太阳能的工作原理及其应有前景

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1、太阳能电池的工作原理及其应用前景太阳能电池的工作原理及其应用前景摘要：摘要：能源是人类赖以生存和发展的物质基础。近几十年来，能源问题一直是 举世瞩目的重大问题之一。从长远来看，目前储备有限的常规能源毫无疑问会 日趋衰竭。人类为了生活和可持续发展，必须寻找可以代替常规能源的子新能 源。太阳能就是可以选择的目标之一。因此对太阳能的开发和利用具有长远意 义和战略意义。故太阳能电池的制造，改进和研发是关系到人类发展，能源转 型的大问题。这标志着太阳能电池将会有广阔的应用前景。太阳能能电池片的 工作原理就是一个利用有效光子能量不断激发载流子，维持 P，N 节的电势差， 外接电路后，可以做为电源供电 。关

2、键字：关键字：太阳能电池 常规能源 新能源 应用前景一、能源的定义和分类一、能源的定义和分类【1】【1】能量指物体能够做功的能力，它是考察物质运动状态的物理量，如物体运 动的机械能（动能和势能） 、分子运动的热能、电子运动的电能、原子振动的电 磁辐射能、物质结构改变而释放的化学能粒子相互作用而释放的核能。而 能源最初是指能量的来源；现在“能源”指的是能量的资源，即直接取得有效 能或通过转换而取得有效能的各种资源，或者说是产生能量的物质。笼统的说， 人和物资都可以转化为能量，但转化的数量及转化的难易程度有很大差别。一 般而言，把较为集中、较容易转化并且具有某种形式的自然资源以及有他们加 工或转换

3、的得到的产品统称为能源。 在能量的获取、开发、利用等过程中，为了表达的需要，可以根据其形成 条件、使用性能、利用状况等进行分类。 按照成因这种分类，可以吧能源分为一次能源和二次能源，亦可称为天然 能源和人工能源。通常把以现成的形式存在于自然界的能源成为一次能源，如： 天然气、原油、无烟煤、太阳能等。而把需要依靠其他形式能源来制取转换和 产生的能源称为二次能源，如：煤气、汽油、火药、沼气、氢能、激光等。 按能源来源方式可把能源分为三类。第一类能源：来自地球以外；第二类 能源：来自地球内部；第三类能源：来自地球与其他天体的相互作用。 根据可再生性分类。可再生能源为非耗竭型能源，这种能源不会随其本身

4、 的转化活人类的使用而日益减少，他们可以源源不断地从自然界中得到补充。 非再生性能源一般是指经过漫长的地质年形成的能源，它会随着人类的利用而 日趋减少，以至枯竭。 根据利用技术状况分类，可把能源分为常规能源和新能源。常规能源是指 目前人类已经熟练的使用了很多年并且得到了广泛的应用的能源，如石油、煤 天然气等，他们的工业化程度相当高，在耗能总量中占绝对优势和份额。新能 源是指人类新近正在研究和开发的能源、刚开始推广的能源，或者有一定数量 利用量但工业化技术不够成熟、工业化生产和利用程度有限的能源。所谓新能 源是相对而言。现在的常规能源曾经是过去的新能源，今天的新能源通过人类 的努力之后将成为常规

5、能源。例如核电技术已经成熟，很多国家已经把他作为常规能源。 二、太阳能电池的工作原理二、太阳能电池的工作原理光伏发电是利用半导体 pn 结（pn junction）的光生伏特效应 而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件 （module），再配合上 功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电 的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地 ;光伏系统还具有安全可靠、 无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设 输电线路即可就地发电供电及建设 同期短的优点。 光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当 P

6、-N 结受光照时，样品对光子的本 征吸收和非本征吸收都将产生 光生载流子 。但能引起光伏效应的只能是本 征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴， N 区产生的光生电 子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P 区的光生电子和 N 区的光生 空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下 漂移过结。光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区，即电子空穴对被 内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近 有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N 结的内建电场方向相反的光 生电场，其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量

7、即光生电势 差，P 端正，N 端负。于是有结电流由 P 区流向 N 区，其方向与 光电流相反。 如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通 负载，则外电路便有 电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生 一定的电压和电流，输出功率。 三、太阳能电池的应用前景三、太阳能电池的应用前景长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳 能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球 所需总能量的 3-4 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜 和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来

8、比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也 不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应“和 全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多 国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳 能利用的应用领域。特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态 环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。 从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些 领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。 在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内

9、在 集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业 之一。1998 年销售总额达到了 35 亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能 产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入 2.5 亿 元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范 工程。目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太 阳能电池生产基地，该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体，一期工程完成后可达到年产 3 兆瓦多晶硅太阳能电池的能力，填补了我国在太阳能开 发应用方面多项空白，并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。 但从整体上分析，

10、国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电 池的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品 单一、技术落后的初级阶段。经粗略统计表明，国内目前仅建有 5 个（单晶硅） 太阳能电池生产厂，年产量约有 4.5 兆瓦（注：1 兆瓦（MW）为 1000 千瓦）， 工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。而国外不少企业已把眼光瞄准更为先 进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。这种新一代的先进的薄膜晶体太阳 能电池其转换效率可高达 18.3，比目前平均转换效率提高了 3 个百分点。据 业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国 产化程度低，如封装玻璃就

11、完全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场 仍不能满足需求，科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。 四、研究热点、难点、瓶颈 随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新。新的概念已经 开始在光伏技术中显现，从某种意义上讲，预示着光伏技术的发展趋势。光伏 器件日趋薄层化、柔性化、叠层化。薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带 来好处，同时也使器件的制备更为简便；柔性化使光伏器件更加方便实用，从 根本上解决了器件的便携问题；叠层化提高了器件整体上的光能转换效率。 根据光伏电池发电成本测算，目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规 电源的 10 倍，且中短期内这一成本无法得到有效的下降，根据

12、 IEA 和 EPIA 的 研究，2020 年前光伏发电成本的下降主要源于产业政策补贴和规模化， 20202040 年间通过技术进步和光伏利用效率的提升，才能与常规电源的峰值 成本接轨，而要真正达到取代常规电源的成本，预计在 2050 年左右才有可能。 硅作为半导体产业的重要原料，如今己集中运用到光伏产业中，太阳能级晶体 硅发展的历史可谓复杂而曲折。 综上所述，我们认为，多晶硅成为整个光伏产业链的瓶颈，其根源在于光 伏技术的局限性，晶体硅尽管仍是光伏电池的绝对主流，但技术发展往往会促 进这种格局的改变，薄膜电池作为替代性和互补性的产品能否成为另一支主流 力量，仍然依赖于技术与规模经济，但可以确定的是，初生的光伏产业必将经 历技术结构调整引导产业结构。参考文献：参考文献： 【1】陈俊学,袁旦庆.能源工程【M】.西安：西安交通大学出版社，2002 【2】薛钰芝，张力，林纪宁.太阳能光伏技术的研究与发展.大连铁道学院学报， 2003 年 12 月第四期第 24 卷。 【3】林红,李鑫,李建保等.太阳能光伏技术发展的新概念.世界科技研究与发展， 2008 年 6 月第 30 卷。 【4】王长贵.开发利用新能源与可再生能源的意义【J】太阳能 2000（4）