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太阳能及硅太阳能电池的探讨

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《今日电子》2017年第Z1期

【摘要】介绍了太阳能的优点以及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生产流程和工作原理,对太阳能及太阳能电池未来的发展进行分析和展望。

【关键词】太阳能;光伏发电;硅太阳能电池

1前言

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。由于传统能源的不可再生性,加上环境问题日益严重,世界上越来越多的国家开始重视起清洁、可再生的新型能源。中国目前正在发展的新能源产业有:太阳能、风能、水能(主要指小型水电站)、生物质能、地热能等,这些都是满足可循环条件的绿色能源。发展新能源产业既可以补充现有的能源系统,又可以有效地解决目前所存在的环境问题。因此,新型能源将是保障社会可持续发展的最终选择。

2太阳能

据研究表明,每年大约有17.8亿千瓦的太阳能辐射到地球表面,这其中有500~1000亿度可以被开发利用。太阳能通常是指太阳光的辐射能量。光电转化、光热转换、光化学转换三种方式是目前太阳能利用的主要方式。而广义上太阳能其实是地球上众多能量的来源,如风能、化学能、水势能等。人们已经通过光电转换将太阳光中包含的能量转化为电能而制造太阳能电池;利用太阳光的热量加热水、并利用热水发电的太阳能热水器等,开发了一系列使用太阳能的方法。太阳能绿色无污染,可以利用的价值极高,对于人类来说太阳能甚至取之不尽用之不竭,这众多优点太阳能在其他能源中的重要地位。

2.1光热发电和光伏发电

太阳能发电分光热发电和光伏发电。其中光热发电是指太阳辐射时会产生一定的热能,是光—热转换和热—电转换过程相结合的两个过程,这种方式有些类似于传统的火力发电。光热发电存在投资费用昂贵却效率很低的问题,且投资至少要比普通火电站贵5~10倍。大规模地生产十分浪费经济,并不优于与普通的火电站或核电站。现在只有一些比较特殊的场合在使用光热发电。光伏发电则为直接利用光电效应,将太阳光辐射产生的能量通过太阳能电池这一转化装置直接转换成电能。太阳能电池是一种借助光伏效应,使太阳光能可以直接转化为电能的器件。太阳能电池的优点主要有:可以永久使用,绿色无污染,并且应用范围广泛,可以做到大小兼顾。详细来说,就是太阳能电池只要有太阳光的存在,就可以长期使用;与其他电池相比,太阳能电池最清洁环保;太阳能电池能够根据电量需求灵活变化运用,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,都可以使用光伏发电提供电源。这些都是别的电源没有的,太阳能电池作为能源的独特的优点。综合销量、发展速度和发展前景等因素考虑,光伏发电无论在哪一方面都优于光热发电。光伏发电的结构简单,它没有使用机械系统,全都是由电子原件组成的。这也造就了它稳定性高、可使用时间长、利于安装和维修等一系列优点。理论上来说,所有需要电源的地方都可以使用光伏发电技术,无论是大型发电站,或者航空航天这类高科技,还是简单的日常电器,甚至玩具,都可以使用其作为供电能源。而太阳能电池板是太阳能发电系统的核心。

2.2光伏发电的历史

就太阳能的发展历史上看,人们早在19世纪就发现了光照射到材料上而产生电的状况。1950年以后,随着社会工业技术的大力发展,和人们对半导体材料的认识,美国贝尔实验室在一次实验中,由于偶然的机会向硅中加入了一些杂质,却反而使得它对光照更加敏感,后来在此基础上又深入研究,终于在1954年,贝尔实验室诞生了世界上第一个太阳能电池。上个世纪七十年代出现能源危机后,大部分国家意识到开发新能源已经势在必行。1973年的石油危机,人们又在一系列民生用途上开始使用太阳能电池。目前,大量的太阳能装置已经在美国、日本和以色列等国家投入使用,并且朝着商业化的目标前进。我们国家也开始大力发展太阳能技术,并且在全国各地出台了一系列的政策,以鼓励和支持新能源的探索开发与生产利用。

