对太阳能专业的教学意见之光电转换技术

对太阳能专业的教学意见之光电转换技术

岳东

（德州职业技术学院电子与新能源系山东德州253034）

摘要：培养学生树立专业信心，理解光电转换原理，实践太阳能发电技术，研制出高品质的电池板。

关键词：太阳能；光电转换；研发；制作；电池板

目前，太阳能发电作为一门实用技术，得到了广泛的应用，虽然在推广的过程中受到了制约，但是太阳能作为绿色的可再生能源，必将是人类的首选，有着无限的发展空间。因此，太阳能专业应该培养学生，坚信自身价值，勇于面对光伏技术中存在的困难，把学习和创新的理念融入到教学实践中。制定出切实可行的而又着眼于未来发展的人才培养方案，方案分为三个阶段：光电转换技术、电能储存技术、控制系统技术。下面谈谈对第一阶段的教学建议。

一、树立学生的专业信心

太阳能电池是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射到地球上的太阳能，便足以供应全球人类一年的能量消费。可以说，太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。太阳能发电绝对干净，不产生公害，所以被誉为最理想的能源。

我国的太阳能发电技术自20世纪70年代以来，经过“六五”“七五”“八五”三个五年计划攻关取得了一定的发展，产品主要为单晶硅电池和多晶硅电池，其它类型的光电池目前还处于研制阶段，每年生产能力为4—4．4MW。德州地区太阳能的利用已经取得了显著成效，除太阳能热水器外，太阳能温室、塑料大棚在广大农村普及发展，种植业、水产养殖业、畜禽饲养业都应用了太阳能技术。但是，德州的太阳能电池目前尚处于初级阶段，只是单一地购买，组装，并用于主要街道的照明，研发和生产几乎是空白，这和德州太阳城的美誉是极不相符的。要改变这一现状，需要大批的光电技术人员。

随着太阳能开发利用技术的日趋成熟和人们节能环保意识的不断提高，太阳能将成为各国优先发展的能源产业之一。不少国家都已经制定了鼓励太阳能产业发展的减免税和应用补贴政策。因此，我国也会制定出鼓励太阳能利用的更加优惠、更加具体的政策。必须根据我国国情，积极跟踪国际先进技术，加大技术引进和自我创新能力，选好突破点，我们有可能在短时间内赶上世界先进水平。加速开发无污染可再生的太阳能资源，力争到2020年建成500万千瓦的太阳能发电量，使太阳能成为我国最大的可再生能源。机遇和市场摆在面前，太阳能专业的学生毕业后大有用武之地。

二、理解光电转换原理

太阳能电池的第一个环节就是光电转换，它是以光学、电学、电子技术和量子物理学方面的理论为基础。可是太阳能电池的发电原理又不同于传统的发电原理，对于学生来说是陌生的的理论。因此，在授课内容的选取上，既要让学生明白光能转换成电能的道理，又要避开大量的光学和电学方面的知识，特别是深奥的量子物理学方面的理论，应以电子技术的应用为主体。具体的教学要点分为下述两个方面。

半导体的单向导电性。以常用的半导体材料硅来说，它的原子核最外层有4个价电子，常温下，少数价电子受光照激发后，获得一定的能量，便可能挣脱原子核的束缚而成为自由电子，与此同时，原来的位置上留下一个空穴，相当于一个带正电的粒子，依此类推，自由电子和空穴便形成了一一对应的数量关系，即电子—孔穴对。它们是带等量异种电荷的自由粒子，同时参与导电，这是半导体的本质特征。将纯净的半导体掺入杂质，得到了P型和N型两种半导体，再将这两种半导体结合在一起，便形成了成品半导体PN节，即通常所说的晶体二极管。由于二极管存在内电场，所以只允许电流单方向通过，即直流电。

光电流的形成。光所携带的能量是以单个光子为单位的，而光子的能量高低取决于光的频率，频率越高，能量越高，如蓝光的能量高于红光。当太阳光照射到成品半导体表面时，二极管中的价电子吸收了光子的能量后，就被激发出电子—孔穴对，其数量等于被吸收的光子数。只要光线达到一定的频率和强度，就能产生相当数量的电子—孔穴对。由于二极管存在内电场，所以能在光照下形成电流，这个电流既可以对蓄电池充电，作为电能储存起来，即太阳能电池，又可以直接对负载供电。

