太阳能及其利用

买提肉孜·买吐逊

（和田师专学生处 新疆和田 848000）

太阳能及其利用

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本文讲述了 P-N结中光能量转换为电能量的过程，太阳能电池工作原理，不同材料的太阳能电池分类和特性以及太阳能的利用方法。

光能转换电能；太阳能电池；利用

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。目前，人类使用的最主要能源是不可再生能源，如石油、天然气、煤炭和裂变核燃料等.约占能源总消费量的90%，而可再生能源，如水力、太阳能等只占10%。从我国和世界常规能源开发利用年限对比中可预测，全世界石油储量只够开采45年，天然气约61年，煤炭230年，核燃料71年；而我国石油储量仅够开采15年，天然气约30年，煤炭81年，核燃料50年。能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。太阳能是人类取之不尽，用之不绝的可再生能源，不产生任何环境污染，是清洁能源，优越性非常突出。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用，直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括CO2的任何气体，是对环境无污染的可再生能源，这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此随着科学技术的不断进步，太阳能的利用规模将会越来越大，将成为21世纪的重要能源。

1.太阳能

太阳是距离地球最近的恒星，日地距离约1.5×108Km，太阳直径1.39×106Km，是地球的109倍，而它的体积和质量分别是地球的130万倍和33万倍。它是由炽热气体构成的一个巨大球体，中心温度大约为107K，表面温度接近5800K。主要由氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。

太阳内部处于高温，高压状态，不停地进行着热核反应，由氢聚变成氦核反应。据测算，每秒约有6×1011Kg的氢聚变成氦，净质量亏损为4×103Kg，由爱因斯坦质能方程E=M*C2，方程式中M为物质的质量，C为真空中的光速3×108m/s。在进行热核反应时生成大量的能量，1g的物质约可以转化为9×103J的能量。

巨大的能量不断从太阳向宇宙辐射，达到 3.6×1026W/s，其中约22亿分之一辐射到地球上。经过大气的反射，散射和吸收，约有70%的能量辐射到地面。尽管太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但是数量仍然是巨大的。每年辐射到地球表面的太阳能约为 1.8× 1021W*h，相当于1.3×106亿吨标准煤，是地球年消耗能量的几万倍。按照目前太阳质量损耗的速度，太阳的热核反应还可以进行6×1011年，这对于人类短暂的历史而言，太阳能是人类取之不尽，用之不绝的可再生清洁能源。

2.光能转换电能

在P-N结中光能量转换为电能量的过程包括下列基本步骤：

（1）光子被吸收，使得在P-N结的P和N两边产生电子—空穴对（图1-1）。

（2）在离开结一个扩散长度以内产生的电子和空穴通过扩散到达空间电荷区（图1-2）。

（3）这时电子—空穴对被强电场分离，因此，P侧的电子从高电位滑落至N侧，而空穴沿着相反方向移动（图1-3）。

（4）若P-N结二极管是开路的，则在结两边积累的电子和空穴产生-开路电压（图 1-4）。若有一负载连接到二极管上，在电路中将有电流传导（图1-1）。当在二极管两端发生短路时，就会形成最大电流，此称短路电流。

由光产生的负载电流与P-N结反向饱和电流的方向相同。因而，在光照下全部二极管电流可用（1-1）I=IL+I0（1-ev/VT）表示。式中IL为光产生电流，右边第二项为二极管反向电流。

对于在整个器件中为均匀吸收的情形，IL可用（1-2）IL=qGL（Ln+LP）A表示。式中GL是产生速率。以式（1-1）表示器件在不同光强下的电流—电压特性关系。（注意式中IL为零电压下的电流，也就是短路电流）

图1 -1

图1 -2

图1 -3

图1 -4

3.太阳能电池的工作原理

太阳能能量的转换方式主要分为光化学转化，太阳能光热转化和太阳能光电转化三种方式。

太阳能光电转化是指利用光电转换器件将太阳能转换成电能，最常见的是太阳能电池，又称为太阳电池或者光伏电池。主要应用于空间站，人造卫星以及遥远地区的供电，输油，输气管路的保护等方面，并且已经建成太阳能电站以并网发电。

太阳能电池的工作原理重要是半导体的光电效应（Phоtоvоltаiс Efeсt缩写PV）是l839年被发现的。由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光的能量转换成电能，此种进行能量转化的光电元件称为太阳能电池。

