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光伏电池
21
光伏电池
张翼飞
清华大学物理系
基科05
“地球提供的能量足够每个人的需要，但并非人人懂得索取。
”
——莫罕达斯·卡拉姆昌德·甘地
太阳能是一种取之不尽的可再生能源，是所有能源的最终来源，而电能是最高品位的能源。
利用能源的一个美好的憧憬大概就是高效地把太阳能转化成电能，并且价格低廉，还要运用具有建筑特性的常见的材料，因此可以用这些太阳能电池代替其他的结构（比如说房顶的瓦片）。
21.1历史概览
人们已经向着这个美好的梦想努力有一段时间了。
在1839年，埃德蒙·贝克勒尔如果把装有银质电极的电池放在阳光下，它的电压会提高。
在1833年，查尔斯·埃德加·弗瑞德用锗半导体上覆上一层极薄的金层上，第一次制成了太阳能电池。
但他的电池只有不到百分之一的效率。
到了1954年，达里尔·查平和其他贝尔实验室的科学家用半导体硅制成了效率达到6％的太阳能电池。
截止到现在，设计的提高和改善已经可以把效率提高到25％。
21.2基本原理
阿尔伯特·爱因斯坦给光伏电池的工作原理提供了理论支持，并因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。
像硅和锗之类的物质都是半导体，也就是说点的不良导体，但并不绝缘。
它们都有4个最外层电子，这几个电子用来与其它四个硅原子或者锗原子相连而构成正四面体形晶格。
因为所有的四个价电子都用来形成共价键，在晶格中没有多余的自由电子来形成电流。
然而如果晶体受热或者受到光或短波辐射（也即高能辐射）的照射，一些价电子可以脱离，进而晶体可以导电。
但是能够导电还远远不够：
我们需要一个能够在两极之间产生电压的装置，因而可以使电子产生定向流动。
现在应用半导体掺渗技术已经做到了这一点。
半导体掺渗技术要求附加两个半导体结构：
n型和p型（n是负极p是正极）。
生产n极时，在硅中掺入极少量（通常是百万分之一）的价电子数为五的原子（通常是磷）。
因为晶体中的磷原子在构成晶格时，被迫与其他四个最近的原子以共价键结合形成正四面体结构，这样就空出了一个电子。
既然这些电子没有用来成键，想让它们逃逸就变得比较容易，事实上，大多数这类电子最终会在晶体中自由移动。
生产p极时，需要引入价电子为三的原子（例：
硼）。
这在晶体中可产生电子空穴。
图21.1太阳能电池单元中的n-p半导体电荷传播示意图
一个太阳能单元同时拥有n极和p极半导体。
P极和n极电极板相对放置用来形成电场。
n极中的自由电子便会去填充p极中的空穴。
在这两种材料放到一起之前，它们都是电中性的：
总电子数等于核电荷数。
但是一旦组成电池单元情况便不再如此。
n极的电子移动之后，会产生正电，同理p极会产生负电。
负电荷产生电场从而阻止更多的电子从连接处过来而填满所有的空穴（见图21.1）。
在实质上，我们有一个装置可以使电子单向流动：
二极管。
任何因受光照射而逃逸的自由电子，都会被吸引到电场高电势处，经由连接处流向n极。
通过把n极和p极安放在连接处（经由外部导体）的两侧，这些电子将会慢慢地回到p极半导体处，这样就产生了电流，因而可以用来做功。
为了理解太阳能电池单元的工作细节，尤其是为了解释为什么效率总是低于100％的根本原因，我们需要考虑自然中光辐射的一些现象。
好比热机中的卡诺循环。
答案就是自然观的能量是有限制的。
每一个光子或者激发一个电子，或者一个也没有。
（有些情况下会激发多个电子，但这种情况在太阳光辐射下很罕见。
）光子的能量，Erad，其能量用焦耳表示可用如下表达式：
公式（21.1）
其中，f表示以Hz为单位的频率，h表示普朗克常量（6.626ⅹ10-34Js）。
如果把波长用λ表示，那么电磁波的频率与光速c（3ⅹ108m/s）有关：
公式（21.1）可以写作：
