发展太阳能电池的必要性及要解决的问题

发展太阳能电池的必要性及要解决的问题摘要： 对我国使用太阳能电池发电的必要性以及制备过程中遇到的一些问题进行了讨论。 在分析太阳能电池制备的基础上， 提出了发展我国太阳能光伏发电的必要性和可行性， 分析了制备太阳能电池过程中遇到的技术和环境问题。 发展太阳能电池是发展光伏发电的前提， 是解决目前我国面临的能源问题和环境问题的一个有效途径。关键词： 太阳能电池；光伏发电；能源；环境0 引言当传统的燃料能源正在一天天减少时， 所产生的排放物对环境造成的危害问题也变得日益突出。并且全球大约还有 20 亿人已得不到正常的能源供应。在这个时候，整个世界都把目光投向了可再生资源，希望可以通过可再生能源来改 变 人 类 的 能 源 供 给 结构，以维持今后的可持续发展。在这些可再生资源中太阳能以其独有的优势而成为人们关注的焦点 [1] 。 这主要因为丰富的太阳辐射能是重要的能源， 是取之不尽、 用之不竭、 无污染并且人类能够自由利用的天然资源。 太阳辐射出的能量非常巨大， 太阳能一般指太阳光的辐射能量： 在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。 其表面温度大概在 6000K左右， 接近于一个黑体。 太阳向宇宙空间发射的辐射功率为 23108.3 kW的辐射值，其中 20 亿分之一到达地球表面，其功率为 800000 亿 kW，就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧 500 万吨煤释放的热量， 这些太阳能如果可以尽可能地被转换为电能， 可以成功为最佳的替代能量来源之一。太阳能的利用有被动式利用和光电转换两种方式， 主要包括： 利用太阳能电池， 通过光电转换把太阳光包含的能量转化为电能；使用太阳能热水器， 利用太阳光的热量加热水； 利用太阳光的热量加热水， 并利用热水发电； 利用太阳能与化学能之间的转换， 将水分解成氢和氧， 再用氢来发电。 近年来， 由于世界上一些主要国家积极研发清洁能源， 从而使得太阳能技术发展十分迅速， 太阳能电池技术的进展使其制造成本逐渐降低， 逐步具备了普及的条件，极有可能成为 21 世纪最有发展潜力的光电技术之一。虽然太阳能电池呈现出良好的发展前景， 但是仍然面临许多短期难以克服的问题， 比如制备过程中对环境的影响， 提高效率遇到的技术瓶颈， 电流转换时的能量损失， 电能的贮藏等 [2] 。1 什么是太阳能电池太阳能电池：通过光生伏特效应直接把光能转化成电能的装置。光伏材料：又称太阳电池材料， 是能将太阳能直接转换成电能的材料。 只有半导体材料具有这种功能。 可做太阳电池材料的材料有单晶硅、 非晶硅、 GaAs、 CdTe、 InP 等 [3] 。太阳能电池种类繁多，常有以下几种分类：按结构分类同质结太阳电池由同一种半导体构成的 P-N结称为同质结，用同质结构成的太阳电池称为同质结太阳电池异质结太阳电池由两个禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结， 用异质结构成的太阳电池称为异质结太阳电池肖特基结太阳电池利用金属 — 半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池称为肖特基结太阳电池。目前已发展为金属 — 氧化物 — 半导体 （ MOS ） 、 金属 — 绝缘体 — 半导体 （ MIS）复合结太阳电池由两个或多个 P-N 结形成的太阳电池称为复合结太按用途分类空间太阳电池： 指在人造卫星、 宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池地面太阳电池：指用于地面阳光发电系统的太阳电池光敏传感器太阳能发电的优点： 太阳能取之不尽， 用之不竭； 太阳能可以免费随地取得，没有运输的成本；太阳能发电不会产生环境污染，环保，清洁，且不会消耗其他地球资源或导致地球温室效应；太阳能发电的使用安全性高于其他的发电方式，且发电设施的维修较为简单；在一些取电困难的地区（例如太空或偏远落后地区） ，太阳能发电的成本反而较低。太阳能发电的缺点： 发电密度低， 太阳能发电的设施， 必须具有相当大的安装面积； 太阳能受气候、 昼夜的影响很大， 在晚上无法发电， 必须配有贮存装置。在高纬度和多云少日照的地区， 较不易推广太阳能发电； 太阳能电池产生直流电，若要转换为交流电，会损失 4-12%的能量。太阳电池的效率是有理论上限的，对于硅太阳电池，能利用的光能只有 44%左右，由于电池表面的反射、光生电子－空穴对的复合、 串并联电阻的影响等， 也会损失部分能量。 实际电池的效率会大大小于理论极限效率，一般的电池效率上限最高接近 30%[4] 。2 太阳能电池的发展历史1839 年法国实验物理学家 Edmund Bacquerel （贝克勒尔）发 现了光生伏特效应； 1883 年， Fritts （弗瑞兹）在硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有 1%的效率； 1941 年奥尔在硅上发现了光伏效应。起始阶段（ 1945-1965） ：在第二次世界大战结束后的 20 年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少， 呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的开展， 并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，兴起太阳能研究热潮。 