三、研制开发出高品质的太阳能电池板

光电转换的技术已经成熟，但是，想要大规模利用太阳能，与常规发电相比，成本仍然太高。目前，世界太阳能电池的实验室效率最高水平为单晶硅电池24％，实际应用的水平要低于20％；我国太阳能电池的实验室效率最高水平为单晶硅电池20％，实际应用的水平要低于16％。电池板直接接受阳光照射，把光能转换成电能，它的效率和成本决定了太阳能电池的效率和成本。因此，太阳能电池板的品质是太阳能电池存在和发展的依据。

研发出高效无毒的电池板。研发首先是一种意识，不一定需要长期的知识积累和过深的理论基础，对应用材料的开发，需要的是探索和实践。一般对电池板材料有如下要求：充分利用太阳能辐射，半导体材料的禁带不能太宽，否则太阳能利用率太低；较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；便于工业化生产且性能稳定。再从原料资源，生产工艺和性能方面综合考虑，硅是最适合最理想的材料，目前占主导市场的是单晶硅和多晶硅。

研发的突破口。材料要方便选取，最好是就地取材且无公害，应用半导体的禁带宽度要合理设计，这点大有文章可作，应兼顾成本和效率；应留意晶硅以外的材料，如非晶硅薄膜、铜铟硒薄膜等，合成材成技术的拓展，为应用材料的开发，提供了广阔的空间。现如今，我国的太阳能产业的发展遭遇到了瓶颈。在整个产业链中，原料技术和设备已经被国外垄断，国内太阳能企业能做的只有终端设备的研发和生产。所以，积极拓展产业链上游业务，即电池板的开发，才能让我国走出目前的困境。从根本上来讲，增强太阳能研发力量才能保障我国太阳能产业的发展和普及。

四、制作出高品质的太阳能电池板

晶体硅作为太阳能电池板的主要原料，占总成本的40％以上。虽然我国的硅原料矿藏量占世界的25％，但因我国现有的硅原料原始提炼技术远远落后于西方发达国家，导致国内电池板生产企业所需原料绝大多数需要从国外进口。另外，随着光伏产业的升温，已经有越来越多的公司参与晶硅生产，涉足太阳能发电，由于市场供应不足，晶硅短缺，价格大幅上涨，增加了企业成本，制约了我国光伏产业的发展。

培养高技能的晶硅制作人才。单靠生产规模的扩大来降低成本有一定的限度，从根本上来讲，提高生产技术和加工精度才是目前的唯一出路。也就是说，企业需要的是精尖的技术人员。电池板是由单一电池经过串并联组成的电池系统，称为电池组件。单一电池是一只硅晶体二极管，由于技术和材料的原因，发电量是十分有限的，不能作为实用电池，而必须把单个二极管连接排列成矩阵，达到一定的功率，才能作为发电机使用。矩阵的形成需要解决两个问题，一是连接线路，二是布局排阵。虽然我国已经投入了现代化的生产线，电池板也已经开始了大规模的加工，但这并不等于说，一定能够得到高质量的电池板。以德州地区来说，目前尚不具备生产电池板的能力，原因有三个方面，材料、技术和设备。实施教学的时候，应该在制作技术上下功夫，包括设备使用和矩阵连接排列两个方面。自动化的生产是由计算机发出的指令进行控制的，而计算机接受的是操作程序，所以编程是完成加工的关键，程序是操作人员创造性的劳动成果。市面上有成品的电池板，如果只是一味的组装套用，那是简单重复的劳动，是短期行为。电池板内部布局应考虑电压、电流，尤其是功率效应，让学生主动的去连接线路，排列出二极管矩阵，再进行评估测试，这是创造性的实践。

我国光伏产业正以每年30％的速度增长，它需要的人才，不仅应该具备高技能，更应该具备创新的意识，研发并创造出新产品，才能使我国的太阳能产业走出瓶颈，蓬勃发展。

参考文献：

[1]张淑谦董忠良：化工与新能源材料及应用

[2]北京：化学工业出版社2010—09

作者简介：

岳东（1964——），男，汉族，高级讲师，电子技术专业。