公式（21.2）
表格21.1展示了一些太阳光中典型波长的波通过上面公式计算出的的每个光子的能量。
表格21.1太阳光中典型波长光的光子能量
波长范围
典型波长（μm）
光子能量（J）
紫外线
0.3
6.6ⅹ10-19
可见光
0.5
3.0ⅹ10-19
短红外
1.0
2.0ⅹ10-19
中波红外
1.15
1.7ⅹ10-19
远红外
2.0
1.0ⅹ10-19
超远红外
3.0
0.66ⅹ10-19
释放一个电子所需的能量（电离能）取决于我们用的半导体材料。
比如说，硅Si，至少需要1.7ⅹ10-19J的能量，相当于波长1.15μm的光子的能量。
这也就意味着如果我们用硅的话，将近四分之一的太阳光谱中的光（表格5.4）不能把电子激发。
像这些辐射只是用来“加热”原子（提高电子轨道能量，或提高原子热运动剧烈程度）。
因为我们在讨论一个量子化现象，很多高能光子仅仅能够激发一个电子，除非它恰恰具有释放两个电子的能量。
因此，这些光子能量中超过1.7ⅹ10-19J的部分就又浪费了：
又是用来“加热”原子！
就拿太阳光来说，这等于总能量的三分之一。
因此光伏电池理论上的最大效率
％。
事实上的情况更为糟糕。
因为半导体的却是“半”导体，它们总是有非常高的电阻；因此流过的任何电流都会有所损失。
此外，在电池单元的连接处和末端总有损失。
综上诸多因素，理论上的最大效率降到了23％。
在实际情况中，综合考虑到热效应，上表面的反射，以及电池组末端对太阳光的阻隔（也就是像隔栅一样），光伏电池的效率会更低（图21.2）。
图21.2一个太阳能电池单元的解剖图[BOY96,P98]。
硅光电池单元就是在p极硅质薄片的一侧附上一层n极薄片。
当一个具有足够能量的光子穿过电池到达两极交界处附近时，与一个硅原子（a）发生碰撞，它释放了一个电子，并留下一个空穴。
因此这个电子便有迁移到n极的趋势，与此同时那个电子空穴有迁移到p极的趋势。
这个电子便经由电池表面的集电器，在外电路中产生电流，并重新回到p极进入空穴。
如果光子的能量大于再次跃迁所需能量，它撞击原子（b）时，会产生一对电子空穴，过剩的能量转化成热能。
如果光子能量小于跃迁所需能量时，他会直接穿过电池单元（c），所以说它实际上没有释放能量。
除此之外，一些光子在电池单元的表面就被反射了，如光子（d）。
当然还有一些光子在被锁死在晶体表面的到电极板中。
[第二版Boyle.G著可再生能源：
可持续发展世界的能源，98页，©1996开放大学]
提高效率
显而易见，减小能带间隙时最明显直接的办法，比如说，选择电离能更小的材料。
这意味着之前的一部分波长较长的太阳光讲也能产生电流。
不幸的是，事物要一分为二去看，能带间隙同样决定了电池两极的电压，因此能带间隙降低时，电流我们提高的同时，电压就会降低。
然而功率是电流与电压的乘积，也许光伏电池的功率会降低。
然而，我们总会想出办法，通过用不同材料的半导体——砷化镓，铟化铜和碲化镉——混合电池单元，我们用不同的半导体吸收不同的光谱，一些其他的尝试，像增加分界处的透明度，以及添加防反射膜等。
工厂化生产时，制造成本也可以用多种方式降低，比如用多晶晶体或不定型晶体，都比生产单晶晶体的成本低。
21.3使用技术
晶体硅是熔融的硅围绕一个晶核缓慢长成的。
随着晶体不断增长，我们大概可以得到一个直径10cm，大概几米长的晶体。
整台程序极其复杂，价格昂贵，而且易于出故障：
温度必须严格控制在1420
，误差不能超过0.1
。
p极是用把磷溶解在熔融硅中制成的，n极则是通过扩散技术制成的不足一微米厚的半导体薄层。
既然把n极作为上表面，就要求它足够薄，以使阳光可以通过晶体。
在工艺中，我们使用钻石切刀来切割晶体，但不幸的是，刀口的厚度几乎和晶体薄片厚度相同（0.25nm），因此很多材料都被浪费了。
一个完整的电池单元，效率大概在16%左右。
