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太阳能电池的研究进展
太阳能电池的研究进展
摘要:太阳能是一种清洁可再生能源,其中利用半导体等光电材料的光伏发电效应的太阳能电池有良好的前景。本文通过对太阳能电池原理的分析,简要的介绍了硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和其它太阳能电池。
关键词:太阳能电池;原理;种类
0、前言
2004年欧盟联合研究中心针对当前能源的结构和使用情况预测:在未来的几十年内,碳水化合物等非再生能源随着人类的大量的开发将逐渐较少,取而代之的将是可再生能源。其中太阳能的利用将会得到很大的重视与提高。
太阳能的利用主要有3种形式:光热、光化学转换和光伏发电。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点,但不利于能量的传输;光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在,但目前人类还不能很好地利用;光伏发电利用以电能作为最终表现形式,具有传输极其方便的特点,在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势,且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降,都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。
太阳能发电有两种方式,一种是光-热-电转换方式,另一种是光-电直接转换方式。光-热-电转换方式是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。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,它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。因此,目前只能小规模地应用于特殊的场合而很难大规模的应用。而光-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。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、,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。
太阳能电池的种类很多,主要包括硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和无机化合物类太阳能电池等,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。Shockley和Queisser通过细致平衡极限原理计算得出,理想单结太阳能电池的效率是材料带隙能量的函数,,在1sun 照射下的极限效率仅为31% ,全聚光下的极限效率为40%。目前无机硅光伏打电池的最高能量转换效率已经达到24%,基于砷化镓半导体的光伏电池转换效率甚至已经达到了31%~32%。
1、原理
太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应;值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关,,因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池是一种可以将太阳能转换的光电元件,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