的過程。然而我們清晰的意識到，由于太陽能電池的生產(chǎn)工藝技術復雜、生產(chǎn)成本遠高于目前穩(wěn)定能源的市場價格，轉換效率難以突破、能耗高等難題影響了太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。因此，如何在提高轉換效率的同時降低生產(chǎn)成本已成當今世界光伏技術研究工作的重中之重，下面就目前主流太陽能電池的原理、發(fā)展相關方面進行梳理。

1 太陽能光伏的基本原理

太陽能電池一種把太陽能轉換成電能的能量轉換器，太陽能電池工作原理的基礎，是太陽能電池的光生伏打效應。太陽能電池工作原理如圖1所示。

首先，太陽能電池吸收陽光，只有當光量子能量是半導體材料的禁帶寬度E。的數(shù)倍時才會產(chǎn)生多個電子.空穴對，其間的差值則轉化為熱量。然而，在電子.空穴對產(chǎn)生的同時也發(fā)生了電子.空穴的再復合;最后，利用外加電場使電子.空穴對相互分離形成擴散電流簡而言之，主要分三個過程：太陽光吸收過程、電子.空穴對激發(fā)過程、分離光生載流子過程。

2 太陽能光伏電池分類

由于不同的材料可以吸收的太陽光源的光譜能量不同，不同種類的太陽能電池是決定能量轉換效率大小的一個重要因素。表1為目前不同材料太陽能電池的轉換效率。

由表1可知，按材料種類分，常用的太陽能電池主要有如下六類：

（a）單晶硅太陽能電池轉換效率為較高的26.7±0.5%，但由于單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝復雜，電耗很大，生產(chǎn)成本較高;

（b）多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝較簡單，生產(chǎn)能耗也較低，但其轉換率也較單晶硅的低，在實驗室里其光電轉換效率約22.3±0.4%：

（c）非晶硅太陽能電池的轉換效率為10.2±0.3%，轉換效率較低，但其有著制造成本低、能源消耗的回收期短、售價低方面的優(yōu)點;

（d）砷化鎵（GaAs）化合物太陽能電池的轉換效率高達28.8±0.9%，并且成本較晶硅電池低，也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是，GaAs材料受表面復合速度的影響強烈，目前主要用航空領域的多層太陽能電池;CIGS化合物太陽能電池的轉換效率為21.7±0.5%，與傳統(tǒng)的硅材料太陽能電池相比，制造成本低，能源回收期短，但由于銦資源十分有限，并且這些元素大都會對環(huán)境造成污染;

（e）有機半導體太陽能電池主要是并五苯和噻吩這兩大類，其轉換效率較低僅為9.7±0.3%，但具有工藝簡單、適用性強、可以直接涂刷在建筑物外表以充分利用其受光面積等優(yōu)點。

總而言之，光伏半導體是一種性能優(yōu)良的應用材料，具有廣闊的發(fā)展和應用前景，己成為當今新材料和新能源領域最富活力和生機的研究前沿之一。

3 前景與展望

從目前太陽能電池領域的發(fā)展方向來看，柔性太陽能電池將成為未來光伏領域的重要應用，這種太陽能電池可以制作在塑料基底或紡織物（如帳篷、衣服等）上。除了易于形變的特點，其生產(chǎn)工藝的溫度始終控制在120度以下，具有良好的工業(yè)生產(chǎn)遠景。

然而，我們應該清楚的認識到光伏電池技術發(fā)展的最初動力是為了緩解能源、環(huán)境的壓力，為人類幸福生活服務。因此，光伏電池的發(fā)展思路應該是可持續(xù)性的，而不是僅僅把它看作一項階段性的能源技術。如何降低能耗這也是本團隊今后的研究重點。

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