太陽能光伏技術的原理、現狀及展望

陳煌林

摘要 在能源、環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業發展的關鍵。簡述了太陽能光伏的基本原理，接著根據太陽能電池的轉換效率和生產成本這兩點分析了太陽能電池的分類以及各類的優缺點，指出了太陽能電池的研究現狀和需要解決的問題，最后對太陽能電池的發展前景進行了展望。

[關鍵詞]可再生能源 太陽能光伏技術 轉換效率

隨著全球工業化的進程，煤炭、石油等常規能源的頻頻告急，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世紀最有發展潛力的光電技術之一。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工藝技術復雜、生產成本遠高于目前穩定能源的市場價格，轉換效率難以突破、能耗高等難題影響了太陽能發電產業的進一步發展。因此，如何在提高轉換效率的同時降低生產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。的數倍時才會產生多個電子.空穴對，其間的差值則轉化為熱量。然而，在電子.空穴對產生的同時也發生了電子.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工藝復雜，電耗很大，生產成本較高;

（b）多晶硅太陽能電池的生產工藝較簡單，生產能耗也較低，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，也易于大規模生產，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點。

總而言之，光伏半導體是一種性能優良的應用材料，具有廣闊的發展和應用前景，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，其生產工藝的溫度始終控制在120度以下，具有良好的工業生產遠景。

然而，我們應該清楚的認識到光伏電池技術發展的最初動力是為了緩解能源、環境的壓力，為人類幸福生活服務。因此，光伏電池的發展思路應該是可持續性的，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。

參考文獻

[1]王長責[等]編著，太陽能光伏發電實用技術[M].化學工業出版社，2010.

[2]趙爭鳴[等]編著，太陽能光伏發電及其應用[M].科學出版社，2005.

[3]林明獻，太陽能電池新技術[M].科學出版社，2012.

[4]沈文忠主編.太陽能光伏技術與應用[M]，上海：上海交通大學出版社，2013.

[5]張紅梅，崔曉華.太陽能光伏電池及其應用[M].北京：科學出版社，2 018.

[6]Green M A，Hishikawa Y，Ewan D，etal. Solar cell efficiency tables（version 51）[J]. Progress inPhotovoltaics Research&Applications;，2018，26（01）：905-913.

[7]趙聰，馬穎，汪洋，周雪，李會增，李明珠，宋延林，光子晶體太陽能電池研究進展[J]，化學學報，2018，76 （01）： 9-21.

[8]曾喆方竹，鐘春良，隆雪燕，佘宏偉，楊迪武，溫度對a-Si： H/c-Si異質結太陽能電池光伏特性的影響[J].湖南工業大學學報，2018 （02）：1—6

[9]鄭睿明，劉曉霖，林佳，鈣鈦礦太陽能電池發展現狀及展望[J].應用能源技術，2018（01）：22-27.

[10]韓苗苗，銅基薄膜太陽能電池材料缺陷和光電性質的理論研究[D].中國科學技術大學，2017.

[11]李昂，有機太陽能電池材料研究新進展[J].電子世界，2018 （06）：172 -173.

[12]Green M A.Third generationphotovoltaics： advanced solar energyconversion[M]. Springer， 2003.