广义的讲，光电效应就是光照到某些物质上，引起材料中电子状态变化的现象，或者简言之光电现象。

半导体的光电效应原理由半导体的P-N结产生电流很容易理解，[1]如图1。

在P型半导体和N型半导体的连接处存在着一个由P-N结建立的内电场。太阳光照射到半导体上，当光子的能量大于半导体材料的禁带能级宽度时，光子就被材料所吸收并且在材料内部产生电子－空穴对。电子就要向N型一侧跑，空穴就要向P型一侧跑，这时在开路的电极上就能造成一个电压，在闭路时就能形成电流。太阳光不断的照射，这个电流就不断的产生。这就是一种光生伏特效应或者光转换成电的光电池。

4.不同材料的太阳能电池分类和特性及效率比较分析

从原则上讲，所有的半导体材料都有光电效应，都可以用于太阳能电池的基础材料。但是由于三方面的原因，并不是所有的半导体材料都能用于实际太阳能光电材料。一是材料物理性质的限制，如禁带宽度，载流子迁移率和光吸收系数等，使得一些材料制备的太阳能电池的理论转换效率很低，没有开发和应用价值；二是材料提纯制备困难，在目前的技术条件下，并不是所有的半导体材料都能够达到制备太阳能电池所需要的高纯度；三是对材料和电池制备的成本问题，如相关的成本过高，也就失去了开发和应用的意义。

太阳能电池要有实际应用就得要有转换效率高，面积能做的很大，价格能低到和一般发电相近，可以被人接受的程度才行。1954年Bell实验室研发出第—个太阳能电池，不过由于效率太低，造价太高，缺乏商业价值。随着航天技术的发展，使太阳能电池的作用不可替代，太阳能电池成为太空飞行器中不可取代的重要部分。1958年3月发射的美国V锄guard 1号上首次装设了太阳能电池。1958年5月苏联发射的第3颗人造卫星上也开始装设太阳能电池。到1969年美国人登陆月球，这使得太阳能电池的发展达到了第1个巅峰期。此后，几乎所有发射的人造天体上都装设太阳能电池。加世纪70年代初期，由于中东战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断，出现了“能源危机”，人们开始认识到不能长期依靠传统能源。特别是近年来地面能源面临的矿物燃料资源的减少与环境污染的问题，于是太阳能电池的应用已被提上了各国政府的议事日程。1990年以后，太阳能的发展开始与民用电相结合，“grid-соnneсted рhоtоvоltаiс s～tem”（与市电并联型太阳能电池发电系统）开始推广，太阳能池不断有新的结构与制造技术被研发出来。至今太阳能电池已经发展到了第2代。

图1-5 太阳能电池原理图

5.太阳能电池研究现状

5.1 单晶硅、多晶硅太阳电池目前研究的主要任务是在提高效率同时如何进一步降低成本，采用发射极钝化、倒金字塔表面织构化、分区掺杂、刻槽埋栅电极和双层减反射膜等技术工艺提高效率。有的采用新工艺技术研制新型结构电池，如日本Sanyo公司研制HIT电池，采用PECVD工艺在n型单晶硅片上下面沉积非晶硅层，构成异质结电池，大面积效率21%。[1]目前，晶体硅太阳电池向薄片化方向发展，通过制备条带状硅提高材料利用率，在商业生产上普遍采用限边喂膜生长法，枝蔓蹼状法等带硅技术降低生产成本。从效率和材料来源考虑，太阳电池今后发展重点仍然是硅太阳电池。

5.2 多晶硅薄膜电池既有晶硅电池高效、稳定、资源丰富、无毒的优势，又具有薄膜电池低成本优点，成本远低于单晶硅电池，成为国际上研究开发热点，国外发展比较迅速，在未来地面应用方面将是发展方向有在玻璃、（SiO2 和SiN包覆的）陶瓷、（SiC包覆的）石墨等廉价衬底上采用PECVD、RTCVD生长多晶硅薄膜电池，还有通过激光刻槽和化学电镀实现接触、互联和集成的叠层多晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜电池研究工作主要在提高效率和稳定性方面。优化电池结构设计，采用多带隙多pin结叠层电池，减薄各pin结的i层厚度，增强内建电场，降低光诱导衰减，可提高效率和稳定性。非晶硅薄膜电池质量轻、成本低，有极大发展潜力，如果效率和稳定性方面进一步提高，将是太阳电池主要发展产品。我国研制的1cm2与30×30cm2单结电池实验室初始效率分别为11.4%与6.2%。目前研究任务是提高大面积非晶硅电池稳定效率，稳定效率7-8%，寿命20年，尽快为产业化服务。我国硅基薄膜太阳电池研究水平和产业化进程与国际水平相差较大，还处于实验阶段。