然而，由于硅制薄片是圆弧形的，在一大群电池单元中间可能会有一些坏死的点，不会产生任何电能。
另一个可行的办法是，把一窄条硅拉过一个规定宽度的塑膜。
这个塑膜是九边形的，因此拉出的窄带也是九边形的，然后再用激光切成一个个小平面。
多晶硅更容易工业化生产，而可以很容易得设计出大的结晶，并用金属锯将其切割。
很遗憾的是，由于它的效率只有10%，便大大降低了它的效益。
因为在电池单元中，有很多晶胞，电子和空穴很容易在京报交界处进行结合。
它主要的优点是，可以制造方形的电池单元，因而降低了坏点的出现概率。
上面讨论的损失都转变为电池内部的热能，典型情况是温度上升25℃。
如果环境温度本身就很高的话，那么电池单元的温度有可能就非常高了（＞50℃）。
平均每上升一摄氏度，效率就会下降0.4％。
如果电池温度太高的话，冷却措施就是必要的了。
不过如果我们采取这种策略的话，如果能形成规模的话，从经济效益上讲，可以考虑把光集中到电池上，从而提高功率。
砷化镓（GaAs）有与硅相似的晶体结构和更高的光吸收率；它也会提供一个更为宽广的能带间隙。
砷化镓制成的电池非常高效而且能够在太阳光汇聚时的高温下运行，但它也有缺点：
价格高昂。
还有一种方式就是用无定形硅。
因为它的原子构局比单晶硅要复杂紊乱得多，很多原子不是与离他们最近的四个原子结合的，留下了一些未成键电子，可以用来吸收其他自由电子。
因此在一定程度上降低了效率。
如果一小部分硼溶在氢里面然后用薄片把它安放到不锈钢附着层上，氢原子可以用来与未成键电子结合。
图21.3展示了这种一种电池的结构，在p极和n极中间加了一层无定形硅。
这种结构的电池造价相对更加低廉，但是它们的表现并不尽人意，差不多在使用一年之后效率就降低到4％。
这对像口袋计算器这样的产品并没有多大影响，因为这样的电器用电量很低，而且比较初级。
相似的薄片也可以用来生产铟化铜、砷化镓和碲化镉太阳能电池。
这样的材料从效率上讲都很有应用前景，但是都含有有害元素，比如镉。
图21.3无定形硅电池的一种结构[BOY96,p107]。
顶部电路连接处可以导电，一层二氧化锡附着在玻璃上。
二氧化硅是一个玻璃和二氧化锡的中间隔层。
底部电极是铝制的。
中间夹着p极，中间层和n极[第二版Boyle.G著可再生能源：
可持续发展世界的能源，107页，©1996开放大学]
就像上面所说的，还有其它两种提高效率的方法：
分层串联法，尽量宽的洗手太阳光谱；太阳光收集系统。
手机系统其实就是在第二十章中的即热系统的改进版本（当然也需要降温系统）。
图21.4展现了一个多层太阳能电池单元的示意图。
无定形硅中渗碳可以吸收蓝光；渗锗可以吸收红光。
电池共有好多层，用来吸收逐渐减少的光辐射。
还有一个更为终极的提高效率的设想，就是在太空中的同步地球卫星轨道上建造太阳能电站。
然后把能量转变为微波辐射，传回地球上的接收站。
这将有很多好处。
电站将接受最大强度光辐射长达每天23小时，年效率将会比地球上的同样电站提高12倍。
显而易见，现阶段还有一些安全因素亟待解决，当然经济上也不太可行。
问题21.1如果太空电站一年需要向地球输送1GWe的能量。
假设太阳能电池单元的效率是14％，并且在微波转化中没有损失，请估算电池板面积。
（假设大气层上空的太阳光功率为1370W/m2.）
21.4电学特性
运行特性，也就是说，一个太阳能电池的电压V，以及电流I，函数关系图像大概是一个矩形（图21.5）。
回路中的电流强度跟光照强度成正比，开路电压与光强承兑属关系。
而总功率，我们最看重的电学特性，是电流与电压的乘积。
V和I服从欧姆定律最大功率表示如下：
公式（21.3）
图21.4多层无定形硅太阳能电池结构[BOY96,p110][第二版Boyle.G著可再生能源：
可持续发展世界的能源，107页，©1996开放大学]
这种情况仅仅在电阻为某一个确定值时出现：
通常来说，电池的电功率，P，表示如下：