3太阳能电池

随着科学技术的不断进步,目前太阳能电池技术已经被开发了许多,相应的太阳能电池种类也十分繁多,但考虑到效率、成本等一系列不可忽视的因素,实际生产应用的只占了少部分。目前已经开发出来的品种电池中应用最多的是硅太阳能电池,。目前大部分地方提到的太阳能电池,在没有特殊说明的情况下,也通常是指硅太阳能电池。

3.1太阳能电池的工作原理

太阳能电池工作原理主要为半导体的光电效应。N型半导体是在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷)来取代晶格中硅原子的位置而形成。P型半导体是在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼)来取代晶格中硅原子的位置而形成,P型半导体中多出了空穴,N型半导体多出了自由电子。用P型半导体和N型半导体结合在一起,中间就产生了浓度差,从而使它们的交界面区域中存在一个特殊的薄层。两侧分别带不同电荷,N区电子扩散到P区,P区空穴扩散到N区,由此就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩散。当达到平衡后,就会产生上面说到的薄层,产生电势差,这就是PN结。光线刺激晶片时,两个区域内的空穴和电子相互移动,就在这两个区域之间形成了电流。随之在PN结中形成了电势差,从而变成一种电源。为了解决“电子在半导体中流动的电阻非常大,损耗也相当大”这一问题,人们用用金属网格覆盖P-N结,这样既保证了导电性,又不会阻碍硅晶片吸收阳光。另外大量的太阳光会由于硅表面非常光亮而被反射损失掉,降低了电池的利用率。若在它上面涂一层反射系数极小的保护膜,反射损失将会被减小到5%甚至更小。

3.2太阳能电池生产流程

通常情况下,晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的,此类硅片则是由提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。下图简单地演示了一下这种生产流程。

3.3目前太阳能电池的发展情况

象领域、海洋领域、石油领域、通信领域、光伏电站等。还有一些应用于新能源汽车及配套系统、海水淡化系统、航空航天系统、燃料电池再生发电系统等。随着能源的不断使用,原有的一次能源越来越稀缺,能源问题甚至成为制约经济发展的重要因素。在这样的严峻形式下,越来越多的国家将目光放到利用太阳光这一纯天然、绿色清洁甚至用之不竭的能源上,提出“阳光计划”并加以实行,即开发太阳能资源,探索新的能源动力来发展经济。光伏发电必然拥有强大的发展潜力和前景推动着各国也都开始投入巨额资金制造太阳能电池,意图在此国际形势下争得一席之地。据有关部门预估,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。由此我们有理由相信,随着太阳能光伏发电技术的持续发展,未来人类社会将不必再为能源问题和环境问题所困扰。同时这也是一项造福子孙后代的工程。

4结语

以传统燃料为主的一次能源日益短缺,对环境的不利影响也愈加增大。地球上还有大量的人员得不到正常的能源资源。在这个条件下,全球越来越多的注意力集中到可再生能源上,期望借此改善环境,维持人类社会的发展。光照的零成本、使用自由度高、清洁环保且资源极为丰富,这些独特的优点使得太阳能在众多新能源中脱颖而出。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,即使将地球表面0.1%的太阳能转为电能,在转变率5%的条件下,每年的发电量也能达到5.6×1012千瓦/小时,仅此就已相当于提供了世界上目前的四十倍能耗。相比较其他能源和发电方式而言,太阳能简直是大自然给予人类的财富和馈赠。因此,太阳能将成为人类探索新能源的重要组成部分,并越来越好地发展下去。

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(04):1~8.

[2]赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[3]王文采.太阳能电池[J].现代物理知识,2003(06):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(08):38~40.

作者:姜梓莹1;杨宇同2 单位:1.南京开拓环保科技有限公司,2.上海海洋大学能源与动力学院

今日电子杂志责任编辑:张雨    阅读:人次