太阳能电池工作原理和应用发展趋势

随着全球一次性能源紧缺的趋势越来越严峻，开发和利用清洁能源以及二次能源已经成为世界各行业研究的重点课题。太阳能电池是可以将光能转化为电能的一种装置，在目前温室效应愈演愈烈的环境下可以为资源进行一定数量的补充，文章将会对太阳能电池的应用以及发展趋势做出分析，为我国电力资源的供应奠定良好的基础。

太阳能电池工作原理

太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。

当光照射到pn结上时，产生电子--空穴对，在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。

当把能量加到纯硅中时(比如以热的形式)，它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。将纯硅与磷原子混合起来，只需很少的能量即可使磷原子(最外层五个电子)的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型(“n”表示负电)，太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。P型硅中没有自由电子

太阳能电池的应用及发展趋势

能源数量消耗的增加必然会出现一种新的技术为其减轻压力，我国传统的火力发电技术十分完善，但是随着社会电力资源需求的不断增加，煤炭等可燃烧的资源已经濒临殆尽，而且很多石油资源携带着一定含量的二氧化硫和氮系化合物，会在没有过滤和净化措施的前提下对大气和环境产生大量污染。在面对资源枯竭危机以及环境污染的前提下，各国的创新技术研究部门都在积极地开展可再生能源利用装置的实验工作，为社会活动和生产生活提供足够的电力资源。

一、太阳能电池的应用

太阳能电池最开始的应用领域是空间站的能源供应，在上个世纪光伏发电被很多人重视，太阳能电池的开发和研究都是在这个时期得到有效的发展的，特别是在十九世纪末期出现石油危机之后，有更多的科研部门加紧了针对太阳能电池的研发进程。太阳能电池根据制作材料的不同分为了化合物太阳能电池、硅太阳能电池、有机薄膜太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等种类，其中硅太阳能电池被应用的范围非常广泛，因此又被细化分为了多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池。在对电力企业进行基本的调查之后可以得知，太阳能电池已经被广泛的应用在了并网发电、离网发电以及相关的商业电力领域。每一种太阳能电池对于光的转化率是不同的，其中单晶硅太阳能电池的光电转化率为百分之二十，而非晶硅的太阳能电池只有百分之五左右，但是由于成本以及市场需求等原因，处于中等转化水平的多晶硅太阳能电池被应用的范围最广，成为了光伏市场中较为抢手的主导产品。总体来说，目前最适合太阳能电池的材料是硅，但是如果仅仅使用硅作为原料会让太阳能电池的成本无限提高，因此人们会尝试使用很多的化合物来代替硅元素，其中有着钙系的半导体材料、砷化镓化合物材料以及铜铟硒薄膜材料等等，还有一些太阳能电池厂家会将两个独立的电池叠加在一起，获取更好的光电转化效率。

太阳能电池的具体可以用在高原或者边境区域的特种发电系统中，让边远地区的军民也可以在生活和工作有着充足的电力资源使用，另外现在城市中很多小区的建筑楼顶也设立了太阳能电池装置，为其中居住的人们提供光热转化的效果。我国城市中的交通和基础设施建设也应用到了太阳能电池板，例如路灯和交通岗的信号灯都是由其附带的太阳能电池板供应电量的。除了生活中常见的设施，海洋、气象、石油等领域也常常会应用太阳能电池，很多地区的水文和气象观察以及检测设备都是由太阳能供电的，同时我国在各个省份和地区都设立了光伏电站，可以将太阳能、风能、石油能源互相补充，协调产生电力资源。还有一些汽车厂家也会将太阳能电池与汽车的动力系统和充电设备相匹配，形成太阳能电动车或者是太阳能式充电汽车，车内的空调、换气扇以及车载冰箱的电能都可以用太阳能电池供电。我国目前新研发了一种将太阳能制成的氢加燃料电池，可以为海水转化淡水的过程提供电量，另外在航天、卫星以及空间站中也有应用。

二、太阳能电池的发展趋势

至今，国际上的太阳能电池已经发展到了第2代。第1代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅2种，工化产品效率一般为百分之十五以内，目前可工业化生产可获得利润的太阳能电池就是指第1代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生成本较高。第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池，其成本低于第1代，可大幅度增加电池板制造面积，但是效率不如第1代。国际国内市场正在火热进行第2代产品的投资。在将来的第3代太阳能电池应该具有上两代的综合特征：为薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括，叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。从表1中列出的实用化太阳能电池产品中可以大体看出，单晶硅、多晶硅技术成熟、光电效率转化效率高，但由于成本高，人们致力于价格低廉的多晶硅、非晶硅薄膜电池的开发以及砷化镓等Ⅲ一V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等其他材料太阳能电池的开发。从技术成本上看，有希望发展成与单晶硅、多晶硅太阳能电池相抗衡的是没有污染、价格低廉、稳定性好的多晶硅薄膜电池和没有光电效率衰退效应、转换率较高、稳定性好、工艺简单的CIS电池。

国际上在目前对太阳能电池材料硅化物的综合利用主要有两个发展趋势，一方面是以四氯化硅为原料生产其它化工产品如白碳黑、有机硅、硅酸乙酯、光纤预制棒等;另一方向是氢化还原为三氯化硅对四氯化硅进行循环利用。太阳能电池的主要组成部件多晶硅的生产提纯过程耗电量非常大，加上其他部件生成过程的能耗，其生产过程超过了现有社会条件所能接受的范围。因此，降低精馏提纯三氯氢硅过程的能耗对提高中国企业竞争力具有重要意义。

三、太阳能电池发展中遇到的问题

2010年，我国太阳能电池产量达八千兆瓦，该规模已经达到全球的一半。但是国内市场的需求却仅仅四百兆瓦，占全球比例的百分之五，出口比例高达9百分之九十五。因此，我国太阳能光伏产业在高速发展的同时，还面临着日益严峻的贸易摩擦。以德国光伏公司为首的七家企业联合向美国政府递交了对中国出口到美国的太阳能电池进行反倾销和反补贴调查申请，而美国商务部也启动了立案调查。之后，美国国际贸易委员会针对美对华“双反”做出初裁，认定中国出口的太阳能电池及其组件价格低于合理价值，并得到中国政府的补贴，对美国的光伏产业是一种损害。

结束语：

综上所述，为了降低环境污染以及能源消耗的危机，各个国家和行业都在开展太阳能电池的开发和研制工作，其中以硅基太阳能电池为主，但是也有很多的材料可以将其高昂的价格进行取代，因此研究部门应当加强太阳能电池材料的研究工作，为降低我国能源消耗数量做出贡献。