因为人们经常把太阳能电池用在特殊的地方，比如说口袋计算器，电池的功率便不是特别重要，相反我们更看重维持运转的最小电压。
不过有时在真正的用电器上，我们需要峰值功率长时间输出。
就像图21.5所表现的，功率最大点，也就是说公式21.3中的情况，经常在电压不变的情况下，电流逐渐达到最大形成的。
这意味着如果太阳能电池接到定值负荷上，由于光强的变化，并不会一直保持最大功率。
阴天时功率必然降低，晨曦和傍晚也不甚乐观。
而负载在傍晚就会要求最大效率有所提高。
图21.5一种典型太阳能电池在不同光强下的伏安特性曲线[SHE97,p335][第二版W.史华德D.W.史华德著能源研究，150页，©1997新加坡世界科技出版社发行]
表格21.2光伏电池性能汇总（百分效率）[数据来自UNU05]
电池类型
最高效率量产电池
最高效率实验原型电池
最高效率实验室电池
理论效率极限
半导体晶体
硅介质
单晶硅
15.3
20.8
24.0
30-33
多晶硅P-Si
11.1
17.0
17.2
22
EFG-晶体P-Si
50.00
砷化镓
其他单晶介质
1.00
电池薄片
无定形硅（a-Si）
6.8
10.2
12.7
27-28
多晶硅
15.7
多晶砷化镓
8.8
碲化镉
7.25
10.0
15.8
28
铜铟电池
11．1
15.9
23.5
砷化镓（精选材料）
22.0
0.5
21.5屋顶太阳能电池
尽管到现在，太阳能电池还是主要应用在低电压的情况下，从口袋计算器到特殊环境中的微小电机。
不过人们最感兴趣的还是以下两个方面：
大规模供电系统，建筑用太阳能电池。
从问题21.1中我们可以看到，要产生1GWe的电能，我们需要制造5.44
的太阳能电池板。
由于大气层会吸收一部分能量，到达地面的能量相对更少。
如果再考虑上日夜交替，这意味着30
的太阳能电池板，才能产生1GWe的年发电量。
这将占据大量土地，而且还要尽力兼顾当地的人口居住情况和环境因素。
实际上，我们在建造各种建筑时，已经占据了大量土地。
如果用太阳能电池制成一个建筑的顶部，或者说，在更理想的情况下，整个建筑都由太阳能电池制成，我们将会制造大量的电能，而不占用一寸土地。
（尽管在这种情况下，屋顶可能看起来有点与众不同）。
问题21.2估算要产生1GWe的年发电量，我们需要把多少所房子的房顶换成太阳能电池？
问题21.2的答案是600000所房子，是个很大的数目。
忽略用于加热的电能（我们可以用天然气），在英国平均每户每年都要用3880千瓦时的电能[UST05]。
这相当于持续输入440W的能量。
而这时他们用太阳能发电的4倍。
如果我们停下来想一下应用电能的“必要地方”（比如没有用来加热），情况更可悲！
我们本可以用一种对环境非常友善的能源的，而且不用占用大量耕地，仅仅需要把房顶换个材料。
目前，建造太阳能电池板的屋顶造价还是太高，除非政府能有津贴。
当然还有一切其他的问题，如何在生产光伏电池时，安全使用各种有毒化合物。
就像我们在20章中看到的那样，当我们讨论被动式太阳能设计的时候，几乎全世界在太阳能最充裕季节，和能量利用最多季节这个问题上，都有时间差异。
原因就是夏天阳光最充足，但我们在冬夜消耗的能量更多。
因此任何基于房顶的太阳能电池板，都会在有的时候产能过剩，其他时候供给不足。
显而易见，我们需要把电能存储起来，或者把夏天多余的电能输送出去。
（有的国家在夏天，房子里需要开空调，这就不用输送了。
）就像下文所说，就地储存时一个不错的办法。
问题21.3忽略加热用电，英国平均每户每年都要用3880千瓦时的电能。
估算储存一所房子一天所需电能，需要多少块12伏汽车用蓄电池（80安时）。
当房子发电超过所能消耗的时候，把多余电能输入国家电网是个不错的办法。
这个办法相对简单，只需要装一个双向电表。
其他必须的设备还有：
换流器（把直流电换成交流电）；变压器（提高输电电压）。
