太阳能电池


太阳能电池 （正體）

太阳能电池
太阳能电池板
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提示：本条目的主题不是太阳发电机。

太阳能芯片又称太阳能电池或光电池[1]，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo 光线，voltaics 电力，缩写为PV），简称光伏。

太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池的最高转换效率为29%，多晶硅电池为24%，非晶硅为17%。实际量产时的转换效率会较低。

目录

历史

术语“光生伏打(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。

  • 1849年术语“光－伏”才出现在英语中。
  • 1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。
  • 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。

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。

在这些国家中，美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法，推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年，政府补助49％的经费，以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。

到了1996年，日本有2,600户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有8百万瓦特。一年后，已经有9,400户装置，装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。

在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。

太阳能电池构造与发电原理

太阳能电池的结构图

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个电洞，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和电洞的对流，这些电子和电洞均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。

太阳能电池的充电发展

太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。近年来超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上韩国产品价格低廉，因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象，因而改善了太阳能充电的许多问题：

  1. 充电较快速，
  2. 寿命长5倍以上，
  3. 充电温度范围较广，
  4. 减少太阳能电池用量（可低压充电）。

太阳电池材料种类

太阳电池的材料种类非常的多，可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料，简单地说，凡光照后，而产生电能的，就是太阳电池寻找的材料。

主要是透过不同的制程和方法，测试对光的反应和吸收，做到能隙结合宽广，让短波长或长波长都可以全盘吸收的革命性突破，来降低材料的成本。

太阳电池型式上也分有，基板式或是薄膜式，基板在制程上可分拉单晶式的、或相溶后冷却结成多晶的块材，薄膜式是可和建筑物有较佳结合，如有曲度或可挠式、折叠型，材料上较常用非晶硅。另外还有一种有机或纳米材料研发，仍属于前瞻研发， 目前仅运用于太空项目上。因此，也就是目前可听到不同世代的太阳电池：第一代基板硅晶（Silicon Based）、第二代为薄膜（Thin Film）、第三代新观念研发（New Concept）。

晶硅（包含单晶与多晶）太阳能电池的生产介绍

  • 拉晶：主原料为二氧化硅，经纯化后（目前全球仅有少数纯化原料厂，供不应求），再用拉晶炉成长成晶柱。
  • 修角：早期制造太阳能电池的晶柱因无修角，直接将圆晶柱切片，所以成品为圆形芯片，现在大多先将晶柱修角成近似四方柱形。
  • 切片：用切片机将修成近似四方柱形的晶柱，一片片的切成薄片（像切方形火腿片），一般切到约0.4～0.5mm的厚度。
  • 刻蚀：化学刻蚀及抛光成为0.3mm的薄片(wafer)。
  • 清洗：用纯水将薄片洗净。
  • 制绒：单晶硅通常用堿，多晶硅通常用酸，把硅片的表面制成绒面。太阳光照射到绒面上时可能会经历两次或多次反射，这样可以增加硅片对太阳光的吸收。
  • 扩散及银浆印刷：经由扩散炉处理后，制成N型上层及P型下层，再将芯片表面及背面分别用银浆印刷成输出电路，一般表面为负极，背面为正极，经由摹拟阳光仪作功率检测及品管分级后，即为商业成品。
  • 蒸镀：如将表面及背面不经过丝网印刷，而改采光刻及坩锅蒸镀式制造抗反射层与表面的输出导线，再加上其他特殊技术，如此可提高太阳能电池的转换效率。但坩锅的容纳有限生产量较少，蒸镀耗时生产速度较慢，其成本及售价将提高许多；太空式单芯片即采用此法。（制造常规商业级的薄片电阻约0.5～3欧姆，有些太空式的薄片电阻需低于0.01欧姆以下——马丁格林电池E～24%，澳大利亚）

新型太阳电池

目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的“浪费能源”。当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。而这样简易的理论构想，在实际的技术上，却可以用不同的方法来执行这样的原则。超高效率的太阳电池（第三代太阳电池[2]）的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料的引进，而达成大幅增加转换效率的目的。

薄膜太阳电池

包括非晶硅太阳电池，CdTe 和 CIGS（copper indium gallium selenide）电池。虽然目前多数量产薄膜太阳电池转换效率仍无法与晶硅太阳电池抗衡，但是其低制造成本仍然使其在市场有一席之地，且未来市场占有率仍会持续成长。

染料敏化太阳电池

染料感光太阳电池（Dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSsC也被称为Grätzel cell，因为是在1991年由Grätzel等人发表[3]的构造和一般光伏特电池不同，其基板通常是玻璃，也可以是透明且可弯曲的聚合箔（polymer foil），玻璃上有一层透明导电的氧化物（transparent conducting oxide，TCO）通常是使用FTO（SnO2:F），然后长有一层约10微米厚的porous纳米尺寸的 TiO2粒子（约10～20 nm）形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是采用ruthenium polypyridyl complex。上层的电极除了也是使用玻璃和TCO外，也镀上一层铂当电解质反应的催化剂，二层电极间，则注入填满含有iodide/triiodide电解质。虽然目前DSC电池的最高转换效率约在12%左右（理论最高29﹪[来源请求]），但是制造过程简单，所以一般认将大幅降低生产成本，也同时降低每度电的电费。

