什么是太阳电池?

[拼音]：taiyang dianchi

[外文]：solar cell

利用光生伏特效应将太阳光的能量直接转换为电能的固态电子器件。在受到光照时，太阳电池因吸收光而产生电子-空穴对。其中一部分电子-空穴对能够迁移到PN结的内电场处而被电场分开向相反方向运动，从而形成光电流和光电压，这就是光生伏特效应。在太阳电池的光-电能量转换过程中，不需经过其他中间能量形式，只是排出热量成为废热。

最早的光生伏特器件是硒光电池。它的转换效率太低，实际上不可能用来发电，只能作为光检测元件使用。1954年，具有相当高的转换效率 (6％)的单晶硅太阳电池问世，使利用太阳电池发电有了现实可能性。太阳电池这一名称从此出现。

对太阳辐射光子能量谱的理论分析表明，从能量转换效率来看，能隙为1.1～2.0电子伏的材料较适于制作太阳电池，而以1.5电子伏左右为最佳。硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)和碲化镉(CdTe)等是主要的材料。由于硅储量最丰富、最便宜，且提取制备技术最先进，在外层空间应用中至今还没有任何别的材料能够取代硅。用 P型硅材料制作的常规太阳电池的AM0效率为11.5％左右。AM为“空气质量”的缩写，它表示考虑大气层对阳光的修正。AM0阳光为未穿越大气层即地球外层空间处的阳光。AM1阳光为垂直穿过大气层后的阳光。AM2、AM3…为斜穿过大气层即等效于穿过2个、3个…大气层后的阳光。

70年代初期，硅太阳电池的研制有几项重大突破：

（1）用 N型硅材料制作的掺锂电池。这种电池在被辐照损伤后有“恢复”能力，AM0效率达 13.8％。

（2）制成了对紫、蓝光有较好响应的浅结的“紫电池”，其AM0转换效率达15.5％。

（3）在电池背面加一高掺杂区形成背电场，使电池的开路电压大幅度提高。硅太阳电池在地面阳光(AM1.5)下的最高效率已达19.1％。

砷化镓太阳电池价格昂贵，但自从采用外延工艺制成GaAs-AlGaAs异质结后，转换效率(AM1)已达22％。由于砷化镓的能隙（1.43电子伏）更接近于最佳值，能在更高的温度下运行和具有比硅更优越的抗辐照能力，因此人们正在大力研究砷化镓太阳电池。便宜的多晶硅太阳电池、易于大面积廉价制造的Cu2S-CdS太阳电池、很有希望作为廉价的地面用能源的非晶硅薄膜太阳电池等正处于研究阶段，有些已有产品。研究中的还有半导体与液体异质结太阳电池、电化学光电池以及光电解电池等。为了更充分地利用太阳能，人们还研制了聚光太阳电池以及进行热光伏转换。

硅太阳电池的核心部分是一个PN结（图1）。在厚约 0.3～ 0.5毫米的单晶硅片（如P型硅片）表面做一薄的反型层（如用扩散法形成N型层）即成PN结，然后在结的两面施加上、下电极，并在上表面敷以减反射膜。在空间应用中，还须在光照面粘上保护玻璃，以减轻辐照损伤。

如果太阳电池的外电路是开路的，被内电场分开的光生电子和空穴就分别累积在PN结两侧形成光电压，称为开路电压。如果外电路是短路的，这些被分开的光生电子和空穴则流向外电路形成光电流，称为短路电流。如果外电路接有一定的负载，则在负载上得到光电压和光电流，即获得一定的输出功率。硅太阳电池在一定光照下的电流与电压的关系 (即光照下的伏-安特性曲线)如图2。曲线与横轴和纵轴的交点分别为开路电压U


和短路电流I


。这两点的电流、电压值是在一定光照下由一个硅太阳电池所能得到的最大电流和电压，但是这两点没有功率输出，因为在开路点电流为零，在短路点电压为零。曲线上其他点有功率输出，但各点输出功率不同。若以Im和Um分别表示输出功率最大点的电流和电压，则其乘积ImUm即为电池的最大输出功率Pm。Pm与开路电压和短路电流乘积U


I


之比（即图2 中影线与虚线所示矩形面积之比）被称为电池的填充因子FF。而电池的能量转换效率η则是Pm与入射到电池光照面积上的光功率之比。

太阳电池的转换效率与入射光的强度有关。当光源的光谱分布和电池温度不变时，效率η 随光强的增加而上升，直至电池串联电阻的影响变得严重了，效率才开始下降。当光源的光谱分布不同时，同一个电池即使在同样的光强下也表现出不同的转换效率。硅太阳电池只对0.4～1.1微米波长范围内的光有响应。在测量太阳电池的转换效率时，要指明光源的光谱分布和光强，如AM0135.3毫瓦/厘米2、AM1 100毫瓦/厘米2等。

对温度的敏感性是半导体器件的特征之一，硅太阳电池的各项性能指标也都是温度的函数。如转换效率随温度升高而下降，温度每升高1


，转换效率大约降低千分之五。

硅太阳电池的转换效率一般不随时间而衰退。但如受到高能粒子如电子、质子的辐照，则转换效率会衰降。此外，潮湿和腐蚀性气氛对电池金属电极有侵蚀作用，会导致电极失效，机械冲击等会造成电池碎裂。太阳电池在使用中须注意封装和防护，并考虑散热问题。

单片硅太阳电池在阳光下的开路电压约0.5～0.6伏，短路电流约30毫安/厘米2。用作电源时，应将许多片电池串、并联，以取得所需的电压和电流。为了提高组合太阳电池的可靠性，应尽量减少串、并联的电池数目，即减少接点，这就要增加单个太阳电池的面积。方形的硅太阳电池已由标准的2×2厘米2发展为5×5厘米2和10×10厘米2等多种尺寸。圆形的直径也达到了10厘米。

硅太阳电池具有很长的寿命和高的功率/重量比，主要用作航天器的电源。它在地面上主要用作航标灯、无人中继站的电源，还可用于电牧栏、太阳能水泵、电子表和计算器。已出现用太阳电池供电的房屋和太阳电池发电站，但功率较小，最大者尚不过6兆瓦。除用于发电外，太阳电池还可作为光敏元件来使用，如用于曝光表、光电比色计、医疗仪器（如血氧计）和电影放映机的还音系统等。

太阳能作为无污染的能源和矿物燃料的一种替代品，日益受到人们重视。用太阳电池发电已引起了人们的极大关注。太阳电池用作地面大规模发电装置的主要困难是价格昂贵。

参考文章

如何处理太阳电池的温升和通风问题？新能源技术

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