在太陽內部進行的由"氫"聚變成"氦"的原子核反應，不停地釋放出巨大的能量，并不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽內部的這種核聚變反應可以維持幾十億至上百億年的時間。太陽能對人類是取之不盡，用之不竭的廣泛存在、平等給予和可自由利用的能源。

    盡管太陽能輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分子一，但已高達1.73×105W，也就是說太陽每秒照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。太陽幅射能穿越大氣層，因受到吸收、散射及反射的作用，未被吸收或散射而能夠直達地表的太陽幅射能稱為“直接”幅射能；而被散射的幅射能，則稱為“漫射”幅射能，地表上各點的總太陽幅射能即為直接和漫射幅射能二者的總和。地球上的風能、水能、海洋能、波浪能和生物能以及部分的潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來儲存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。

    太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比有三大特點：

    第一、它是人類可以利用的最豐富的能源，足以供地球人類使用幾十億年； 
    第二、地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發達的農村、海島和邊遠地區更有利用價值； 
    第三、太陽能是一種潔凈的能源。在開發和利用時，不會發生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態平衡，絕對不會造成污染與公害。

    但太陽能也有兩個主要的缺點：一是能流密度低；二是其強度受各種因數（季節、地點、氣候等）的影響，不能維持常量。這兩大缺點大大的限制了太陽能的有效利用。人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰國時期就知道利用鋼制的四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來干燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已經日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用、太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。

    化石能源資源的有限性，以及他們在燃燒過程中對全球氣候和環境所產生的影響日益為人們所關注。從資源、環境、社會發展的需求看，開發和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢。據專家預測，今后20～30年內，全球能源結構必將發生根本性的變化，到本世紀50年代，新能源與可再生能源將在整個能源構成中占50%。太陽能利用將是21世紀的重大課題。我國太陽輻射資源比較豐富，而太陽輻射資源受氣候、地理等環境條件的影響，因此其分布具有明顯的地域性。根據過去測量太陽能年輻射總量的大小，我國可劃分成以下四個太陽輻射資源帶，如圖1所示。我國的四個太陽輻射資源帶分布如圖所示：

 

Ⅰ 資源豐富帶 6700MJ(m2.a)*； Ⅱ 資源較富帶 5400-6700MJ/(m2.a)； Ⅲ 資源一般帶 4200-5400MJ/(m2.a)； Ⅳ 資源貧乏帶 < 4200MJ/(m2.a)；　*MJ/(m2.a)-兆焦/(平方米.年)

太陽電池的分類　　

    根據所用材料的不同，太陽電池可分為：1、硅太陽電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽電池等。太陽電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。

    １.傳統的太陽電池

    太陽電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽電池則還處于萌芽階段。世界上，1941年出現有關硅太陽電池報道，1945年，美國貝爾電話實驗室制造出了世界上第一塊實用的硅太陽電池，開創了現代人類利用太陽能的新時代。1958年太陽電池應用于衛星航天領域。隨后，人們先后研制了單晶硅電池，多晶硅電池，非晶硅電池，砷化鎵雙結電池等，可以得到能量轉化效率最高可以達到28%。但是，這種電池制造工藝復雜，成本很高，大約是傳統電池成本的10倍。

    太陽電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。如圖2，太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽電池的工作原理。

    提高轉換效率和降低成本是太陽電池制備中考慮的兩個主要因素，對于目前的硅系太陽電池，要想再進一步提高轉換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點除繼續開發新的電池材料外應集中在如何降低成本上來。

 

 

PN結太陽能電池工作原理

    2.染料敏化太陽能電池

    從1839年Becquerel發現氧化銅或鹵化銀涂在金屬電極上會產生光電現象以來，光電化學研究倍受關注。20世紀60年代，德國Tributsch發現染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的機理，成為光電化學電池的重要基礎。1971年Hond's 和Fujishima用TiO2電極光電解水獲得成功，這才開始了具有實際意義的光電化學電池的研究。在光電池研究中，大多數染料敏化劑的光電轉換效率比較低（<1%）。在常規電化學電池中，人們普遍采用的都是致密的半導體膜，只能在膜表面上吸附單層染料，而單層的染料只能吸收小于1%的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因而電化學電池的光電轉換效率一直小于1%，這也是幾十年來電化學太陽電池沒有得到發展的主要原因。直到最近的幾項突破性研究才使染料敏化光電池的光電能量轉換率有了很大提高。

