對太陽能電池板的原理分析和應(yīng)用展望

周樂+周捷

摘 要：全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，能源需求日趨增長，從當(dāng)前來看，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)面臨著廣闊的發(fā)展空間。本文首先闡述了太陽能電池板的工作原理、特性以及分類，不僅有助于更多的人對太陽能電池板形成更深刻的認(rèn)識，而且還對其生產(chǎn)和應(yīng)用有全新的展望。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏效應(yīng)；特性分類；應(yīng)用展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.259

1 概述

在全球經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)飛速提升的影響下，整個社會對能源的需求量也在連年上升。盡管在未來一段時間之內(nèi)礦物燃料仍然不可能退出能源市場，但是人們已經(jīng)開始關(guān)注再生資源的開發(fā)和利用，并且當(dāng)前已經(jīng)針對太陽能、核能、地?zé)崮芤约帮L(fēng)能等資源的開發(fā)和利用展開了一系列的探索活動，再生資源在世界能源結(jié)構(gòu)中所占比例不斷增加。太陽能比其他新能源成本低，而且具有綠色無污染的優(yōu)勢，因此是一種非常理想的新能源。

隨著新世紀(jì)的到來，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很快，太陽能以可以儲存的形式出現(xiàn)，極大地滿足了人們的生活需求，陸續(xù)出現(xiàn)了太陽能熱水器、太陽能路燈、太陽能地暖等。

Dataquest的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究太陽能電池應(yīng)用的國家已經(jīng)達(dá)到136個，而且有將近一百個國家正在從事大規(guī)模太陽能電池的研發(fā)工作。太陽能電池板正作為一門新興產(chǎn)業(yè)，正在高速發(fā)展。

2 太陽能電池板的工作原理

太陽能光伏電池是一種可以轉(zhuǎn)化太陽能為電能的特殊裝置，該裝置利用了光伏效應(yīng)原理。所謂光伏效應(yīng)全稱叫做半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，一旦光線照射物體，物體內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)就會發(fā)生變化，進(jìn)而有電流出現(xiàn)。

太陽能光伏電池表面覆蓋一層半導(dǎo)體薄片，這種薄片與金屬薄膜極為相似。一旦陽光照射到半導(dǎo)體薄片，很大一部分太陽光就會被半導(dǎo)體所吸收。被半導(dǎo)體吸收的太陽光會轉(zhuǎn)化為兩種形式：一是轉(zhuǎn)化為熱能；二是產(chǎn)生空穴對。生成于PN結(jié)附近的載流子進(jìn)入空間電荷區(qū)，在內(nèi)部電場的作用下，電子流與空穴流分別進(jìn)入N區(qū)和P區(qū)，導(dǎo)致N區(qū)與P區(qū)分別儲存了過剩的電子和空穴，二者在P—N結(jié)附近形成光生電場（不同于勢壘方向）。光生電場不僅使勢壘電場減弱，而且還使P區(qū)和N區(qū)分別帶上正電和負(fù)點(diǎn)，如此一來，電動勢出現(xiàn)。

如果將金屬引線焊接在P型層和N型層，一旦負(fù)載接通，就會有電流在外電路通過。將多個電池原件分別以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接在一起，就會形成滿足人們需要的電壓和電流，太陽能便被轉(zhuǎn)變成光能。除此之外，接受陽光照射的那一面覆蓋一層氧化硅膜，它的作用在于降低陽光的反射作用，增加太陽能電池對陽光的吸收。

3 太陽能電池板基本特征及類型劃分

根據(jù)結(jié)晶狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)可以將太陽能電池劃分為兩大類，一類為結(jié)晶系薄膜式，另一類為非結(jié)晶系薄膜式，前一類包括單結(jié)晶形和多結(jié)晶形兩種。按照制作材料的標(biāo)準(zhǔn)可以將太陽能電池劃分為五種類型：一是硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率最高的當(dāng)屬單晶硅太陽能電池，而且技術(shù)水平最高；二是利用包括砷化鎵III-V化合物在內(nèi)的無機(jī)鹽、錫銦銅以及硫化鎘等材料制作而成的太陽能電池；三是由有機(jī)半導(dǎo)體制作而成的太陽能電池；四是納米晶太陽能電池等。單晶硅電池主要包括刻槽埋柵電極單晶硅電池以及平面單晶硅電池兩種，電池轉(zhuǎn)化效率一般都在20%以上。與單晶硅電池相比，多晶硅電池中硅的含量較少，轉(zhuǎn)換效率不會出現(xiàn)明顯下降，電池成本也偏低，最重要的是，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率比非晶硅薄膜電池要高，一般約為12%。盡管與結(jié)晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率相比，非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率處于較低水平，可是這種電池的成本不高，因此它同樣有很大的發(fā)展優(yōu)勢，也因此受到人們的歡迎。

太陽能光伏電池的工作原理是借助于特殊的裝置轉(zhuǎn)化太陽能為光能，所以陽光強(qiáng)度、照射時間以及電池溫度等因素都會對太陽能電池的特性產(chǎn)生影響。太陽能電池特性與影響因素之間的關(guān)系：一是日照強(qiáng)度因素與太陽能電池的短路電流之間呈正相關(guān)性；二是電池片表面溫度與太陽能電池的輸出電量之間呈正相關(guān)性，溫度越高，電量輸出越低。當(dāng)日照強(qiáng)度一定時，冬季電量輸出會高于夏天。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能電池的穩(wěn)定性大大提高，電池的轉(zhuǎn)化效率也有了明顯改善，有助于推廣太陽能在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用。

4 太陽能電池板的應(yīng)用及展望

隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽能電池由原有的航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到社會其他很多領(lǐng)域，如通信領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、公共設(shè)施領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等。從上世紀(jì)90年代起，全世界太陽能電池行業(yè)連年增長，而且增長幅度達(dá)到15%，生產(chǎn)光電池或相關(guān)產(chǎn)品的企業(yè)約為4600家。

我國人口數(shù)量很多，人均能源占有量很少，因此我國必然要積極尋找可再生資源，而太陽能電池發(fā)電技術(shù)便是我國發(fā)展可再生資源做出的探索之一。與世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展相比，我國處于落后地位，不僅生產(chǎn)規(guī)模有限，技術(shù)水平也不高，生產(chǎn)原料的質(zhì)量以及種類與發(fā)達(dá)國家的差距比較大。國家已經(jīng)考慮將光伏產(chǎn)業(yè)納入“863”計(jì)劃扶持項(xiàng)目，一方面要盡量減少太陽能發(fā)電成本，另一方面要設(shè)法改善發(fā)電質(zhì)量。據(jù)權(quán)威人士介紹，我國太陽能光伏電池生產(chǎn)總量在未來3年至5年之內(nèi)會上升為15至20兆瓦。

太陽能電池市場一定會在未來有更大的發(fā)展，很多國家都在積極投身于太陽能電池的研發(fā)工作，其產(chǎn)量和性能指標(biāo)都將飛速提高；從另一角度來分析，要設(shè)法增加應(yīng)用市場，我國為發(fā)展太陽能行業(yè)提供了大量的財(cái)政支持，在很大程度上促進(jìn)了太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，太陽能電池板的生產(chǎn)和應(yīng)用將進(jìn)入嶄新的歷史階段。

作者簡介：周樂（1981-），講師，從事電工電子、機(jī)電一體化專業(yè)的一體化教學(xué)。