太阳能发电技术

太阳发电技术综述 摘要：介绍了太阳电池的发展背景、现状、目前的两种主要太阳发 电技术。最后论述了目前太阳发电技术的主要研究趋势，并对光伏 产业未来发展作出预测。 关键词：太阳电池；光伏产业；发电技术；现状；进展及预测 ABSTRACT History of solar cells is introduced, and we will see what is going on at present. Then, 4 new kinds of solar cells are illustrated, which are promised to have better performance than Si-solar-cells. Still, I would like to forecast the near future of this field. Keywords: Solar cells; PV industry; Electricity generation technology; Current situation; Progress&Forecast 1 太阳能发电的背景 诺贝尔奖获得者 Smalley 教授认为人类未来五十年面临的十大 问题之首即是能源问题 [4]。目前人类使用的全部能源中，化石能源 占 90%以上，到 2050 年左右，由于人类对能源的需求量大幅增加以 及化石能源数量的急剧减少，化石能源在人类消耗总能源中所占的 比例很可能降低到 50%，并且已经达到极大值，也就是说达到了化 石能源的最大承受能力。之后核能和可再生能源将占据主导地位， 但是相较于可再生能源，核能的利用具有很严重的潜在威胁，譬如 日本大地震引起的核泄漏事件对公民的生命财产安全造成了极大损 失。因此，核能只能作为过渡阶段的能源支撑。到 2100 年，可再生 能源的比例将超过 1/3，随着时间的推移还会逐年上升。在众多备选 的可再生能源种类之中，太阳能是其他所有可再生能源总量的上千 倍，因此太阳能发展潜力很可能是最大的。 2 太阳能发电现状 地球表面每年接受太阳辐射总量约为 5.4×1024J,达到目前世界 已经探明能源总量的一万倍以上 [2]，若将其中的千分之一以 5%的效 率转换为电能，年发电量即可达到 5600TW.h[1]，相当于目前全世界 耗能的 30 倍以上，因此太阳能发电对今后世界能源发展具有十分特 别的意义，目前太阳能发电主要指光伏发电。经过几十年的努力探 讨和发展，目前太阳能发电技术已经广泛用于解决偏远地区的用电 问题，在一些发达国家甚至已经初步实现了光伏产业化 [2]，尽管如 此，光伏产业距离全面普及的路途依然比较遥远，阻碍其普及化的 主要矛盾来自两个方面：稳定效率低、生产成本高。 3 目前太阳发电的两种主要技术途径 3.1 光伏发电 通过光电转化装置直接将光能转化为电能称为“太阳能发电” ， 或者“光伏发电” 。 太阳辐射的光子具有能量，根据量子力学中能量量子化理论可 知，光子能量 E=h = ，其中 h 为普朗克常数， =h/2π称作约化 普朗克常数， 和 分别为光子的频率和圆频率，二者的值与光子的 波长成反比，因此光子的能量是光子波长的函数，波长越长，能量 越低，波长越短，能量越高。 迄今为止，光伏发电技术的主流依然是以硅基太阳电池为代表 的半导体发电技术，其主要工作原理是照射到半导体上的光子激发 半导体价带中的电子至导带，在 PN 结内建电场作用力的驱动下， 电子- 空穴自动分开，从而形成可以为外部负载利用的高能热电子。 目前太阳电池的光电转换效率仍然比较低，不能很好的满足商 业化要求，就硅太阳电池而言，致使效率低主要来自三方面：第一， 光电池的半导体材料的禁带宽度一般由材料种类决定，然而太阳光 谱具有广泛的频率（波长）分布，根据能量守恒原理，能量低（小 于 Eg）的光子不可能激发价带电子到达导带，只能被散射或者穿过 体材，这部分光子对光电转换效率是没有贡献的。第二，高能光子 （远大于 Eg）虽然能够激发产生热电子，但是根据能量守恒定律， 必然还有△E= -Eg 的能量以声子的形式传递给了晶格，最终以热 能的形式耗散掉，虽然这部分高能光子的能量对光电转换效率是有 贡献的，但是也远远达不到 100%。第三，纵使价带电子已经被激 发至导带，倘若没有其他负离子或者电子及时补充给价带中留下空 穴，那么价带中的热电子也会由于电子-空穴间的库伦作用力很容易 地跃迁回价带，进而大大降低了电池的电流 I，又 P=IV， ，从而对光电转换效率产生了很大的消极影响。)