1954 年Chaipin （恰宾）和 Carlson ( 卡尔松 ) 在美国贝尔实验室，首次按材料分类硅基材料 多化合物结晶硅 非晶硅主体型薄膜型单晶硅多晶硅单晶硅多晶硅二六族 其他材料三五族制成了第一块实用的单晶太阳电池，效率为 6%，标志着太阳电池研制工作的重大进展； 1955 年 第一个光伏航标灯问世， 美国 RCA发明 GaAs太阳能电池； 1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋 1 号卫星电源； 1959 年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达 5%； 1960 年太阳能电池首次实现并网运行； 1962 年砷化镓太阳电池光电转换效率达 13%。停滞阶段（ 1965-1973） ：这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。过渡阶段（ 1973-1980） ： 1973 年 10 月中东战争爆发，使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家， 在经济上遭到沉重打击， 世界发生了 “能源危机” ，从而使许多国家， 尤其是工业发达国家， 重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持， 在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。 世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响， 1975 年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这一次会议之后， 太阳能研究和推广工作纳入了我国的政府计划， 获得了专项经费和物资支持。 1974 年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池， 硅太阳电池效率达18%； 1975 年非晶硅太阳电池问世； 1976 年多晶硅太阳电池效率达 10%； 1978年美国建成 100kW太阳地面光伏电站； 1980 年单晶硅太阳电池效率达 20%， 砷化镓电池达 22.5%，多晶硅电池达 14.5%，硫化镉电池达 9.15%。特点：各国加强了太阳能研究工作的计划性， 不少国家制定了近期和远期阳光计划； 国际间的合作十分活跃；研究领域不断扩大，研究工作日益深入；太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。低谷阶段（ 1980-1992） ：进入 80 年代后太阳能的开发利用逐渐进入低谷，世界上许多国家大幅度的削减太阳能研究经费， 美国最为突出。 主要原因是世界石油价格大幅度回落， 太阳能产品价格居高不下， 缺乏竞争力， 太阳能的技术也没有重大的进展。 1983 年美国建成 1MW光伏电站；冶金硅 ( 外延 ) 电池效率达11.8%； 1986 年美国建成 6.5MW光伏电站； 1990 年 德国提出“ 2000 个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装 3-5kW光伏电池。高潮阶段 （ 1992- 至今） ： 由于大量燃烧矿物能源， 造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下， 1992 年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”， 会议通过了 《里约热内卢环境与发展宣言》 ，《 21 世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了 可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷， 逐渐得到加强。 世界环发大会之后， 我国政府对环境与发展十分重视， 提出 10 条对策和措施， 明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、 风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国 21 世纪议程》 ，进一步明确了太阳能重点发展项目。 1995 年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达 32%。 1997年 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在 2010 年以前为 100 万户，每户安装 3~5kW。 日本“新阳光计划”提出到 2010 年生产 43 亿 W光伏电池。 1997年 欧洲联盟计划到 2010 年生产 37 亿 W光伏电池。 1998 年 单晶硅光伏电池效率达 25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到 2020 年完成。特点： 太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合， 全球共同行动； 太阳能发展目标明确，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，加速商业化进程；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显 [5] 。3 我国发展太阳能光伏发电的必要性我国是一个能源生产和消费的大国。 