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第2章 太阳能电池篇（第1页）

太阳能电池的历史可以追溯到19世纪初，以下是其发展的主要历程：

1.光电效应的发现：1839年，法国物理学家A.E.贝克雷尔首次发现了光电效应，即光照射到某些物质表面时，会产生电流。

2.早期太阳能电池的发明：1883年，美国科学家查尔斯·弗里茨在锗片上镀上一层硒金属电极，建立了第一块光伏电池，但其转换效率只有1%，而且成本极高。

1.硅太阳能电池的发展：20世纪50年代，美国贝尔实验室的研究人员发明了第一种硅太阳能电池。他们将硅材料与其他材料结合，形成了一种能够更高效地转换太阳能的太阳能电池。这种硅太阳能电池的转换效率较高，成为当时最常用的太阳能电池。

2.多结电池的研制：1989年，研制出了多结电池。这些电池堆叠了非常薄的不同材料层，以从太阳捕获更多的能量，使它们成为迄今为止最有效的电池板。

3.钙钛矿太阳能电池的发展：钙钛矿是一种因其光伏潜力而成为最近头条新闻的材料，已经进一步提高了效率。凭借其独特的晶体结构，钙钛矿使串联电池（结合硅和钙钛矿层）的效率达到30%以上。

1.太空应用：太阳能电池的第一次主要应用是在1958年发射的先锋一号卫星，使其成为太空中第一个太阳能驱动的物体。

2.地面应用：从20世纪60年代到80年代，太阳能电池板的采用在缓慢蔓延，特别是在电力线路不切实际或成本过高的偏远地区。例如，广播和电视塔、气象站、卫星地面站、灌溉泵、海上石油平台、灯塔和浮标都开始依赖太阳能。在发展中国家，太阳能技术为偏远的村庄带来了电力，使照明和疫苗冷藏等基本服务成为可能。

1.叠层电池技术：叠层电池，也被称为光伏电池的终极技术，通过将多个不同材料的光伏电池单元垂直堆叠在一起来实现高效利用太阳能。每个单元都具有不同的带隙宽度，可以吸收特定波长的光线。通过这种叠层设计，叠层电池能够同时利用不同波长的光线，提高光电转换效率。

2.提高效率和降低成本：未来太阳能电池技术的发展方向主要是提高转换效率和降低成本，以实现更广泛的应用。

太阳能电池的工作原理基于半导体pN结的光生伏特效应。当太阳光或其他光照射半导体的pN结时，就会在pN结的两边出现电压，叫做光生电压。具体来说，当光照射到pN结上时，产生电子-空穴对，在半导体内部p-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入N区，空穴流入p区，结果使N区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在p-N结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。

太阳能电池是由两种半导体材料构成的：有电子空穴的p型半导体及有多余电子的N型半导体。这两种材料经过处理可以在形成p-N结。p-N结周围覆盖一层的金属电极连接在外界负载上，构成一个完整的太阳能电池。

太阳能电池的工作过程

1.载流子的产生：当太阳光照射到太阳能电池上时，光子和电子发生碰撞，光子的能量被电子吸收并被释放出电子，于是产生了激发和电子-空穴对的行为。

2.载流子传输：这些电子开始在负极和正极之间产生迁移行为，为电路提供电能。

3.载流子复合：在这个过程中，部分载流子会重新复合，但仍有一部分能够形成电流。

根据应用场景，太阳能电池可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种类别。其中，以单晶硅太阳能电池的电能转换效率最高，多晶硅次之，非晶硅效率较低。

太阳能电池具有多种特点，如转化效率高、工作可靠、适合大规模生产等。太阳能电池无污染、免费、可再生、储存方便等优点在电照明交流场所、农村、野外、灾区、卫星及载人和无人飞行器等方面有着广泛的应用前景。

太阳能电池作为一种清洁能源技术，其应用领域广泛，涵盖了多个行业和生活场景。以下是太阳能电池的主要应用领域：

太阳能电池可以安装在屋顶上，形成屋顶光伏系统，将太阳能转化为电能供自己使用，或者将多余的电能反馈到电网中。

在较大的土地上建设太阳能电站，通过规模化建设大量的光伏电池板来发电，供应给城市和工业区域。

例如偏远地区、山区、荒漠地区等，通过太阳能光伏发电系统可以独立供电，满足当地的电能需求。

太阳能光伏发电系统可以应用于移动设备，如行车、船舶、卫星等，提供便携式的电能供应。

利用太阳能电池为农业灌溉系统、温室大棚等提供电能支持，实现农业生产的绿色化和智能化。

太阳能电池板作为卫星、空间站等航天器的电源系统之一，为其提供持续的电能供应。

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