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?1.太陽能概況
? 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。
?二十世紀(jì)50年代，太陽能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了兩項重大技術(shù)突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出6％的實用型單晶硅電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項技術(shù)突破為太陽能利用進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)展時期奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
?70年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年，美國制定了政府級的陽光發(fā)電計劃，1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投入達(dá)8億多美元。1992年，美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計劃，制定了宏偉的發(fā)展目標(biāo)。日本在70年代制定了“陽光計劃”，1993年將“月光計劃”（節(jié)能計劃）、“環(huán)境計劃”、“陽光計劃”合并成“新陽光計劃”。德國等歐共體國家及一些發(fā)展中國家也紛紛制定了相應(yīng)的發(fā)展計劃。90年代以來聯(lián)合國召開了一系列有各國領(lǐng)導(dǎo)人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、國際太陽能公約，設(shè)立國際太陽能基金等，推動全球太陽能和可再生能源的開發(fā)利用。開發(fā)利用太陽能和可再生能源成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。
?自“六五”以來我國政府一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計劃，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。二十多年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。
2.光伏效應(yīng)
?????? 光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結(jié)為例說明。
??????? 熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)。P-N結(jié)的形成：
??????? 同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量ΔE很小，在室溫下雜質(zhì)差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向?qū)Ψ綌U散。設(shè)想在結(jié)形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復(fù)合，這樣在原來是N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴散到N區(qū)后，由不能運動的受主離子NA-形成負(fù)的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內(nèi)電場（稱內(nèi)建電場）此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達(dá)到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場。
?????? ?P-N結(jié)能帶與接觸電勢差：
??????? 在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。
?????? ?N型、P型半導(dǎo)體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場作用下，EFN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結(jié)區(qū)這時導(dǎo)帶與價帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨存在時費米能級之差：
???????? qUD=EFN-EFP??得???UD=(EFN-EFP)/q
???????? q：電子電量
???????? UD：接觸電勢差或內(nèi)建電勢
?????????對于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：
???????? UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)??? NA、ND、ni：受主、施主、本征載流子濃度。
?????????可見UD與摻雜濃度有關(guān)。在一定溫度下，P-N結(jié)兩邊摻雜濃度越高，UD越大。
??????? ?禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大。
???????? 光照下的P-N結(jié)
???????? P-N結(jié)光電效應(yīng)：???????????
??????? 當(dāng)P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。
?????? 實際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τp的時間內(nèi)擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時間內(nèi)擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復(fù)合掉，對P-N結(jié)光電效應(yīng)無貢獻(xiàn)。
???????光照下的P-N結(jié)電流方程：
?? ??? 與熱平衡時比較，有光照時，P-N結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結(jié)反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時??I=I0eqU/KT - (I0+Ip)
??????? 令I(lǐng)p=SE，則??I=I0eqU/KT - (I0+SE)
???????開路電壓Uoc：
???????光照下的P-N結(jié)外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：
??0=I0eqU/KT - (I0+SE)
??Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)
??????? 短路電流Isc：
??????? 光照下的P-N結(jié)，外電路短路時，從P端流出，經(jīng)過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。
??? Uoc與Isc是光照下P-N結(jié)的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關(guān)系，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關(guān)系。
