薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍.pdf

广州建筑 ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２００７ 年第 ２ 期１９７６ 年 ， 卡尔松和路昂斯基宣告了无定形硅（ 简称 ａ－ Ｓｉ ） 薄膜太阳能电池的诞生。时至今日 ，非晶硅科技已转化为一支大规模的产业 ， 对整个光伏洁净 可 再 生 能 源 发 展 起 到 巨 大 的 推 动 作 用 ，极大地增强了人们对作为清洁可再生能源的光伏能替代常规能源的信心。本文将通过分析非晶硅薄膜太阳能电池发展过程和近期研究进展 ， 展望薄膜太阳能电池的应用发展前景。１ 非晶硅薄膜太阳能电池的发展过程１．１ 非晶硅薄膜太阳能电池的起步阶段研究发现 ， 太阳能电池可用廉价的非晶硅材料和工艺制作 ， 从而促使了各国科研人员和研究单位纷纷投入到这个领域的研究中 ， 同时也引起了企业界和各国政府的高度关注 ， 使非晶硅太阳能电池很快就走出了实验室 ， 走进了中试线和较大规模的生产线 ， 带来了非晶硅太阳能电池的大发展。从技术产业化来看 ， 首先世界上出现了许多以 ａ－ Ｓｉ 太阳能电池为主要产品的企业 ， 如美国的ＣＨＲ０ＮＡＲ 、 Ｓ０ＬＡＲＥＸ 、 ＥＣＤ 等 ， 日 本 的 三 洋 、富士、又普等 ， 而 ＣＨＲ０ＮＡＲ 公司是 ａ－ Ｓｉ 太阳能电池产业开发的急先锋 ， 不仅自己有生产线 ， 还向其它国家输出了多条兆瓦级生产线。其次 ， 美、日各公司还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站 ， 最大的有 １００ 千瓦容量。再者 ， 出现了非晶硅、多晶硅和单晶硅的三足鼎立之势 ， 在上世纪八十年代中期 ， 世界上太阳能电池的总销售量中非晶硅已占有 ４０％ ［１］ 。１．２ 非晶硅薄膜太阳能电池的快速发展与成熟阶段上世纪八十年代末至九十年代初 ， 非晶硅太阳能电池的发展经历了一个调整、完善和提高的过程 ， 其中心任务就是提高太阳能电池的稳定化效率 ， 其核心就是完美结技术和叠层电池技术。上世纪九十年代中期 ， 技术得到较大的突破 ，从而出现了更大规模产业化的高潮。世界上先后建立了多条数兆瓦至十兆瓦高水平的电池组件生产线 ， 产品组件面积为平方米量级 ， 生产流程全部实现自动化。采用了新的封装技术 ， 产品组件寿命在十年以上。产品组件生产以完美结技术和叠 层 电 池 技 术 为 基 础 ， 产 品 组 件 效 率 达 到 ９％ ～１１％ ， 小面积电池最高效率达 １４．６％ 。薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍张 锐（ 广州市建筑工程学校 广州 ５１０４０３ ）摘 要 随着无定形硅 （ 简称 ａ－ Ｓｉ ） 薄膜太阳能电池的诞生 ， 非晶硅科技已转化为一支大规模的产业。本文将通过分析非晶硅薄膜太阳能电池发展过程和研究现状 ， 进一步介绍薄膜太阳能电池的应用发展前景。关键词 薄膜太阳能电池 ； 研究现状 ； 实际应用Ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｓｏｌａｒ ＣｅｌｌｓＺＨＡＮＧ Ｒｕｉ（ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０３ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ （ ａｂｂｒｅｖｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ “ ａ － Ｓｉ ” ） ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ，ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｌａｒｇｅ－ ｓｃａｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｕｒｓｅ ａｎｄ ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ； ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ； ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ８２ 非晶硅薄膜太阳能电池的近期研究进展太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面 ， 其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料 ， 其中非晶硅属直接转换型半导体 ， 光吸收率大 ， 易于制成厚度 ０．