太阳电池及光伏发电

５ ４２００８ 年 第 ６期 （ 总 第 ６４期 ）Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｍｅｅ＠２６３．ｎｅｔ收 稿 日 期 ： ２００８－０２－２９作 者 简 介： 祝玉华，硕士研究生， 讲师。 石凤良，硕士研究生，副教授。 李力猛， 在读硕士。太阳电池及光伏发电祝玉华 １ 石凤良 １ 李力猛 ２１．唐山师范学院 河北唐山 ０６３０００ ２．内蒙古师范大学 呼和浩特 ０１００２２摘 要： 本文从太阳能电池的原理出发， 分析了各种太阳电池的优劣， 并对国内外光伏发电的发展现状进行评论。 同时介绍了光伏发电的应用并展望了我国光伏发电的前景。关 键 词 ： 硅 太阳能电池 光伏发电随着社会的进步、经济的发展，“能源与可持续发展”之间的矛盾越来越尖锐。一方面社会对能源的需求量越来越大；另一方面，在世界范围内，煤、石油、天然气等常规能源（一次能源）存储量剧减，即将被人类耗尽。因此开发新能源，改变现有的能源利用结构，成为所有现代化工业国家的奋斗目标。一、利用太阳能发电的历史万物生长靠太阳。太阳是能量的源泉，广义上说地球上的风能、水能以及化石燃料（煤炭、石油、天然气等）都来自太阳能。太阳的能量非常丰富，每秒钟照射到地球上的能量相当于５００万吨标准煤，到达地球表面上的能量约为１０００ ｗ／ｍ ２ ，因此科学家们认为太阳能的利用极富发展前景，是人类解决当前能源危机的一种有效途径。２０世纪５０年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是１９５４年美国贝尔实验室研制出转化效率达６％的实用型单晶硅太阳电池；二是１９５５年以色列科学家Ｔａｂｏｒ提出选择性吸收表面概念和理论并成功研制成功了选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代化发展时期奠定了技术基础。尤其是研制的太阳电池，既可以作为独立能源亦可以实现并网发电，而且是零污染，因此得到了前所未有的重视和发展机遇。太阳电池，又称光伏电池，是一种把太阳能直接转化电能的半导体器件，其工作原理是：当半导体晶片受光照时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度，价带电子就可以吸收光子的能量，通过禁带跃入导带，由于内建电场的作用，在Ｐ－Ｎ结的两端出现一个因光照而产生的电动势，这样就形成了电源，即可向外电路供电。太阳电池因其工作原理简单，迅速成为研究的热点，各个国家都在加紧开发，拟在缓解能源紧张、环境恶化的局面。太阳电池多以硅为主要材料，按制作工艺不同可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池和薄膜太阳电池。单晶硅太阳电池研发时间最早，其稳定性好、转换效率高，但制备过程中消耗的硅材料较多，因此成本较高，多用于航天事业。多晶硅太阳电池成本低，转化效率较高，生产工艺成熟，占有主要光伏市场，是现在太阳电池的主导产品。非晶硅太阳电池成本低廉、生产效率高，但是其转换效率较低，而且存在光致衰退（所谓的Ｓ－Ｗ效应，即光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，使电池性能不稳定） ，这样就大大地限制了它的大规模应用。薄膜太阳电池是现在光伏领域研究最活跃的对象，其主要研发了非晶硅薄膜电池、微晶硅（纳米晶硅）薄膜电池和硅异质结电池。因为非晶硅薄膜电池能更好地吸收太阳光，具有优良的光电性能，而且在降低成本方面也具有很大的优势，所以很快就在太阳电池和液晶平面显示等光电器件方面得到了广泛应用。但非晶硅薄膜电池光学带隙较宽， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，而且存在光致衰退，使得电池性能不稳定，运行一年以后其效率就要衰退３０％－５０％，这样就使它的应用大打折扣。为了减小光致衰退效应，最好的途径就是制备叠层太阳电池。叠层太阳电池是在制备的ｐ－ｉ－ｎ单结太阳能电池的基础上再沉积一个或多个ｐ－ｉ－ｎ子电池。 尽管叠层电池提高了电池的稳定性，但是并没有从根本上消除Ｓ－Ｗ效应，因此其发展也有很大的局限性。所以，必须寻找新型材料来制备稳定的薄膜太阳能电池。近年来开发的微晶硅薄膜电池是由微晶粒、非晶及晶粒间界组成，最突出的优点之一就是它的稳定性好， 另外它５ ５２ ０ ０ ８年 第 ６期 （总 第 ６４ 期 ）Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｍｅｅ＠２６３．ｎｅｔ拓宽了对太阳光波长的吸收范围，可以吸收到红光和红外光，因此它可以提高太阳电池的效率。微晶硅薄膜太阳能电池研究时间较短，目前转化效率并不高，其相关技术和制备工艺还需完善，因此，微晶硅薄膜电池距离大规模工业应用尚有一定的距离。目前，利用微晶硅或非晶硅作窗口层，单晶硅或多晶硅作衬底，制备出异质结太阳电池（ＨＩＴ电池），这种电池既利用了微晶硅或非晶硅的低成本、制作工艺简单，又发挥了晶体硅载流子高迁移率的优势，能实现太阳能电池的低成本、高效率，是国内外竞相开发的热点，虽然异质结电池具有很好的稳定性和较高的效率，假如进一步提高效率，需要突破能带结构的影响，因此具有很大的提升空间和研究价值。