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《今日電子》2017年第Z1期

【摘要】介紹了太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)以及兩種太陽(yáng)能發(fā)電的方式，并基于光伏發(fā)電介紹了硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程和工作原理，對(duì)太陽(yáng)能及太陽(yáng)能電池未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行分析和展望。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；硅太陽(yáng)能電池

1前言

火力發(fā)電是現(xiàn)代社會(huì)電力發(fā)展的主力軍，煤目前作為我國(guó)主要的一次能源。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)電需求的大幅度增加，極大地增加了煤的消耗。大量煤在燃燒的過(guò)程中釋放出CO2、SO2、NOx、粉塵等污染物，對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響。由于傳統(tǒng)能源的不可再生性，加上環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界上越來(lái)越多的國(guó)家開始重視起清潔、可再生的新型能源。中國(guó)目前正在發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)有：太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能（主要指小型水電站）、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿龋@些都是滿足可循環(huán)條件的綠色能源。發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)既可以補(bǔ)充現(xiàn)有的能源系統(tǒng)，又可以有效地解決目前所存在的環(huán)境問(wèn)題。因此，新型能源將是保障社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最終選擇。

2太陽(yáng)能

據(jù)研究表明，每年大約有17.8億千瓦的太陽(yáng)能輻射到地球表面，這其中有500~1000億度可以被開發(fā)利用。太陽(yáng)能通常是指太陽(yáng)光的輻射能量。光電轉(zhuǎn)化、光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式是目前太陽(yáng)能利用的主要方式。而廣義上太陽(yáng)能其實(shí)是地球上眾多能量的來(lái)源，如風(fēng)能、化學(xué)能、水勢(shì)能等。人們已經(jīng)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將太陽(yáng)光中包含的能量轉(zhuǎn)化為電能而制造太陽(yáng)能電池；利用太陽(yáng)光的熱量加熱水、并利用熱水發(fā)電的太陽(yáng)能熱水器等，開發(fā)了一系列使用太陽(yáng)能的方法。太陽(yáng)能綠色無(wú)污染，可以利用的價(jià)值極高，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)太陽(yáng)能甚至取之不盡用之不竭，這眾多優(yōu)點(diǎn)太陽(yáng)能在其他能源中的重要地位。

2.1光熱發(fā)電和光伏發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電分光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。其中光熱發(fā)電是指太陽(yáng)輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，是光—熱轉(zhuǎn)換和熱—電轉(zhuǎn)換過(guò)程相結(jié)合的兩個(gè)過(guò)程，這種方式有些類似于傳統(tǒng)的火力發(fā)電。光熱發(fā)電存在投資費(fèi)用昂貴卻效率很低的問(wèn)題，且投資至少要比普通火電站貴5~10倍。大規(guī)模地生產(chǎn)十分浪費(fèi)經(jīng)濟(jì)，并不優(yōu)于與普通的火電站或核電站。現(xiàn)在只有一些比較特殊的場(chǎng)合在使用光熱發(fā)電。光伏發(fā)電則為直接利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射產(chǎn)生的能量通過(guò)太陽(yáng)能電池這一轉(zhuǎn)化裝置直接轉(zhuǎn)換成電能。太陽(yáng)能電池是一種借助光伏效應(yīng)，使太陽(yáng)光能可以直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)主要有：可以永久使用，綠色無(wú)污染，并且應(yīng)用范圍廣泛，可以做到大小兼顧。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，就是太陽(yáng)能電池只要有太陽(yáng)光的存在，就可以長(zhǎng)期使用；與其他電池相比，太陽(yáng)能電池最清潔環(huán)保；太陽(yáng)能電池能夠根據(jù)電量需求靈活變化運(yùn)用，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽(yáng)能電池組，都可以使用光伏發(fā)電提供電源。這些都是別的電源沒有的，太陽(yáng)能電池作為能源的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。綜合銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景等因素考慮，光伏發(fā)電無(wú)論在哪一方面都優(yōu)于光熱發(fā)電。光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它沒有使用機(jī)械系統(tǒng)，全都是由電子原件組成的。這也造就了它穩(wěn)定性高、可使用時(shí)間長(zhǎng)、利于安裝和維修等一系列優(yōu)點(diǎn)。理論上來(lái)說(shuō)，所有需要電源的地方都可以使用光伏發(fā)電技術(shù)，無(wú)論是大型發(fā)電站，或者航空航天這類高科技，還是簡(jiǎn)單的日常電器，甚至玩具，都可以使用其作為供電能源。而太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心。

2.2光伏發(fā)電的歷史

就太陽(yáng)能的發(fā)展歷史上看，人們?cè)缭?9世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了光照射到材料上而產(chǎn)生電的狀況。1950年以后，隨著社會(huì)工業(yè)技術(shù)的大力發(fā)展，和人們對(duì)半導(dǎo)體材料的認(rèn)識(shí)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在一次實(shí)驗(yàn)中，由于偶然的機(jī)會(huì)向硅中加入了一些雜質(zhì)，卻反而使得它對(duì)光照更加敏感，后來(lái)在此基礎(chǔ)上又深入研究，終于在1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生了世界上第一個(gè)太陽(yáng)能電池。上個(gè)世紀(jì)七十年代出現(xiàn)能源危機(jī)后，大部分國(guó)家意識(shí)到開發(fā)新能源已經(jīng)勢(shì)在必行。1973年的石油危機(jī)，人們又在一系列民生用途上開始使用太陽(yáng)能電池。目前，大量的太陽(yáng)能裝置已經(jīng)在美國(guó)、日本和以色列等國(guó)家投入使用，并且朝著商業(yè)化的目標(biāo)前進(jìn)。我們國(guó)家也開始大力發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)，并且在全國(guó)各地出臺(tái)了一系列的政策，以鼓勵(lì)和支持新能源的探索開發(fā)與生產(chǎn)利用。

