太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.docx

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太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。

也是清洁能源，不产生任何的环境污染。

在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：

硅基太阳能电池和薄膜电池，这里主要讲的硅基太阳能电池。

一、硅太阳能电池

1．硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：

　　图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：

　　图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。

而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

   同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。

黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。

如下图。

   P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

   当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层），界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。

这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。

N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。

达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

（如下图所示）

   由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。

但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。

　　另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。

为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。

将反射损失减小到5％甚至更小。

一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

2．硅太阳能电池的生产流程

   通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。

   上述方法实际消耗的硅材料更多。

为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。

此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。

   化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。

但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。

解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。

多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。

太阳光电池光电转换原理

 在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳光电池、多晶硅太阳光电池及非晶硅太阳光电池等三种。

太阳光电池主要功能在将光能转换成电能，这个现象称之为光伏效应（photovoltaiceffect）。

光伏效应在19世纪即被发现，早期用来制造硒光电池，直到晶体管发明后半导体特性及相关技术才逐渐成熟，使太阳光电池的制造变为可能。

太阳光电池之所以能将光能转换成电能主要有两个因素：

一是光导效应（photoconductiveeffect），二是内部电场，因此在选取太阳能电池的材料时，必须要考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。

　
光照射在物质上时，部份的光会被物质吸收，部份的光则经由反射或穿透等方式离开物质，选取太阳光电池材料的第一考虑就是吸光效果要很好，如此才能使输出功率增加。

选取太阳光电池材料的第二考虑是光导效果，欲选取光导效果佳的材料首先必须了解太阳光的成分及其能量分布状况，进而找出适当的物质作为太阳光电池的材料。

　
当电子从外界获得能量时将会跳到较高的能阶，获得的能量越多跳的能阶也越高，电子处在较高的能阶时并不稳定，很快就会把获得的能量释放回到原来的能阶。

如果电子获得的能量够高就摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子空出来的位置则称为电洞。

自由电子可能会因为摩擦或碰撞等因素损失能量，最后受到电洞的吸引而复合。

例如，硅的最外层电子要成为自由电子需要吸收1.1ev的能量，当硅最外层子吸收到的光能量超过1.1ev时将会产生自由电子及电洞，称之为光生电子电洞对（light-generatedelectron-holepairs）。

电子电洞对的数目越多导电的效果也越好，因为光使得导电效果变好的现象称之为光导效应（photoconductiveeffect）。

　
自由电子与电洞的多寡对电气特性有很大的影响，越多的自由电子与电洞可以使导电性增加，同时也可以使输出电流增加，因此可以推测阳光越强时生成的自由电子与电洞越多，则输出电流也越大。

然而如果只是单纯的产生自由电子与电洞，将会因为摩擦及碰撞等因素失去能量，最后自由电子会与电洞复合而无法利用。

为更有效的利用由电子与电洞来产生电流，因此必须加入电场使自由电子与电洞分离进而产生电流。

产生电场的方式很多如PN接面、金属半导体接面等，其中最常用的方式为PN接面。

　
提高自由电子浓度常用的方法是在硅中加入少量的五价原子，五价原子的四个价电子与硅键结后剩下一个价电子，使剩下的价电子游离只需要0.05ev，比原来的1.1ev小很多，在室温超过200度k时即可使所有杂质产生自由电子，同样在硅中加入少量的三价原子可以提高电洞浓度。

在硅中加入五价原子后称之为N型半导体，加入三价原子后称之为P型半导体。

N型半导体及P型半导体虽然带有自由电子或电洞但本身仍然保持电中性，如果N型半导体及P型半导体内杂质浓度均匀分布则内部没有电场存在。

若将N型半导体及P型半导体接和在一起，会因为两边自由电子与电洞的浓度不同产生扩散。

N型半导体中自由电子浓度较高，因此自由电子由N型半体向P型半导体扩散，同样的电洞会由P型半导体向N型半导体扩散。

扩散的结果使得接面附近的N型半导体失去电子得到电洞而带正电，P型半导体失去洞得到电子而带负电。

因为电荷密度不均因此在接面附近产生电场，如果有自由电子或电洞在电场内产生，则会因为受到电场的作用而移动，自由电子向N型半导体移动，而电洞向P型半导体移动，因此这个区域缺乏自由电子或电洞而称之为空乏区。

当光照射在空乏区内将硅原子的电子激发产生光生电子与电洞对，电子与电洞对会因为电场作用而使电池内的电荷往两端集中，此时只要外加电路将两端连接即可利用电池内的电力，这即是所谓的光电效应，也是太阳光电池的转换原理。

电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。

在电池行业中，最没污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。

太阳的光辉普照大地，它是明亮的使者，太阳的光除了照亮世界，使植物通过光合作用把太阳光转变为各种养分，供人们食用，产生纤维质供人们做衣服，生长木材给我们建筑房屋以外，太阳的光还可以通过太阳能电池转变为电。

太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。

太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。

当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。

如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。

若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。

太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。

当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。

这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。

这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。

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。

制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。

目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。

1953年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得6%光电转换效率的成果。

太阳能电池的出现，好比一道曙光，尤其是航天领域的科学家，对它更是注目。

这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天，卫星和宇宙飞船上的电子仪器和设备，需要足够的持续不断的电能，而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。

太阳能电池完全满足这些要求，1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍。

现在，各式各样的卫星和空间飞行器上都装上了布满太阳能电池的“翅膀”，使它们能够在太空中长久遨游。

我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。

以太阳能电池作为电源可以使卫星安全工作达20年之久，而化学电池只能连续工作几天。

空间应用范围有限，当时太阳电池造价昂贵，发展受到限。

70年代初，世界石油危机促进了新能源的开发，开始将太阳电池转向地面应用，技术不断进步，光电转换效率提高，成本大幅度下降。

时至今日，光电转换已展示出广阔的应用前景。

    太阳能电池近年也被人们用于生产、生活的许多领域。

从1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几公里发展到飞越英吉利海峡。

现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。

另外，太阳能汽车也发展很快。

    在    当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太