太阳能电池原理及发展摘要:人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力, 己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。

近年来, 光伏市场快速发展并取得可喜的成就。

本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。

关键字:太阳能电池原理发展前景Abstract:Mankind is faced with limited conventional energy and the dual pressures of serious damage to the environment, has become increasingly of concern social and environmental problems. In recent years, the rapid development of PV market and has made gratifying achievements. This article describes the principles and development of solar cells, as well as new types of solar cells, compared the various types of solar cells conversion efficiency and development prospects. Keywords: solar cell; principle; development; prospects1.引言由于人类对可再生能源的不断需求, 促使人们致力于开发新型能源。

太阳在40min 内照射到地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1 年, 合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略, 是其中最受瞩目的研究热点之一。

本文介绍了太阳能电池的原理和发展, 以及各类新型太阳能电池, 比较了各类太阳能电池的转换效率和发展前景。

2.太阳能电池原理【1】太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。

他们利用各种势垒的光生伏特效应，所以也称为光伏电池，其核心是可释放电子的半导体。

最常用的半导体材料是硅。

地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。

当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N 区和P 区中原子的价电子受到太阳光子的激发，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg 的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。

这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。

其中复合过程对外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。

光激发载流子中的少数载流子能运动到P—N 结区，通过P—N 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P—N 结势垒电场方向相反的光生电场。

一旦接通外电路，即可有电能输出。

当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。

制造太阳能电池的半导体材料有合适禁带宽度非常重要。

不同禁带宽度的半导体，只能吸取一部分波长的太阳光辐射能以产生电子空穴对，禁带宽度越小，所吸收的太阳光谱的可利用部分就越大，而同时在太阳光谱峰值附近被浪费的能量也就越大。

可见，只有选择具有合适禁带宽度的半导体材料，才能更有效地利用太阳光谱。

由于直接迁移型半导体的光吸收效率比间接迁移型高，故最好是直接迁移型半导体。

3.太阳能电池（组件）生产工艺组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。

电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。

产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。

工艺流程如下：（1）电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类，电池测试即通过测试电池的输出参数。

电流和电压，的大小对其进行分类。

以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。

（2）正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面，（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。

焊接用的热源为一个红外灯，利用红外线的热效应。

焊带的长度约为电池边长的2 倍。

多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连（3）背面串接：背面焊接是将36 片电池串接在一起形成一个组件串。

我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。

(4）层压敷设:背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。

玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA 的粘接强度。

敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。

（敷设层次：由下向上：钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、玻璃纤维、背板）。

（5）组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA 熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起，最后冷却取出组件。

层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA 的性质决定。

我们使用快速固化EVA 时，层压循环时间约为25 分钟。

固化温度为150℃。

（6）边层压时EVA 熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。

(7)装框类似与给玻璃装一个镜框，玻璃组件装铝框增加组件的强度进一步的密封电池组件长电池的使用寿命。

边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。

各边框间用角键连接。

8焊接接线盒在组件背面引线处焊接一个盒子以利于电池与其他设备或电池间的连接。

9高压测试高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压测试组件的耐压性和绝缘强度以保证组件在恶劣的自然条件雷击等下不被损坏。

10组件测试测试的目的是对电池的输出功率进行标定测试其输出特性确定组件的质量等级。

目前主要就是模拟太阳光的测试Standard testcondition STC,一般一块电池板所需的测试时间在7-8 秒左右。

4.太阳能电池的发展人类对太阳能的利用有着悠久的历史。

我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火利用太阳能来干燥农副产品。

发展到现代太阳能的利用已日益广泛它包括太阳能的光热利用太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

太阳能的利用有被动式利用光热转换和光电转换两种方式。

太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。

据记载人类利用太阳能已有3000 多年的历史。

将太阳能作为一种能源和动力加以利用只有300 多年的历史。

真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础”则是近来的事。

20 世纪70 年代以来太阳能科技突飞猛进太阳能利用日新月异。

近代太阳能利用历史可以从1615 年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。

该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。

在1615 年1900 年之间世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。

这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光发动机功率不大工质主要是水蒸汽价格昂贵实用价值不大大部分为太阳能爱好者个人研究制造。

4.1第一代太阳能电池1954 年美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池开始了利用太阳能发电的新纪元。

由于太阳能电池价格昂贵因此其发展缓慢当时主要用于航天科技工程。

20 世纪70 年代由于石油危机使人们对于可再生能源的兴趣越来越浓太阳能电池也进入了快速发展的阶段。

近几年太阳电池市场以每年30%的速度递增。

目前第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的86% 。

第一代太阳能电池基于硅晶片基础之上主要采用单晶体硅、多晶体硅及GaAs 为材料转换效率为11%~15%。

单晶硅生长技术主要有直拉法和悬浮区熔法。

直拉法是将硅材料在石英坩锅中加热熔化使籽晶与硅液面接触向上提升以长出柱状的晶棒。

直拉法的研究方向是设法增大硅棒的直径目前硅棒的直径已经达到100~150mm 用区熔法生长单晶硅技术是将区熔提纯和制备单晶结合在一起可以得到纯度很高的单晶硅但成本很高。

目前在所有太阳能电池中此种硅片的效率是最高的因此采用低成本的方式改进区熔法生长太阳能电池用单晶硅也是目前的发展方向。

为了进一步提高太阳能电池效率近年来大力发展高效化电池工艺主要有发射极钝化及背面局部扩散工艺、埋栅工艺和双层减反射膜工艺等。

多晶硅材料生长主要运用定向凝固法及浇铸法工艺。

定向凝固法是将硅材料在坩锅中熔融后使坩锅形成由上而下逐渐下降的温度场或从坩锅底部通冷源以造成温度梯度使固液界面从坩锅底部向上移动而形成晶体。

浇铸法是将熔化后的硅液倒入模具内形成晶锭铸出的方形硅锭被切成方形硅片做成太阳电池。

目前使用最广泛的是浇铸法此法简单能耗低利于降低成本但容易造成错位、杂质等缺陷而导致光电转换效率低于单晶硅太阳能电池。

由于多晶硅太阳电池存在杂质问题光电转换效率比单晶硅电池低但成本有所降低。

目前阻碍太阳能电池推广应用的最大障碍就是成本问题为进一步降低成本基于薄膜技术的第二代太阳能电池登上了历史舞台。

【2】4.2第二代太阳能电池第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池。

在薄膜电池中很薄的光电材料被铺在衬底上大大地减小了半导体材料的消耗薄膜厚度仅1um 也容易形成批量生产其单元面积为第一代太阳电池单元面积的100 倍从而大大地降低了太阳能电池的成本。

薄膜太阳能电池材料主要有多晶硅、非晶硅、碲化镉等。

多晶硅薄膜太阳能电池技术较为成熟。

目前多晶硅薄膜生长技术主要有液相外延生长法、低压化学气相沉淀法、快热化学气相沉淀法、催化化学气相沉淀法、等离子增强化学气相沉淀法、超高真空化学气相沉淀法、固相晶化法和区熔再结晶法等。

薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题但是效率很低。

目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6%~8%【3】。

为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率各国学者开始研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理并在此基础上提出了第三代太阳能电池的概念。

4.34.3第三代太阳能电池太阳能转换成电能的卡诺循环效率可以达到95%而目前标准太阳能电池的理论转换效率上限为33%这说明提高太阳能电池的效率还有很大的空间。