串叠型电池

串叠型电池（Tandem Cell）属于一种运用新颖原件结构的电池，借由设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最佳化的结构设计。目前由理论计算可知，如果在结构中放入越多层数的电池，将可把电池效率逐步提升，甚至可达到50%的转换效率。[4]

企业支持

设备供应商

晶硅太阳电池生产设备

  • Spire Corporation
  • GT Solar Incorporated
  • Manz Automation
  • NPC Incorporated

非晶硅薄膜太阳电池生产设备

  • 精曜科技 Archers Inc.
  • 美国应用材料
  • 宏威
  • 欧瑞康
  • 日本真空

太阳电池试验设备

太阳能电池供应商

晶硅太阳电池

  • 英利
  • 晶澳
  • 天合
  • Q-Cell

薄膜太阳电池

  • 保定天威薄膜
  • 天裕
  • 正泰

应用实例

现在的太阳光电板可以配合造型做变化，在德国，一艘以太阳电池作为遮阳板的游艇，不但造型流线美观也环保。

有太阳能屋、太阳能灯、太阳能电厂、太阳能飞机等。

应用市场的发展

由于封装技术，焊接材料与加工方法及芯片上的改良，在1991年太阳能系统的寿命约5到10年。到了1995年则增加到10～20年，而到公元2000年更可延长使用年限到25年以上。于1995年仅美国市场的太阳能电池销售额为35亿美元。由于石油及环保（全球温室效应）的问题，以及外交上对落后地区的援助，使得在公元2000年后全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。

到了2005年后，由于德国等环保先进国家新建筑法规的因素，造成太阳能板需求量爆发大增，瞬间市场严重缺货，造成全球太阳能电池产业的蓬勃发展，许多太阳能电池厂的股价，一夕之间冲到最高点。同时也带动洞悉商机的传统制造业转型，投入太阳能相关商品的开发、应用。

展望

  • 夜间不能发电是太阳能电池的一大缺点，但是针对这一个缺点有3种方式可以克服。
  1. 把太阳能电池当作补充电力的方案：由于日间电力需求较高，单纯的只让太阳能电池在日间提供服务刚好可以让发电厂等供电源负载更平均、也减少电力网的尖峰负载。
  2. 把白天的太阳光能转成其他的能量形式加以储存，例如蓄电池、飞轮装置、压缩空气、抽蓄发电厂等，到黑夜的时候再把储存的能量释放出来。
  3. 美国和日本两国正在进行“卫星太阳能发电厂”计划（Satellite Solar PowerStation，SSPS），这一个计划的工作项目就是在太空中找到一个能够不断接受太阳光的地方，例如在赤道附近上空，发射具有太阳能电池或热能发电系统的卫星，利用人造卫星在太空中吸收太阳能来发电。由于免除了昼夜、温差及气候等因素影响，人造卫星可以连续不停且稳定地接收太阳能，再把它转换为电能，然后以微波的方式传回地球，经过地球微波接收站接收后，再转换回来成为电能，输送到各个地方。
  • 目前太阳能电池成本还很高——比许多绿色／再生能源高很多，无法以合理成本提供大量需求
可以期待科学家及工程师们不断的研究，再加上半导体产业技术的进步，太阳能电池的效率也逐渐增加，而且发电系统的单位成本也正逐年下降。因此，随着太阳能电池效率的增加、成本的降低以及环保意识的高涨，太阳能电池的成本可望大幅降低。
也可以利用便宜的镜子将阳光反射至昂贵的高效能太阳能电池（需注意散热），可以发电降低成本。
现在，太阳能电池已经被广泛运用在日常生活中，例如手表、计算机、汽车、飞机等，可见它有很大的发展潜力，相信未来太阳能电池可以在能源的运用上扮演重要的角色。
世界的节约能源概念普遍下，绿色科技已是目前的产业新星。而这波绿色科技潮流，又首推太阳能最为行情看涨，有可能成为全球红透半边天的明日之星。面对国际油价不断飙高，第三次石油危机即将到来的危机，一股全世界重新洗牌的能源卡位战，已经响起咚咚战鼓，蓄势待发了。

相关

外部连接

参考资料

  1. ^ 《科普手册》。国家数字文化网。http://www.ndcnc.gov.cn/datalib/2004/Science/DL/DL-177512/
  2. ^ Third Generation Photovoltaics, M.A. Green, ISBN 978-3-540-26562-7 (Print) ISBN 978-3-540-26563-4 (Online)
  3. ^ Michael Grätzel, Brian O'Regan (24 October 1991). "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films". Nature 353 (24): 737 - 740. DOI:10.1038/353737a0
  4. ^ Marti A and Araujo GL (1996), Limiting efficiencies for photovoltaics solar conversion in multigap systems, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 203-222
  • G. P. Smestad, Solar Energy Mater. Solar Cells, 82, 227 (2004).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 127 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 443 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 9, 123 (2001).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 13, 447 (2005).
  • T. Surek, J. Cryst. Growth, 275, 292 (2005).
  • H. Spanggaard, and F. C. Krebs, Solar Energy Mater. Solar Cells, 83, 125 (2004).
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