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太阳能发电电池及有关半导体发展的最重要的 科学事件

一般而论，太阳电池是指任何能将太阳光直接转换为电力的一种半导体器件， 值得注意的是实现光能到电能的直接转换，没有任何中间转换过程。太阳电池也可 以称为光伏电池，这主要是按照半导体材料所依据的光伏效应而论。在实际使用过 程中，都是将一定数量的太阳电池进行串联连接，并使用无机与有机材料通过真空 封装做成板块状结构，一般称为太阳电池组件或光伏组件。

国际上普遍认为光伏现象是法国科学家亚历山大•埃德蒙•贝克勒尔 (Alexsandre Edmond Becquerel)首先发现的[13’22]，但事实上当时只有19岁的贝克 勒尔所提交给法国科学院的论文中只用了“光电流”现象一词[28]，并没有出现光伏 (PV)的概念。后来人们普遍使用的光伏(PV)—词，主要原因是太阳电池已经紧密 地与半导体材料关联起来，实际上所谓光伏就是“光电”的意思。中文的”光伏”一 词，是特指光生伏打电源的简称，而理解为光生伏特是不准确的。伏打是发明直流 电源的意大利科学家，伏特是作为电压的单位，是由伏打名字演变而来。中文将PV 译成光伏，也许主要是光电一词用得太泛，如半导体照明涉及发光二极管（LED)技 术是通过电光转换实现，但人们习惯都用光电技术替代。我国台湾与日本一般不用 “光伏”一词，而只用“太阳电池”术语[27’31]，我国大陆普遍将“光伏”一词专用于利用 半导体材料实现的太阳电池的发电技术。由此而论，参照LED所引发的半导体照 明技术，光伏发电也可以理解为半导体发电技术。

太阳电池就是一种特殊的半导体器件，太阳电池的技术进步与半导体科技发展 一直紧密关联。两者从理论、到材料、工艺、技术等多方面都互相兼容。两者最大的 不同是通常的半导体器件的功能是实现信息处理，而太阳电池的功能是进行能量转 换。为了清晰理解两者相互关系，在此，将太阳能发电电池及有关半导体发展的最重要的科学事件按照时间顺序罗列如下：
1839年，法国实验物理学家贝克勒尔研究光对电解液中的金属盐和电极的作 用，首次观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。后人将此现 象称为“光伏效应”，实质上就是光产生电流效应[28]。
1849 年，英国人 Alfred Smee 出版《Elements of Electro-Biology, or the Voltaic Mechanism of Man; of Electro-Pathology, Especially of the Nervous System)) — 书，开始使用光伏电池（photo-voltaic battery)和光伏电路（photo-voltaic circuit)概 念，这显然是受到意大利人伏打发明伏打电源的影响[32]。
1873 年，英国科学家 W. Smith 发表“The Action of Light on Selenium”文章， 从而发现了固体砸的光伏效应[33]。
1874年，德国物理学家F. Braun在德国物理与化学年报上发表“tlber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”一文，开始研究半导体材料的电学性能[34]。
1900年，德国人普朗克建立黑体辐射理论，解释了电磁波辐射与吸收过程中能 量子与波长之间的关系。
1905年，在普朗克黑体辐射理论的基础上,爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利事务所 工作期间发表“关于光的产生与转化所涉及的一个启发性观点”文章，首次提出光子 理论，成功解释光电效应现象[29]，并于1921获得诺贝尔(Nobel)物理奖。
1938年，W. Schottky第一次解释金属-半导体接触的阻挡层(耗尽层），并建立 二极管特性曲线[35]。
1948年，美国贝尔实验室R. S. Ohl申报了光敏硅器件专利，后来他深入研究 了硅的光电性能[36〜38]。
1949 年，W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 发明晶体管，W. Shockley 对P-n结进行了完整的理论解释[39’4°]，从此半导体器件时代开始。
1954年4月，美国贝尔（Bell)实验室研究人员D. M. Chapin,C. S. Fuller和 G. L. Pearson报道4. 5%效率的第一个实用的单晶硅p-n结太阳电池的发现[14]， 几个月后效率达到6%，几年后达到10%。这是太阳电池的一个具有里程碑意义的 发展事件。
1954 年，美国 D. C. Reynolds, G. Leies, R. E. Marburger 发明硫化镉太阳 电池[41]。
1955年，德国西门子实验室R. Gremmelmeier发明砷化镓（GaAs )太阳电池[42]。
1961年,W. Shockley, H. J. Queisser发表太阳电池理论极限效率文章，提出单个p-n结晶体桂太阳电池的理论效率极限为r)=30%[43]。
1963年，D. A. Cusano发明碲化镉（CdTe)太阳电池，实现的光电转换效率为 6%，到1972年这种电池的效率达到10%〜14%[44’45]。
1976年，D. E. Carlson, C. R. Wronski(美国RCA)研制非晶硅薄膜太阳电 池，效率达到8%[46，47]。
1977年，非晶硅电池衰减的Staebler-Wronski效应被发现[4S]。
1977年，B. Authier, (Wacker Brughausen)提出多晶桂晶体生长方式，同年H. Fischer, Pschunder开始用多晶硅片制造多晶硅太阳电池[49]。
1983年，为了解决多晶硅晶界对转换效率的影响，J. I. Hanoka, Y. S. Tsuo 等开始开展晶界氢钝化研究[5°，51]。
1991年，瑞士联邦理工洛桑分校M. Gratzel研制的纳米Ti02染料敏化太阳电 池(GrStzel Cell)效率达到7%; 1995年纳米Ti02染料敏化电池转换效率达到 10%，最近的发展达到12%以上[52’53]。
2003年，澳大利亚新南威尔士大学Martin Green提出所谓的第三代太阳电池 的新概念，设想通过太阳光谱分割利用等措施可将太阳电池的效率提高到50%甚至 更高

更新时间：2015-3-1 22:56:14
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