５ 微米以下、面积 １ 平方米以上的薄膜 ， 并且容易与其他原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池 ， 这是目前的主攻方向之一 ［２］ ； 另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料 ， 它转换率高、用材省 ， 是新世纪最有前途的薄膜电池之一。２．１ 新型薄膜太阳能电池问世日本产业技术综合研究所已经研制出使用塑料等质地柔软的材料为基板的有机薄膜太阳能电池。该电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜 ， 变成三层构造 ， 增加了产生电能的分子之间的接 触 面 积 ， 从 而 大 大 提 高 了 太 阳 能 转 换 率 。研究人员通过进一步研究 ， 有望开发出转换率达２０％ 、可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池 ， 其转换率将达到现有有机薄膜太阳能电池的四倍 ［３］ 。２．２ 铜铟硒太阳能薄膜电池取得突破铜 铟 硒 太 阳 能 薄 膜 电 池 （ 简 称 铜 铟 硒 电 池 ）是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物的半导体薄膜 ， 薄 膜 总 厚 度 大 约 为 ２ ～ ３ 微 米 ，具有成本 低 、 性 能 稳 定 、 抗 辐 射 能 力 强 等 特 性 ，其光电转换效率目前是各种薄膜太阳能电池之首。正是由于其优异的性能被国际上称为未来的廉价太阳能电池 ， 吸引了众多机构及专家进行研究开发 ， 有望成为不久将来太阳能电池商品化、产业化的主流产品。南开大学光电子所在太阳能薄膜电池的研究中取得重要进展 ， 一些关键技术取得了突破 ， 铜铟硒电池光电转换效率在较稳定的 ８％ ～ １０％ 的基础上达到了 １２．１％ ， ３．５ 厘米 ３．６ 厘米集成电池转换效率达到 ６．６％ ［４］ 。２．３ 纳米 ＣｕＩｎＳｅ２ 太阳能电池材料的研究美 国 劳 伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 （ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ） 开 展 了 纳 米 ＣｕＩｎＳｅ２太阳能电池材料的研究工作。通过化学合成、物理性能 研 究 和 生 化 研 究 等 三 个 专 业 方 向 的 研 究 ，体现了不同专业的协作。该实验室在纳米材料研究方面成果出色 ， 合成和表征了不同尺寸、形状的 ＣｄＳｅ 纳米颗粒 ， 并把纳米 ＣｄＳｅ 材料进一步拓展至太阳能光电池材料 ， 提出了一个新的研究方向即纳米 ＣｕＩｎＳｅ２ （ 简称 ＣＩＳ） 太阳 能 电 池 材 料 的研究。 ＣＩＳ 材料的能隙为 １．１ 电子伏特 ， 适于太阳光的光电转换 ， 同时 ＣＩＳ 薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题 ， 其光电转换效率已高于 １７％ ［５］ 。目前 ， 高效聚光太阳能电池效率已经达到 ３２％ ，高效平板太阳能电池效率达到 ２５％ ～ ２８％ 。世界最大的太阳能电池生产厂年产电池 ３６ 兆瓦 ， 价格在３ ～ ４ 美元 ／ 峰瓦 ， 并且正在设计制造年产 ５００ 兆瓦的生产线 ， 力求使电池价格进一步降至 １ 美元 ／ 峰瓦左右。届时 ， 太阳能光伏发电的成本将降至 ６ 美元 ／ 千瓦 小时 ， 可以与火力发电进行价格竞争 ［ ６］ 。３ 薄膜太阳能电池的应用前景展望目前 ， 世界上已经建成了 １０ 多座太阳能光伏发电系统。上世纪 ９０ 年代以来 ， 不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划 ， 如美国总统宣布的百万光伏屋顶计划 ， 安装规模达 １０００ ～ ３０００ 瓦 ，日本、欧洲也都有类似的计划。预计到本世纪中叶 ， 光伏发电将达到世界总发电量的 ２０％ ， 成为人类的基础能源之一。