还有一种可行方案，就是把商业大楼的瓷砖全部换成太阳能电池。
既然写字楼通常在白天需要大量电能，这个方案有极大优势。
还有一种设想，就是把太阳能电池与热能泵（见20章）结合在一起。
这样的话就可以放大热能泵产生的电能的效益。
然而，有一点需要注意，我们把大量高品位电能转化成了低品位热能——用来加热大楼。
因此来说，把发的电全部输出，再用天然气或燃油来供热，对自然可能会更友善一些。
。
然而在一些天然气资源不是很方便的地区，用太阳能电热装置就显得比较合理了。
这样设计的话，也能达到低碳甚至零碳的效果，从而得到大家的称赞。
图21.6展现了英国一所学校，采用了这种设计。
图21.6（a）英国多芬，查姆利学校。
这是一个零碳排放设计，用太阳能电池板提供电能，用地热能提供热量。
（b）太阳能电池板大多被安置在屋顶南侧的阁楼上。
北侧让光通过以提供照明。
21.6应用实例：
英国多克斯福德太阳能办公大楼。
英国多克斯福德太阳能办公大楼（图21.7）供应用了532㎡的太阳能电池板，峰值功率是73kW。
这些电能或者大楼本身使用，或者接入国家电网。
大楼通过一套被动式通风系统，大大降低本身的功耗，从而提高了整体的能量利用效率。
图21.7英国多克斯福德太阳能办公大楼。
来源：
IEACADDETprogramme[CAD02]
这个大楼在外观上是V字形，南面中央有一个66米长的斜面。
斜面内部是一个三层楼的中央大厅，其中还有小的走廊。
斜面上共有352块多晶硅太阳能电池板，这些电池有双层玻璃表面，因而可以有选择的组合使用。
此外，大楼的设计还加强了对流通风（可以通过自然风来降温），增加了自然光的射入量。
大楼还通过烟囱效应来通风降温，它还有绝佳密封性，来降低在加热时和无人居住时的热量损失[CAD02]。
表格21.3英国多克斯福德太阳能办公大楼性能数据
入射光能量（平面）
950kMh/㎡/year
覆盖系数（斜面，方向，表面）
1.04
入射光总能量
988kMh/㎡/year
太阳能电池板面积
532㎡
接受总能量
525.6MWh/year
太阳能电池效率（25℃）
0.14
光电倍增器运行效率（达到运行温度耗能）
0.9
光电倍增器输电效率
0.98
变压器效率
0.85
理论总输出
55.17MWh/year
理论总效率
10.5％
实际使用后，大楼的总产能是55.2MWh/year，比预计值稍小。
每年节能（算上输出电能和减少使用的天然气）80000欧元（55000英镑，103000美元）。
太阳能电池、电池表层玻璃、变压器和电缆共花费1400000欧元（960000英镑，1780000美元）。
这意味着需要17年就能赚回成本。
然而，绝大多数节约的能量并不来自太阳能电池板，这意味着如果考虑太阳能电池的寿命的话，需要更长时间才能赚回成本。
这也意味着，在目前阶段，太阳能电池并不像其他可再生能源那样经济实惠。
21.7经济合作与发展组织（OECD）政策
很多太阳能电池系统给单独系统供电因而没有接入电网。
这就使得很难统计太阳能电池的发电量。
国际能源协会[IEA05]宣称太阳能发电量已经从1990年的17GWh到了2002年的361GWh，因此意味着以每年29％的速率增长。
这就使得它成为增长最快的可再生能源。
仅德国就有188GWh的年太阳能发电量。
21.8学生练习
“科学里只有物理，其他的就像在集邮。
”
——恩内斯特.卢瑟福
1．比较多晶硅太阳能电池在不同温度下的效率。
20℃（效率10％），35℃，50℃。
估计可用于冷却系统的最大能量，从而使得产生能量最大。
2．叙述太阳能电池是怎样工作的。
3．描述单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，以及无定形硅太阳能电池。
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