5.1(/AMP 针对以上降低太阳电池效率的三点因素，可以在以下几方面做 出努力：第一，由太阳光谱图可知，无论是在大气层外还是经过大 气层散射、吸收、反射之后到达地表的太阳光谱能量都主要集中在 可见光区域（400-800nm ） ，从整体能量分布来看，主要分布在 400-1500nm 范围，经过简单计算（E=h(c/ )） ，其对应的能量范围 为 0.83-3.11eV，考虑到更多的能量是分布在短波区域，因此从转 换效率而言，对单结太阳电池，半导体材料的最佳禁带宽度应该取 在 1.4-1.6eV 左右。 实际上，无论是理论计算还是实验验证，单结太阳电池对光电 转换效率的博弈能力都是极其有限、表现平庸的。为了更加充分地 利用利用广泛波谱范围的光能，人们构想了多结太阳电池，这种电 池从上表面往下依次吸收能量逐渐降低的光子，具有较大的光电流， 实践证明这种电池确实可以凭借不同结材料广泛吸收各种波长的光 子，从而大大提高了光电转换效率。 但是，如果从本质上讲，多结太阳电池并没有从根本原理上改 变太阳电池的缺陷，因为这种办法之所以可以提高太阳电池的效率， 充其量归因于原来各种低效率电池的低效率叠加，即每个结就是一 个传统太阳电池，故而 。不管怎么说这种办法确实是提高了i 电池效率。 上世纪 90 年代，瑞士科学家提出一种新型的太阳电池- 量子点 太阳电池。这种电池工艺简单、成本低廉、环境友好。我在本科毕 设期间制作过 CdS 单结量子点太阳电池，其基本工作原理为：在 TiO2 多孔结构中生长 CdS 量子点，透过透明导电玻璃的光子照射在 CdS 量子点上，激发产生热电子，由于 TiO2 的导带低略微低于 CdS 导带低，因此 CdS 的热电子像流水一样悄悄流向 TiO2，进而 通过导电玻璃流出电池被负载使用。为了降低电子-空穴的复合效应， 最初是的办法是采用液态离子（如碘离子等）渗入 TiO2 孔洞迅速复 合空穴阻止热电子向下跃迁，凭此保证电池电流不会很小。 这种办法与 PN 结型太阳电池相比原理是根本不同的，具有诸 多优点的同时，也带来了需要研究的问题。首先，电解液的稳定性 很难得到保证，随着使用时间的延长，电解液的溶液（如酒精）会 挥发殆尽，电池寿终正寝。其次就是如何得到颗粒大小完美的量子 点。倘若颗粒太小，光子吸收率必然大打折扣，如果颗粒太大，堵 塞了 TiO2 孔洞，电解质不能及时进入孔洞与 CdS 空穴复合，进而 不可避免地增加了电子-空穴复合几率。 以上两个问题中第一个，科学家们试图制作固态电解质来避免 挥发问题，目前尚未找到可以保证光电转换效率很高的固态电解质。 第二个问题显然是个优化问题，最佳的颗粒大小应该是使 TiO2 表面 布满 CdS 量子点同时保证孔洞尚未堵塞（我的实验表明随着沉积 CdS 次数的增加，光电转换效率先增加后降低，过了最佳沉积次数 之后，由于颗粒较大，孔洞已经部分处于半阻塞状态，当然效率下 降可能并非完全归于于这一点，颗粒的增大使量子效应减弱也可能 是降低效率的因素之一） 。 3.2 太阳热发电 通过收集太阳热辐射能间接转化为电能称为“太阳热发电” 。 具体实现方式是通过集热装置将太阳辐射的热能集中，驱动发 电机发电。热发电机一般包括集热系统、热传输系统、蓄热储能系 统、热机、发电机等 [2]。虽然太阳辐射到地球表面的总能量是庞大 的，但是能流密度却是很小的，分布广泛而分散。目前主要有两种 利用方式：聚光式和聚热式。 聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成。 传输部分由管道和介质构成，介质通常为水或空气。储热部分用来 保证发电的连续性，介质多为熔盐。 西班牙太阳能发电塔是典型的聚光发电技术。采用反射镜将太 阳光反射并聚集到接收器，接收器聚集太阳能并将其转换为热能， 利用这种热能产生热蒸汽，推动涡轮发动机，切割磁场，从而发电。 与半导体光电转换不同，由于热量存储技术，这种光电转换方式能 够某种程度上克服多云天气和夜间的影响 [3]。 4 太阳能电池发展的新概念和新方向 基于传统太阳能电池的缺点，一些新概念设计已经在太阳电池 技术中显现，从某种意义上说，预示了太阳电池发展的新趋势 [4]。 4.1 薄膜电池 硅基太阳电池的厚度已由上世纪 70 年代 400-450 下降到目m 前的 200 左右。