目前功率型应用主要集中在三个方面 ， 即 ① 传统的商业化应用市场 ， 如通信、交通信号和管网保护等 ；② 边远地区的供电系统 ；③ 并网的光伏发电系统。仅从目前各国公布的已实施和正在实施的光伏应用计划 ， 就提供了十几吉瓦的市场机会 ， 可够目前全世界各种光伏电池厂生产 １００ 年。随着国际社会对气候变化问题的日益重视以及世界能源争夺的日益激烈 ， 包括太阳能在内的可再生能源技术的发展将会发挥越来越重要的作用。谁首先在这个领域里加强投入 ， 谁就会在今后 １０ 年中占领这一市场 ， 从而获得巨大的市场利润。张 锐 薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍９广州建筑 ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２００７ 年第 ２ 期合理的室内空调气流组织设计不但可以有效提高室内人员的热舒适性 ， 而且还具有显著的节能效果。但是 ， 目前室内气流组织方式的设计主要是靠理论计算 ， 该方法根据模型实验研究几种典型气流组织状况 ， 得出一些简化的理论计算公式。因此具有很大的局限性 ， 可能根本就达不到设计要求。计算流体动力学 （Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍ－ｉｃ） 是 近 几 年 发 展 较 快 的 一 种 计 算 机 辅 助 设 计 技术。在室内空调设计中应用计算流体动力学技术 ，可以在设 备 安 装 之 前 进 行 有 效 的 气 流 组 织 仿 真 ，预测各种工况下室内气流的温度场、速度场 ， 达到优化设计的目的。本文选取一写字楼办公室为模拟计算的工程实例 ， 该办公室长 １０ｍ ， 宽 ８ｍ ， 高 ３ｍ 。 平 面 布置如图 １ 所示。图 １ 办公室平面布置图１ 基本控制方程由于暖通空调领域的流体流动主要为湍流形式 ， 满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。引入带浮升力修正的 ｋ－ ε 两方程模型 ， 使上述方程组封闭 ， 得出湍流流动基本控制方程的通用形式为 （ １ ）参考文献［１］ 杨 金 焕 ， 陆 钧 ， 黄 晓 橹 ． 太 阳 能 发 电 地 面 应 用 的 前 景及发展动向 ［Ｊ］ ． 中国新能源 ， １９９５ （ １２ ） ２１－ ２３．［２］ 安玉彬 ， 刘旭东 ， 田永春 ． 二十一世纪中国能源发展的总趋势 ［Ｊ］ ． 能源工程 ， １９９９ （ ８ ） １７－ ２０．［３］ 贾 彦 增 ． 国 外 光 伏 技 术 发 展 动 态 ［Ｊ］ ． 中 国 新 能 源 ，１９９６ （ ８ ） ８－ １１．［４］ 耿新华 ， 孙云 ， 王宗畔 ， 李长健 ． 薄膜太阳 能 电 池 的研究进展 ［Ｊ］ ． 物理 ， １９９９ （ １０ ） ３３－ ３７．［５］ 顾祖文 ． 硒化铜铟 （ ＣＩＳ ） 薄膜太阳能电池 ［Ｊ］ ． 中国新能源 ， １９９７ （ ４ ） ２９－ ３２．［６］ 刘 增 义 译 ． 太 阳 能 供 电 的 展 望 ［Ｊ］ ． 能 源 工 程 ， １９９７（ ６ ） １３－ １５．计算流体动力学技术在室内空调气流组织设计中的应用赵相相 任 俊（ 广州市建筑科学研究院 广州 ５１０４４０ ）摘 要 分析了计算流体动力学技术在室内气流组织设计中的主要作用 ， 针对写字楼办公室选择了三种不同的气流组织方式进行了数值模拟 ， 得出了此类建筑的最佳气流组织方式。关键词 计算流体动力学 ； 气流组织 ； 数值模拟Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｏｏｍ Ａｉｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ＤｅｓｉｇｎＺＨＡＯ Ｘｉａｎｇｘｉａｎｇ ＲＥＮ Ｊｕｎ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４４０ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｏｍ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｍ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ； ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１０