太阳能电池板原理分析
周乐+周捷
摘 要：全球经济迅速发展，科学技术突飞猛进，能源需求日趋增长，从当前来看，太阳能光伏产业面临着广阔的发展空间。本文首先阐述了太阳能电池板的工作原理、特性以及分类，不仅有助于更多的人对太阳能电池板形成更深刻的认识，而且还对其生产和应用有全新的展望。
关键词：太阳能；光伏效应；特性分类；应用展望
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.259
1 概述
在全球经济不断发展以及科学技术飞速提升的影响下，整个社会对能源的需求量也在连年上升。尽管在未来一段时间之内矿物燃料仍然不可能退出能源市场，但是人们已经开始关注再生资源的开发和利用，并且当前已经针对太阳能、核能、地热能以及风能等资源的开发和利用展开了一系列的探索活动，再生资源在世界能源结构中所占比例不断增加。太阳能比其他新能源成本低，而且具有绿色无污染的优势，因此是一种非常理想的新能源。
随着新世纪的到来，太阳能光伏产业的发展很快，太阳能以可以储存的形式出现，极大地满足了人们的生活需求，陆续出现了太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能地暖等。
Dataquest的调查统计结果显示，研究太阳能电池应用的国家已经达到136个，而且有将近一百个国家正在从事大规模太阳能电池的研发工作。太阳能电池板正作为一门新兴产业，正在高速发展。
2 太阳能电池板的工作原理
太阳能光伏电池是一种可以转化太阳能为电能的特殊装置，该装置利用了光伏效应原理。所谓光伏效应全称叫做半导体PN结的光生伏特效应，一旦光线照射物体，物体内部的电荷分布状态就会发生变化，进而有电流出现。
太阳能光伏电池表面覆盖一层半导体薄片，这种薄片与金属薄膜极为相似。一旦阳光照射到半导体薄片，很大一部分太阳光就会被半导体所吸收。被半导体吸收的太阳光会转化为两种形式：一是转化为热能；二是产生空穴对。生成于PN结附近的载流子进入空间电荷区，在内部电场的作用下，电子流与空穴流分别进入N区和P区，导致N区与P区分别储存了过剩的电子和空穴，二者在P—N结附近形成光生电场（不同于势垒方向）。光生电场不仅使势垒电场减弱，而且还使P区和N区分别带上正电和负点，如此一来，电动势出现。
如果将金属引线焊接在P型层和N型层，一旦负载接通，就会有电流在外电路通过。将多个电池原件分别以串联或并联的方式连接在一起，就会形成满足人们需要的电压和电流，太阳能便被转变成光能。除此之外，接受阳光照射的那一面覆盖一层氧化硅膜，它的作用在于降低阳光的反射作用，增加太阳能电池对阳光的吸收。
3 太阳能电池板基本特征及类型划分
根据结晶状态的标准可以将太阳能电池划分为两大类，一类为结晶系薄膜式，另一类为非结晶系薄膜式，前一类包括单结晶形和多结晶形兩种。按照制作材料的标准可以将太阳能电池划分为五种类型：一是硅太阳能电池，转换效率最高的当属单晶硅太阳能电池，而且技术水平最高；二是利用包括砷化镓III-V化合物在内的无机盐、锡铟铜以及硫化镉等材料制作而成的太阳能电池；三是由有机半导体制作而成的太阳能电池；四是纳米晶太阳能电池等。单晶硅电池主要包括刻槽埋栅电极单晶硅电池以及平面单晶硅电池两种，电池转化效率一般都在20%以上。与单晶硅电池相比，多晶硅电池中硅的含量较少，转换效率不会出现明显下降，电池成本也偏低，最重要的是，多晶硅电池的转换效率比非晶硅薄膜电池要高，一般约为12%。尽管与结晶硅电池的转换效率相比，非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率处于较低水平，可是这种电池的成本不高，因此它同样有很大的发展优势，也因此受到人们的欢迎。
太阳能光伏电池的工作原理是借助于特殊的装置转化太阳能为光能，所以阳光强度、照射时间以及电池温度等因素都会对太阳能电池的特性产生影响。太阳能电池特性与影响因素之间的关系：一是日照强度因素与太阳能电池的短路电流之间呈正相关性；二是电池片表面温度与太阳能电池的输出电量之间呈正相关性，温度越高，电量输出越低。当日照强度一定时，冬季电量输出会高于夏天。随着科学技术的进步，太阳能电池的稳定性大大提高，电池的转化效率也有了明显改善，有助于推广太阳能在人们日常生活中的应用。
4 太阳能电池板的应用及展望
随着太阳能光伏产业的不断发展，太阳能电池由原有的航天领域、军事领域已经扩展到社会其他很多领域，如通信领域、交通领域、农业领域、公共设施领域、工业领域等。从上世纪90年代起，全世界太阳能电池行业连年增长，而且增长幅度达到15%，生产光电池或相关产品的企业约为4600家。
我国人口数量很多，人均能源占有量很少，因此我国必然要积极寻找可再生资源，而太阳能电池发电技术便是我国发展可再生资源做出的探索之一。与世界光伏产业发展相比，我国处于落后地位，不仅生产规模有限，技术水平也不高，生产原料的质量以及种类与发达国家的差距比较大。国家已经考虑将光伏产业纳入“863”计划扶持项目，一方面要尽量减少太阳能发电成本，另一方面要设法改善发电质量。据权威人士介绍，我国太阳能光伏电池生产总量在未来3年至5年之内会上升为15至20兆瓦。
太阳能电池市场一定会在未来有更大的发展，很多国家都在积极投身于太阳能电池的研发工作，其产量和性能指标都将飞速提高；从另一角度来分析，要设法增加应用市场，我国为发展太阳能行业提供了大量的财政支持，在很大程度上促进了太阳能应用领域的发展，太阳能电池板的生产和应用将进入崭新的历史阶段。
作者简介：周乐（1981-），讲师，从事电工电子、机电一体化专业的一体化教学。