由于太阳能具有资源丰富、清洁方便等优点， 各国都十分重视太阳能发电（即光伏发电）在未来能源供应和能源安全中的重要作用。作为光伏发电的核心 — 太阳电池，关于其降低成本和提高效率的各种研究开发工作一直在紧张进行。澳大利亚新南威尔士大学开发的高效单晶硅电池效率已达２４．７％，美国、日本、德国的单晶硅电池效率也达到２０％ 以上。在微晶硅薄膜太阳电池研究方面：２００１年，德国Ｊｕｌｉｃｈ光伏技术研究所，利用等离子化学气相沉积（ＰＥＣＶＤ）技术，制备出了单结微晶硅薄膜太阳能电池，其转换效率达到了８％。２００３年，美国Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｏｌａｒ制备出微晶硅单结太阳电池，其转换效率为６．７％，但其微晶硅与非晶硅的叠层电池的转换效率达到了１２．４％；而在异质结太阳电池的研发中，日本三洋公司具有较大优势，其转换效率已达到２１．２％。上世纪９０年代以来，联合国召开了一系列高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，旨在推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。日本通产省（ＭＩＴＩ）第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，目标是２０１０年光伏发电装机容量达到５ＧＷ；欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是２０１０年光伏发电装机容量达到３ＧＷ；美国能源部也制订了相应的光伏规划， 以实现美国能源供应、社会发展和保持世界光伏产业领导地位的战略目标， 按照预计的发展速度，２０１０年美国光伏发电装机容量将达到４．７ＧＷ；澳大利亚计划于２０１０ 年使光伏发电的装机容量达到０．７５ＧＷ。二、我国利用太阳能发电简况我国从上世纪５０年代年开始研究太阳电池，７０年代开始涉及薄膜电池，近年来我国光伏产业发展较快，随着设备不断更新，生产有了大幅度增长，太阳能应用已从简单的照明发展到航天、通讯、交通、电力和国防等领域。截至２００５年底我国发电量在千瓦级以上的太阳能发电站已有１１００座，各种家用太阳能发电系统约有十万套左右，太阳能发电达到６．５万千瓦，解决了７００多个乡镇，约３００万偏远地区人口基本用电问题。２００２年国家计委起动了西部７ 省“送电到乡”工程， 投资２０个亿，使装机容量大幅度增加，达２万千瓦，该工程于２００４年全部竣工。目前， 我国又已经启动“送电到村”项目， 旨在帮助无电村和无电户解决供电问题。太阳能发电是我国重点发展的项目之一，我国计划到２０２０年，将太阳能发电量增加３０倍，从目前的７万千瓦发展到２００万千瓦（相当于２ＧＷ）。光伏发电成为我国飞速发展的产业之一，其主要应用于以下几个方面：１．在太空中的应用 太阳能电池最早的应用领域是作为人造卫星的电源，多采用高效的单晶硅电池，１９７１年我国首次成功地将其应用于东方红２号卫星上，前不久发射的神州５号载人飞船的供电也是由太阳能电池提供。２．在边远地区发挥巨大作用 我国西北地区地广人稀，特别是供电困难的地区，太阳电池将尽显自身优势，解决当地的生产，生活的实际用电问题。以目前的趋势看， 有望在“十一五”期间新增光伏容量２６．５万千瓦，解决西部１００００个无电村和１００ 万无电户的用电问题。３．在沿海地区的应用 在长三角地区和广东等沿海试点示范区，实现大规模的并网发电，取得了预期效果，为生产生活提供方便，缓解了当地电力供应的紧张局面。４．在交通系统的应用 在远离电网供应的区域，用于紧急电话，监视器，信号灯，标志牌等。在一些较大城市的交通系统，现在太阳能信号灯也得到了大力推广。５．光伏屋顶和太阳能建筑 在住宅和大型建筑物的顶部安装太阳能电池，非常方便、经济又节省了大量的能源，收到了良好的效果，是今后大力推广利用的一个方向。６．在其它方面的应用 ２００７年８月５日，我国第一家太阳能光伏“追日”发电系统在北京奥运会沙滩排球场馆正式并网发电，该系统是江苏中盛光电与西班牙著名厂商ＯＰＤＥ合作开发的，它最大的特点是可以远程遥控，随太阳做二维旋转，是目前世界上转换效率最高的太阳能发电系统，一年可为奥运场馆提供近５ 万千瓦时的电能，体现了人文奥运、科技奥运、绿色奥运的理念。太阳能灯节能又美观 ，将在２００８年奥运会期间大显身手。太阳能汽车减少了石油的消耗，降低了污染。还有太阳能计算器，光伏通信等等都显示了太阳能的优势和发展潜力。太阳能发电是未来获取能源的重要方式，现在世界各国都在大力发展太阳能事业。随着生产的改善和技术的不断创新，太阳能发电必将显示其强大的生命力，为更多的领域服务。我国发展太阳能发电，符合我国国情和可持续发展的要求，体现了人与自然的和谐相处。在建立和谐社会的进程中，太阳能发电必将得到全面快速的发展，为现代化建设作贡献。参 考 文 献［１］黎兆林．太阳能发电及其展望［Ｊ］．广西节能，２００７，３［１］冯志卿．江苏打造千亿光伏产业链［Ｊ］．中国投资，２００７，９