3太陽(yáng)能電池

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)了許多，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池種類也十分繁多，但考慮到效率、成本等一系列不可忽視的因素，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的只占了少部分。目前已經(jīng)開發(fā)出來(lái)的品種電池中應(yīng)用最多的是硅太陽(yáng)能電池，。目前大部分地方提到的太陽(yáng)能電池，在沒有特殊說(shuō)明的情況下，也通常是指硅太陽(yáng)能電池。

3.1太陽(yáng)能電池的工作原理

太陽(yáng)能電池工作原理主要為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。N型半導(dǎo)體是在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷）來(lái)取代晶格中硅原子的位置而形成。P型半導(dǎo)體是在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼）來(lái)取代晶格中硅原子的位置而形成，P型半導(dǎo)體中多出了空穴，N型半導(dǎo)體多出了自由電子。用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，中間就產(chǎn)生了濃度差，從而使它們的交界面區(qū)域中存在一個(gè)特殊的薄層。兩側(cè)分別帶不同電荷，N區(qū)電子擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴擴(kuò)散到N區(qū)，由此就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散。當(dāng)達(dá)到平衡后，就會(huì)產(chǎn)生上面說(shuō)到的薄層，產(chǎn)生電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。光線刺激晶片時(shí)，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的空穴和電子相互移動(dòng)，就在這兩個(gè)區(qū)域之間形成了電流。隨之在PN結(jié)中形成了電勢(shì)差，從而變成一種電源。為了解決“電子在半導(dǎo)體中流動(dòng)的電阻非常大，損耗也相當(dāng)大”這一問(wèn)題，人們用用金屬網(wǎng)格覆蓋P-N結(jié)，這樣既保證了導(dǎo)電性，又不會(huì)阻礙硅晶片吸收陽(yáng)光。另外大量的太陽(yáng)光會(huì)由于硅表面非常光亮而被反射損失掉，降低了電池的利用率。若在它上面涂一層反射系數(shù)極小的保護(hù)膜，反射損失將會(huì)被減小到5％甚至更小。

3.2太陽(yáng)能電池生產(chǎn)流程

通常情況下，晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350~450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，此類硅片則是由提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。下圖簡(jiǎn)單地演示了一下這種生產(chǎn)流程。

3.3目前太陽(yáng)能電池的發(fā)展情況

象領(lǐng)域、海洋領(lǐng)域、石油領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、光伏電站等。還有一些應(yīng)用于新能源汽車及配套系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、燃料電池再生發(fā)電系統(tǒng)等。隨著能源的不斷使用，原有的一次能源越來(lái)越稀缺，能源問(wèn)題甚至成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在這樣的嚴(yán)峻形式下，越來(lái)越多的國(guó)家將目光放到利用太陽(yáng)光這一純天然、綠色清潔甚至用之不竭的能源上，提出“陽(yáng)光計(jì)劃”并加以實(shí)行，即開發(fā)太陽(yáng)能資源，探索新的能源動(dòng)力來(lái)發(fā)展經(jīng)濟(jì)。光伏發(fā)電必然擁有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿颓熬巴苿?dòng)著各國(guó)也都開始投入巨額資金制造太陽(yáng)能電池，意圖在此國(guó)際形勢(shì)下爭(zhēng)得一席之地。據(jù)有關(guān)部門預(yù)估，到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80％以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60％以上。由此我們有理由相信，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)人類社會(huì)將不必再為能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題所困擾。同時(shí)這也是一項(xiàng)造福子孫后代的工程。

4結(jié)語(yǔ)

以傳統(tǒng)燃料為主的一次能源日益短缺，對(duì)環(huán)境的不利影響也愈加增大。地球上還有大量的人員得不到正常的能源資源。在這個(gè)條件下，全球越來(lái)越多的注意力集中到可再生能源上，期望借此改善環(huán)境，維持人類社會(huì)的發(fā)展。光照的零成本、使用自由度高、清潔環(huán)保且資源極為豐富，這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使得太陽(yáng)能在眾多新能源中脫穎而出。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，即使將地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，在轉(zhuǎn)變率5%的條件下，每年的發(fā)電量也能達(dá)到5.6×1012千瓦/小時(shí)，僅此就已相當(dāng)于提供了世界上目前的四十倍能耗。相比較其他能源和發(fā)電方式而言，太陽(yáng)能簡(jiǎn)直是大自然給予人類的財(cái)富和饋贈(zèng)。因此，太陽(yáng)能將成為人類探索新能源的重要組成部分，并越來(lái)越好地發(fā)展下去。

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作者：姜梓瑩1；楊宇同2 單位：1.南京開拓環(huán)保科技有限公司，2.上海海洋大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院