??? a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。
??? b)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。
??? c)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路短路，P-N結(jié)兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內(nèi)建電場分離后流入外電路形成短路電流。
??? d)有光照有負(fù)載，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結(jié)因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-Uf)。
3．太陽能電池
??????? 電池行業(yè)是２１世紀(jì)的朝陽行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中，最沒有污染、市場空間最大的應(yīng)該是太陽能電池，太陽能電池的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視。
?????? 太陽的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽的光除了照亮世界，使植物通過光合作用把太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N養(yǎng)分，供人們食用，產(chǎn)生纖維質(zhì)供人們做衣服，生長木材給我們建筑房屋以外，太陽的光還可以通過太陽能電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。太陽能電池是一種近年發(fā)展起來的新型的電池。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”，用于太陽能電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，半導(dǎo)體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當(dāng)受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導(dǎo)體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導(dǎo)體，以符號N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個P－N結(jié)。太陽能電池的奧妙就在這個“結(jié)”上，P－N結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電。這樣，在P－N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。
??????? 1953年美國貝爾研究所首先應(yīng)用這個原理試制成功硅太陽電池，獲得6%光電轉(zhuǎn)換效率的成 果。太陽能電池的出現(xiàn)，好比一道曙光，尤其是航天領(lǐng)域的科學(xué)家，對它更是注目。這是由于當(dāng)時宇宙空間技術(shù)的發(fā)展，人造地球衛(wèi)星上天，衛(wèi)星和宇宙飛船上的電子儀器和設(shè)備，需要足夠的持續(xù)不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長，使用方便，能承受各種沖擊、振動的影響。太陽能電池完全滿足這些要求，1958年，美國的“先鋒一號”人造衛(wèi)星就是用了太陽能電池作為電源，成為世界上第一個用太陽能供電的衛(wèi)星，空間電源的需求使太陽電池作為尖端技術(shù)，身價百倍。現(xiàn)在，各式各樣的衛(wèi)星和空間飛行器上都裝上了布滿太陽能電池的“翅膀”，使它們能夠在太空中長久遨游。我國1958年開始進(jìn)行太陽能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。以太陽能電池作為電源可以使衛(wèi)星安全工作達(dá)20年之久，而化學(xué)電池只能連續(xù)工作幾天。
????????空間應(yīng)用范圍有限，當(dāng)時太陽電池造價昂貴，發(fā)展受到限。70年代初，世界石油危機促進(jìn)了新能源的開發(fā)，開始將太陽電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用，技術(shù)不斷進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率提高，成本大幅度下降。時至今日，光電轉(zhuǎn)換已展示出廣闊的應(yīng)用前景。
??????? 太陽能電池近年也被人們用于生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域。從1974年世界上第一架太陽能電池飛機在美國首次試飛成功以來，激起人們對太陽能飛機研究的熱潮，太陽能飛機從此飛速地發(fā)展起來，只用了六七年時間太陽能飛機從飛行幾分鐘，航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽?，F(xiàn)在，最先進(jìn)的太陽能飛機，飛行高度可達(dá)2萬多米，航程超過4000公里。另外，太陽能汽車也發(fā)展很快。
?????? 在建造太陽能電池發(fā)電站上，許多國家也取得了較大進(jìn)展。1985年，美國阿爾康公司研制的太陽能電池發(fā)電站，用108個太陽板，256個光電池模塊，年發(fā)電能力300萬度。德國1990年建造的小型太陽能電站，光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)30％多，適于為家庭和團(tuán)體供電。1992年美國加州公用局又開始研制一種“革命性的太陽能發(fā)電裝置”，預(yù)計可供加州1／3的用電量。用太陽能電池發(fā)電確實是一種誘人的方式，據(jù)專家測算，如果能把撒哈拉沙漠太陽輻射能的1％收集起來，足夠全世界的所有能源消耗。
?????? 在生產(chǎn)和生活中，太陽能電池已在一些國家得到了廣泛應(yīng)用，在遠(yuǎn)離輸電線路的地方，使用太陽能電池給電器供電是節(jié)約能源降低成本的好辦法 。芬蘭制成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機，太陽能電池板就裝在住家的房頂上，還配有蓄電池，保證電視機的連續(xù)供電，既節(jié)省了電能又安全可靠。日本則側(cè)重把太陽能電池應(yīng)用于汽車的自動換氣裝置、空調(diào)設(shè)備等民用工業(yè)。我國的一些電視差轉(zhuǎn)臺也已用太陽能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎。
?????? 當(dāng)前，太陽能電池的開發(fā)應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化；小功率小面積的太陽能電池在一些國家已大批量生產(chǎn)，并得到廣泛應(yīng)用；同時人們正在開發(fā)光電轉(zhuǎn)換率高、成本低的太陽能電池；可以預(yù)見，太陽能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一，在人們的生產(chǎn)、生活中占有越來越重要的位置。
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