5.3 CIS，CIGS，CdTe电池被认为未来实现低于1美元/峰瓦成本目标的典型薄膜电池CIGS电池在实现产量时制造成本比硅电池更低，如生产工艺发展成熟，产业化问题得以解决，与硅电池相比有很强竞争优势，是一种很有发展前途薄膜太阳电池。目前研究重点是进一步提高效率，降低成本，使之大规模产业化。我国对CIS，CIGS，CdTe、DSC太阳电池重点研究新工艺，新结构，提高大面积组件效率，建设中试线。我国对DSC太阳电池研究与国际同步。DSC电池由于液体电解质存在，这种电池稳定性还存在问题，引入固态电解质解决稳定性问题是这种电池重要研究方向。但全固态电解质纳米太阳电池效率不理想，仍需进一步深入研究。[9]

6.太阳能的利用

人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究，正在取得显著的进展。目前，利用太阳能主要是通过光热转换、光电转换、光化学转换3种途径。具体的应用有3个方面，即：太阳能采暖、太阳热发电和太阳光发电。

6.1 太阳能采暖。收集太阳能并高效地转换为热能用的装置，我们统称为集热器。它的基本工作原理是“热箱原理”，箱体的内表肉涂黑，侧面及其底部由良好的隔热材料密封，顶部山透明玻璃盖严。太阳光透过玻璃射人箱内，涂黑的内表面吸收太阳辐射能。的将其转变为热能。由于玻离对箱内产生的长波热与辐射有阻挡作用，故使箱内温度不断升高。用这种原理所达到的温度不太高，通常在200℃以下。比较常见的热利用设备如太阳能温室、四季太阳能热水器、太阳能蒸馏器等都是利用此工作原理。

然而，由于太阳能的分散性和问歇性，给实际利用带来困难。若要满足能量供给需要，必须解决储能的问题。在日照变化很大，蓄热器容量有限的情况下，辅助加热系统必不可少。所以太阳采暖系统由集热器、供热器、辅助热源、热负荷组成，其中集热器是最主要的部分。

6.2 太阳热发电。太阳热发电即太阳热力发电。通常说的太阳能电站指的就是太阳能热电站，它的能量交换过程是利用集热器和吸热器把分散的太阳辐射能会聚成集中的热能，经热交换器和汽轮发电机把热能变成机械能再变成电能。目前已建立或正在研究的太阳能电站主要有聚光式太阳能电站和太阳池发电站两种类型。太阳能电站的独特之处还在于电站内没有热储存器，可以常年不断发电，即使在夜晚和冬季也照常可以使用。

3.太阳光发电。太阳光发电在太阳能发电中占有特别重要的地位。太阳光发电是通过太阳电池接将太阳光转换成电能的。由于光照而产生电动势的现象，称为光生伏打效应，简称光伏效应。太阳能电池是1954年美国贝尔实验室发明的，它利用了光照射到半导体的PN结上时产生的光伏效应。太阳能电池发明后，1958年美国就把它用到美国的第一颗“先锋l号”卫星上作为通信电源。我国也在1958年开始了太阳能电池的研究，并于1971年将研制的太阳能电池用在我国发射的第二颗卫星上，这颗卫星在太空中正常运行了8年多。据统计，世界上90%的人造卫星和宇宙飞船都采用了太阳能电池供电。现在的问题是光电转换效率还比较低，大约为 10%，比较高的能到12%。虽然太阳能电池效率较低，然而和其他能源相比，具有可靠性好，使用寿命长，没有转动部件，使用维护方便等特点，所以得到比较广泛的应用。

4.太阳能的利用情况。太阳能利用以光热为主，我国太阳能热水器的产量达到400万平方米，全国安装保有量大概1400万平方米，占世界第一位，热利用还是相当不错的。太阳能电池的产量为2兆瓦左右，约占世界产量的1.3%，在国际上发展还是比较快的。

日本计划在2020年将此技术投入商业应用。这是一个相当宏伟的计划，如果真能建成这种太空电站，会给整个能源领域带来革命。

[1]康华光等.电子技术基础[M].高等教育出版社，2001.

[2]陈勇.新世纪科学技术发展与展望[M].中国人事出版社，2002.

[3]（美）爱德华.S.杨.半导体器件基础[M].人民教育出版社，1983.

[4]薛荣坚.光电效应与太阳能电池[J].物理教学，2001（7）.

[5]程雅丽.独立光伏发电系统优化设计[J].天津大学硕士学位论文，2003.

买提肉孜·买吐逊（1981-），男，维吾尔族，新疆于田人，助教，和田师专学生处学生科副科长。

2010-08-17