    1991年，以瑞士洛桑高等工業學院M.Grutzel教授為首的研究小組采用高比表面積的納米多孔TiO₂膜作為半導體電極，以過渡金屬Ru以及Os等有機化合物作染料，并選用適當的氧化還原電解質研制出一種納米晶體光電化學太陽電池。M.Grutzel教授引進納米多孔的TiO₂膜15%的表面粗糙度的導電膜，使得整個半導體膜呈一個海綿狀，有很大的內部表面積，能夠吸收更多的染料單分子層，這樣既克服了原來電池中只能吸附單分子層而吸收少量太陽光的缺點，又可使太陽光在膜內多次反射，使太陽光被染料反復吸收，可產生更大的光電流，從而大大提高光電轉換效率。這種電池的出現為光電化學電池的發展帶來了革命性的創新，其光電能量轉換率在AM1.5模擬日光照射下可達7.1%。1993年M.Grutzel等人再次報道了光電轉換效率達10%的染料敏化納米太陽電池，2001年效率達到了10%～11%，短路電流密度為20.53mA/cm²,開路電壓為720ｍＶ。

    1998年，M.Grutzel等人進一步研制出全固態M.Grutzel電池,使用固體有機空穴傳輸材料替代了液體電解質,單色光光電轉換效率最大達33%，從而引起了全世界的關注。染料敏化納米晶太陽電池受到了很多國家的關注。經過近幾年的發展，其效率已穩定在10%以上。這種納米晶TiO₂太陽電池的優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10。壽命能達到20年以上。 但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

 

染料敏化太陽電池

    染料敏化太陽電池的結構主要是由鍍有透明導電膜(摻F的SnO2) 的導電玻璃、多孔納米TiO2膜、染料光敏化劑、電解質以及有多重作用的鉑電極幾部分組成。它的工作原理類似于自然界中的光合作用，綠色植物等的光合作用為太陽能－化學能的轉換過程，光激發初期的過程同半導體光電極過程很相似。由于納米結構的TiO2的帶隙為3.2eV, 可見光不能將它激發, 若在TiO2表面吸附一層可見光吸收特性良好的染料光敏化劑, 則染料分子在可見光作用下, 通過吸收光能從基態躍遷到激發態(見圖3), 由于激發態的不穩定性, 通過染料分子與TiO2表面的相互作用, 電子很快躍遷到較低能級的TiO2導帶,進入TiO2導帶中的電子最終將進入SnO2 導電膜, 然后通過外回路, 產生光電流；被氧化了的染料分子在陰極被I-還原, 回到基態,同時電解質中的I-3被從陰極進入的電子還原成I-,這樣便完成了一個循環。

 

染料敏化太陽電池的工作原理圖

    染料敏化太陽電池與傳統的太陽電池相比有以下一些優勢：

    第一、生產工藝簡單，易于大規模工業化生產； 
    第二、制備電池耗能較少，能源回收周期短； 
    第三、生產過程中無毒無污染； 
    第四、生產成本較低，電池中的導電玻璃可以再回收，預計每瓦的電池的成本在10元以內。

　　染料敏化太陽電池在經過十多年的發展，在試驗和理論的研究上取得了很大的進展，如果能夠近期內解決電池密封的問題，并且使光電轉化的效率有所提高，那么憑借它自身的低成本、工藝簡單和對環境友好等特有的優點，將會取代現有的以硅為主的太陽電池的市場。我們有理由相信在不久的將來，這種新型的太陽電池將會從實驗室逐步走進我們的生活中，在我們的日常生活和工作中扮演重要的角色。