太阳能知识

　　太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3。8×10^23kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kW。

　　20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、 环境、 社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。

　　在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。 一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。 太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一，又其中７０％是照射在海洋上，于是仅剩下约１．５×１０^17千瓦．小时，数值约为美国１９７８年所消费能６０００倍。未被吸收或散射而能够直达地表的太阳幅射能称为「直接」幅射能；而被散射的幅射能，则称为「漫射」（ｄｉｆｆｕｓｅ）幅射能，地表上各点的总太阳幅射能即为直接和漫射幅射能二者的总和。

　　太 阳 能 热 利 用

　　(一)太阳能集热器

　　太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。

　　太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中,接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器.按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。另外还有一种真空集热器 一个好的太阳能集热器应该能用20-30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40-50年且很少进行维修。 　

　　(二)太阳能热水系统

　　早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。

　　依循环方式太阳能热水系统可分两种：

　　（a）自然循环式 此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像（thermosiphon），促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。

　　（b）强制循环式　　热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀（ｃｈｅｃｋ　ｖａｌｖｅ）以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间內的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处；但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。 因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。

　　(三)、暖房

　　太阳能暖房系统（ｓｐａｃｅ－ｈｅａｔｅｎｇ）利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室內必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。

　　大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室內暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器內的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置內、直接装设在房间內或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房的热（ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ）装置方式供作暖房使用。

　　最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室內或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室內；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室內，在利用风扇吹送被加热空气至室內，而达到暖房效果。

　　太 阳 能 电 池 的 开 发

　　太阳能电池是一种有效地稀收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件.下面介绍北京太阳能光电研究中心对太阳能电池的研究情况.晶体硅高效太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池的研究开发以及研究成果向产业化转化。

　　1.高效晶体硅太阳电池　

　　光电中心高效晶体硅太阳电池研究开发项目有钝化发射区太阳电池（PESC）、埋栅太阳电池（BCSC）及多晶硅太阳电池。

　　●钝化发射区太阳电池（PESC）光电中心研究钝化发射区太阳电池（PESC）的基本目的是探索影响电池效率的各种机制，为降低太阳电池成本提供理论和工艺依据，推动太阳电池理论的发展。实验中采用的材料为区熔（FZ）、p-型（掺硼）［100］单晶硅，电阻率ρ＝0．2～1．2Ωcm，厚度t＝280－350μm，双面抛光。电池工艺包括正面倒金字塔织构化、前后表面钝化、制备选择性发射区、减反射表面、背场、前后金属接触等。目前电池达到的水平见表1。

　　表1　PESC电池的性能（测试条件AM1.5，25℃）

* A：美国国家可再生能源实验室，
    B：北京市太阳能研究所

●多晶硅太阳电池 在PESC电池和BCSC电池的基础上，光电中心开展了多晶硅太阳电池的研究，以适应我国未来多晶硅太阳电池发展的需要。实验中使用的材料为Bayer公司p-型多晶硅片，厚340μm，电池制作工艺过程包括吸杂、制备p-n结、钝化、形成背场和金属化等。实验制备的最好电池的特性见表3。

表3　PESC电池的性能（测试条件：AM1．5，25℃）

　　多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点，又有大幅度减少材料用量从而大幅度降低成本的潜力，因而成为目前光伏界的研究热点。

　　光电中心采用快速热化学气相沉积（RTCVD）、等离子增强化学气相沉积（PECVD）和a-Si／μc-Si迭层电池等不同工艺对多晶硅薄膜太阳电池进行了研究。RTCVD多晶硅薄膜SiH2Cl2或SiCl4为原料气体在石英管反应室内沉积而成。研究工作初期，以重掺杂非活性硅为衬底，电池性能列于表4。

　　图1　RTCVD多晶硅薄膜太阳电池的结构　
　　PECVD多晶硅薄膜太阳电池的结构为：（Al／Ag）／ITO／p-a-Si：H／n-a-Si：H／n-poly-Si／n＋＋非活性Si衬底（0.005Ωcm）／Ti-Pd-Ag。
其中n型Poly-Si薄膜（～10μm）采用快速PECVD和固相晶化法制备。电池的性能列于表4。

　　a-Si／μc-Si迭层电池（与中国科学院半导体研究所合作）结构为：玻璃／SnO2膜／p-i-n a-Si：H电池燉p-i-n μc-Si：H电池燉Al。电池的性能列于表4。

　　　　　　　表4　多晶硅薄膜太阳电池的性能（测试条件：AM1.5，25℃）

3.太阳电池性能测试　　

　　中心已建立太阳电池和材料测试实验室，购置了必要设备。这些设备包括I-V测试系统，光谱响应测试系统，C-V测试系统，原子力显微镜，膜厚测试系统，保证了研究开发工作的需要。