太阳能电池的发展前景及应用

科学前沿讲座论文太阳能电池的发展前景及应用姓 名 徐壮学 号 2012221105240021专业名称 微电子学院名称 物理学与电子科学学院指导教师 王浩2015 年 6 月 20 日太阳能电池的发展前景及应用摘要 随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，石油的枯竭几乎像一个咒语，给人类带来了不安。 何为石油等不可再生能源的替代者各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的 “ 新宠 ” ，发展太阳能已是大势所趋， 太阳能时代已为时不远了。 就太阳能发展的前景及应用做简单阐述。正文 一、背景长期以来， 人们就一直在努力研究利用太阳能。 我们地球所接受到的太阳能， 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右， 这些能量相当于全球所需总能量的 3-4 万倍， 可谓取之不尽， 用之不竭。 其次， 宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影， 辐射能量十分稳定。 因而发电系统相对说来比地面简单， 而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致 “温室效应 “和全球性气候变化，也不会造成环境污染。 正因为如此， 太阳能的利用受到许多国家的重视， 大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料， 以扩大太阳能利用的应用领域。 特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着 “ 太阳能时代 ” 的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置， 其应用十分广泛， 在某些领域， 太阳能的利用已开始进入实用阶段。二、太阳能转化为电能原理光伏发电是利用半导体 pn 结（ pn junction ）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池 solar cell 。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（ module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地 ; 光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当 P-N结受光照时， 样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。 但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因 P区产生的光生空穴， N 区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N区，光生空穴被拉向 P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P 区指向 N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差， P 端正， N端负。于是有结电流由 P 区流向 N区，其方向与光电流相反。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。三、国内现状在我国， 太阳能的利用也一直是最热门的话题， 经过多年的发展， 国内在集热器 （含太阳能热水器） 已成为太阳能应用最为广泛、 产业化最迅速的产业之一。我国的太阳能产业已开始运作。 中国科学院宣布启动西部行动计划， 将在两年内投入 2.5 亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。 目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地， 该项目集太阳能电池、 组件及应用系统等为一体， 一期工程完成后可达到年产 3 兆瓦多晶硅太阳能电池的能力， 填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白， 并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、 销售市场。但从整体上分析， 国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚， 尤其是在太阳能电池的开发、 生产上还落后于国际水平， 整体上仍处于产量小、 应用面窄、 产品单一、技术落后的初级阶段。 而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。 这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达 18.3％，比目前平均转换效率提高了 3 个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高， 其主要原因是专用材料国产化程度低， 如封装玻璃就完全依赖进口， 低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求， 科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。四、研究热点、难点、瓶颈随着新型太阳能电池的涌现， 以及传统硅电池的不断革新。 新的概念已经开始在光伏技术中显现， 从某种意义上讲， 预示着光伏技术的发展趋势。 光伏器件日趋薄层化、 柔性化、 叠层化。 薄层化不仅从原料节省以及效率提高上带来好处，同时也使器件的制备更为简便； 柔性化使光伏器件更加方便实用， 从根本上解决了器件的便携问题；叠层化提高了器件整体上的光能转换效率。根据光伏电池发电成本测算， 目前太阳能并网发电的成本约为火电等常规电源的 10 倍，且中短期内这一成本无法得到有效的下降，根据 IEA 和 EPIA 的研究， 2020 年前光伏发电成本的下降主要源于产业政策补贴和规模化， 20202040年间通过技术进步和光伏利用效率的提升， 才能与常规电源的峰值成本接轨， 而要真正达到取代常规电源的成本，预计在 2050 年左右才有可能。硅作为半导体产业的重要原料， 如今己集中运用到光伏产业中， 太阳能级晶体硅发展的历史可谓复杂而曲折。综上所述， 我们认为， 多晶硅成为整个光伏产业链的瓶颈， 其根源在于光伏技术的局限性， 晶体硅尽管仍是光伏电池的绝对主流， 但技术发展往往会促进这种格局的改变，薄膜电池作为替代性和互补性的产品能否成为另一支主流力量，仍然依赖于技术与规模经济， 但可以确定的是， 初生的光伏产业必将经历技术结构调整引导产业结构。五、解决办法（一）加强科研与技术开发，如新型薄膜太阳电池、太阳能基础材料、光谱选择性吸收薄膜和其它光谱反射、 透过功能薄膜等， 为未来大幅度降低太阳能利用能量成本奠定基础。（二） 加强人才支撑力度。 目前光伏产业人才严重缺乏 , 中青年光伏人才紧缺 , 缺乏专业技术人才 , 技术力量不足。 因此要加强光伏人才支撑力度。 加强人才培养力度，进一步推动校企合作、 产学研结合。依托项目和载体培养高层次人才。（三）鼓励产业发展，积极开拓市场。为使太阳能在 21 世纪中叶成为后续能源之一，必须从现在起，加大投入，通过产业化技术攻关、消化吸收等，使光伏制造产业在技术水平、 市场规模、 自动化程度、 原材料国产化程度方面进一步提高；通过激励政策，积极鼓励大型企业参与太阳能光伏技术的产业活动。六、发展前景。随着一些大企业在太阳能与建筑一体化方面的成功，行业发展方向也日趋明朗。 一是稳固传统的热水器市场， 二是不断拓展太阳能与建筑一体化领域， 走中高温发展路线， 逐步迈进工业领域。 在太阳能与建筑一体化方面和中高温研发方面， 力诺瑞特最有发言权。 在国家住宅产业化基地推广过程中， 力诺瑞特三年完成了 3400 万平方米的推广面积，相当于一个中等城市。在中高温研发领域，力诺瑞特更是先发制人。 日前， 力诺瑞特与清华大学合作研发的太阳能中温真空管集热器顺利通过中国工程院专家团验收， 集热温度达 150 摄氏度， 弥补国际空白，将使太阳能热利用由简单的太阳能热水扩展到更大的太阳能热能应用， 使太阳能空调、太阳能采暖、海水淡化、工业动力和农业烘干成为现实。七、结论光伏技术的基本原理光生伏特效应， 它通过半导体光伏器件实现。 随着科技的进步， 光伏技术将日趋完善， 并将在本世纪人类能源结构变革中， 作为最干净、最具可持续发展的能源技术进入能源结构。