但是随着技术的发展也很难使厚度下降到 80m 以下 [4]。如果希望继续削减厚度就需要需寻找新的半导体材料， 如 CIGS、 GaAs、CdTe 等。 电池器件的薄膜化有利于缩短光生载流子在器件中的扩散距离， 降低空穴-电子复合几率，提高光电转换效率。另一个好处是，器件 薄膜化大大节约了原料，降低了生产成本。 4.2 柔性电池 此种电池因其柔性而可以胜任于平板电池无法胜任的曲目地带， 甚至可以成卷生产，便于规模化、商业化，轻盈的质量使其便于携 带成为了可能。 4.3 染料敏化太阳电池 染料敏化太阳电池被国际公认为第三代太阳电池，具有诸多竞 争优势。首先，电池制备工艺十分简单，无需昂贵又耗能的高温和 高真空，也无需高纯材料，只需简单的化学工艺即可。从成本的角 度，只是普通硅基太阳电池的 1/3-1/5。此种电池可以薄膜化、柔性 化，转化效率也比较高。 它的缺点也是明显的，液态电解液的泄漏、挥发引起的封装困 难和长期稳定性限制了它的发展。为了解决这个问题，研究人员将 固态电解质取代液态电解质，解决了封装问题，但是由于离子在其 中的扩散速度慢，使电池的暗电流增大，导致光电转换效率降低， 同时电解质中存在的光腐蚀现象也不容忽视。一种比较理想的尝试 是采用凝胶电解液，液态电解质贯穿于交联高分子三维网络结构中 形成两相体系，电解液以连续液相存在于高分子三维网络中，较大 程度地保持了电解质离子在其中的扩散速率，进而获得较高的光电 转换效率；同时高分子骨架能有效地减少溶剂挥发，保持了良好的 稳定性 [8]。 燃料敏化太阳电池应用广泛，前景光明。小到手机充电器、 MP3 播放器，大到建筑屋顶太阳发电，燃料敏化太阳电池无所不能。 4.4 量子点太阳电池 2002 年美国国家能源实验室 Nozik 和澳大利亚新南威尔士大学 Green 两个小组的研究同时指出：某些半导体量子点在被光谱末端 的蓝光或高能紫外线轰击时，能释放两个或两个以上电子 [5,6]。2004 年美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室首次证明看上述结论 [7]。 简单地说就是量子点可以超过 100%的量子产额。 基于上述，人们认为利用量子结构的量子限制效应和能级分立 特性，将其应用于太阳电池。目前尚处于理论探索和初步尝试阶段， 潜在价值不可估量。 5 结语 由于理论和技术等原因，第一代硅太阳电池和第二代化合物太 阳电池必将较长期地处于市场领先地位。但是从长远的角度看，必 将为 更具优势的新概念电池所取代，因此为了保持竞争力，在拥有实用 化的一、二代太阳电池的同时必须不可松懈地研究新概念太阳电池， 为将来百花齐放的光伏产业奠定坚实的理论和技术基础。 参考文献 [1] 张伯全，杨宜民. 风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势 [J].中 国电力，2006， （6）. [2] 鲁华永，袁越等. 太阳能发电技术探讨 [J].江苏电机工程， 2008,（1）. [3] 陈于平. 聚光太阳能发电技术应用与前景 [J].电网与清洁能源， 2010（7）. [4] 林红等. 太阳能电池发展的新概念和新方向 [J].稀有金属材料与 工程，2009， （12）. [5] A. J. Nozik, Quantum dot solar cells, Physica, E14,115(2002). [6] T. Trupke, M.A.Green, P. Würfel, Improving solar cell efficiencies by down-conversion of high-energy photos, J. Appl. Phys.,92(3),1668(2002). [7] R. D. Schaller, V. I. Klimov, High efficiency carrier multiplication in PbSe nanocrystals, Implication for solar energy conversion, Phys. Rev. Lett., 92(18),18660`(2004). [8] 李冰等，应用于燃料敏化太阳电池的 TiO2 纳米复合电解质材料， [J].稀有金属材料与工程，2007， （8）.