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太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍
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太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍

摘要:本篇太阳能电池的应用论文介绍了太阳能的优点,介绍了两种太阳能发电的方式,并基于光伏发电介绍了硅太阳能电池的工作原理和生产流程,对太阳能及太阳能电池未来的发展进行展望。
太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍

关键词:太阳能;光伏发电;硅太阳能电池

0.引言

火力发电是现代社会电力发展的主力军,煤目前作为我国主要的一次能源。随着社会发展对电需求的大幅度增加,极大地增加了煤的消耗。大量煤在燃烧的过程中释放出CO2、SO2、NOx、粉尘等污染物,对环境带来严重的影响。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出,以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。日前在中国,可以形成产业的新能源主要包括水能(主要指小型水电站)、风能、生物质能、太阳能、地热能等,是可循环利用的清洁能源。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段,也是环境治理和生态保护的重要措施,是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。

1. 太阳能

据估算,每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦,其中可开发利用500~1000亿度。太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。利用太阳能的方法主要有:太阳能电池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能;太阳能热水器,利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电等。太阳能清洁环保,无任何污染,利用价值高,太阳能更没有能源短缺这一说法,其种种优点决定了其在能源更替中的不可取代的地位。

1.1 光热发电和光伏发电

太阳能发电分光热发电和光伏发电。即一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的。

不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。可太阳能光伏发电原理图能因光伏发电普及较广而接触光热发电较少,通常民间所说的太阳能发电往往指的就是太阳能光伏发电,简称光电。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。国产晶体硅电池效率在10至13%左右,国外同类产品效率约12至14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。

1.2 光伏发电发展历史

术语“光生伏特(Photovoltaics)”来源于希腊语,意思是光、伏特和电气的,来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字,在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。以太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的“光起电力”行为,早在19世纪的时候就已经发现了。1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光-伏”才出现在英语中。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。到了1930年代,照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。到了1950年代,随着半导体物性的逐渐了解,以及加工技术的进步,1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960年代开始,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。1970年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。目前,在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。

2. 太阳能电池

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形。太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。

2.1 太阳能电池工作原理

太阳能电池的工作原理主要是半导体的光电效应,硅半导体的结构如下图所示,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。
太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍插图图1 硅半导体结构

图1 硅半导体结构

在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。 在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,形成P型半导体。当P型半导体和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。 当晶片受光照后,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。
太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍插图图2 PN结

图2 PN结

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,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。为此给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜,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。

2.2 太阳能电池生产流程

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。下图为硅太阳能电池的生产流程。
太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍插图图3 硅太阳能电池的生产流程

图3 硅太阳能电池的生产流程

上述方法实际消耗的硅材料比较多。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(Low Pressure Chemical Vapor Deposition 简称LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 简称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。

2.3 太阳能电池发展情况

目前光伏发电的应用领域有:用户太阳能电源;交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等;通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统、士兵GPS供电等;石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、气象/水文观测设备等。家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等;光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。还有一些其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。据有关部门预测,到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

3. 结语

传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害日益突出,同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达5.6×1012千瓦小时,相当于世界上能耗的40倍。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。
太阳能电池的应用论文:太阳能及硅太阳能电池的介绍

参考文献

1李春曦, 王佳, 叶学民,等. 我国新能源发展现状及前景[J]. 电力科学与工程, 2012, 28(4):1-8.

2赵争鸣. 太阳能光伏发电及其应用[M]. 科学出版社, 2005.

3王文采. 太阳能电池[J]. 现代物理知识, 2003(6):3-6.

4梁宗存, 沈辉. 太阳能电池及材料研究[J]. 材料导报, 2000, 14(8):38-40.

本文原作者:南京开拓环保科技有限公司 姜梓莹 杨宇同

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