2006 年标准煤的消费总量约为 24.6 亿吨， 比 2005 年同比增长了 9.3%。 2006 年各种一次能源的构成比例分别为： 煤炭约占 69.7%、石油约占 20.3%、天然气约占 3.0%、水电等约占 6.0%、核电约占0.8%。 2006 年，我国的原油总进口量已达到 1.5 亿吨，大约是我国原油总需求量的 50％左右。但由于我国能源开采技术落后、能源有效利用率低、传统高能耗产业比重大、 单位 GDP能耗远远落后于发达国家、 甚至比世界平均水平落后并且我国又是世界上最大发展中国家， 经济高速发展， 能源消耗增长速度居世界首位等客观因素， 更加剧了我国能源替代形势继续转变的严重性和紧迫性。 据电力科学院的研究表明， 在考虑到充分开发煤电、 水电和核电的情况下， 2010 年 -2020年之间，我国的电力供需缺口仍然为 6.4%-10.7%[6] ，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。 而太阳能光伏发电有可能在未来我国的新能源供应中占据主要位置。4 我国太阳能光伏发电现状我国太阳能光伏发电产业起始与于 20 世纪 70 年代，到 90 年代中期已进入稳步发展阶段。太阳能电池及其组件产量都已逐年稳步增加。经过了 30 多年的努力，已迎来快速发展的新阶段。而且我国的太阳能光伏发电在“光明工程”先导项目和 “送电到乡” 工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下， 已经建立起稳固的新生产业链迅猛发展。到 2007 年年底，全国光伏系统的累计装机容量已经达到 10 万千瓦 （ 100mW） ， 从事太阳能电池生产的企业多达 50 余家， 太阳能电池的年生产能力达到 290 万千瓦（ 2900mW） ，太阳能电池年产量达到 1188mW，超过了日本和欧洲， 并使从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的产业链更趋于稳定成熟， 特别是多晶硅材料生产取得了重大进展， 突破了年产千吨的大关， 冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约， 为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。 2007 年是我国太阳能光伏产业发展最快的一年。这些主要受益于太阳能产业的长期利好和整个光伏产业出现的前所未有投资热潮。我国已成为世界第一大光伏电池生产大国， 2009 年 95%以上的产品出口国外， 国内利用率不到 5%； 2010 年中国各大厂商纷纷扩大产能， 总产能达以 12GW[7] 。5 单晶硅太阳能电池制备简介晶体硅太阳电池是典型的 p-n 结型太阳电池， 它的研究最早、 应用最广， 是最近本且最重要的太阳电池。由于硅中电子的迁移率 [1350cm/(V ﹒ s)] 大于空穴的迁移率 [480cm/(V ﹒ s)], 所以在实际工艺中，一般利用 1Ω ﹒ cm左右的（ 100）晶面的掺杂硼的 p 型硅材料作为基质材料，通过扩散 n 型掺杂剂，形成 p-n 结。虽然硅的 n 型掺杂剂包括磷、 砷和锑， 但出于性能价格比等考虑， 在晶体硅太阳电池工业化制备中，通常使用磷作为 n 型掺杂剂。简单构造如下图。太阳能电池片生产工艺流程： 一次清洗 扩散 等离子刻蚀二次清洗 PECVD 印刷电极 烧结 分选测试检验入库一次清洗中常涉及有如下几个化学过程 : 用热的氢氧化钠溶液去除硅表面机械损伤：2322 22 HSiONaOHNaOHSi氢氟酸去除硅表面氧化物：OHSiFHHFSiO 2622 2][6最后使用盐酸去除硅表面金属杂质， 盐酸具有酸和络合剂的双重作用， 氯离子能与金属离子形成可溶于水的络合物。过程中使用多种化学物质， 最后的废渣中含有酸、 碱以及重金属等， 由于废渣杂质过多， 难以重新提纯金属或其他物质反复利用， 或者重复使用技术成本过高，所以废弃物如果处理不好，排放到环境中会造成空气土壤污染等。扩散的目的是形成 p-n 结，工业生产中多使用 3POCl ，将磷扩散到硅表面，下图为扩散示意图。扩散工业生产过程：(1) 将扩散炉 预热至扩散温度（ 800-950 ℃ ） ，通过大流量的氮气，去除管道内的气体；(2) 将经过表面处理的硅片装入石英舟，推入恒温区，在大流量的氮气保护下预热若干分钟；(3) 通入含有 3POCl 的氮气和氧气，氮气流量为 500-1000ml/min ，氧气流量为 500-3000ml/min ，通源时间为 15-60/min ；(4) 失源（即关闭通有 3POCl 的氮气和氧气） ，然后通大流量氮气若干分钟，以驱走残留在管道内的源蒸汽；(5) 把石英舟拉至扩散炉口，降温若干分钟，取出扩散好的硅片 [8] 。过程 (3) 中， 会产生大量 2Cl ， 属于有毒气体，并且有一定危险性，处理不当也会造成污染。有时会伴随产生 4PCl ，属于剧毒物质，目前国内很多公司难以处理，主要由于处理设备昂贵，一般公司难以承担。6 生产晶体硅太阳能电池需要解决的一些问题生产一公斤冶金级多晶硅原料大约需要 10-11MWh的电力，而目前生产冶金级多晶硅原料的工厂大约已有 20 年以上的历史，因为盖一座这样的工厂设备，资本过于庞大， 所以扩充产能不易。 据估算， 建立一部生产一千公斤产能的电弧炉，越要一百万美金的投资额。如何能够让工厂很好的过渡到使用新技术阶段，是目前需要解决的一个问题。目前全球的太阳能电池有 93%是采用结晶硅的技术， 因此多晶硅原料的供给情形，左右了太阳电池的产量。由于生产多晶硅原料的技术门槛几投资额很高，所以全球可以量产多晶硅原料的公司只有少数几家。 如何改进我国在生产上的技术手段，做到环保高效，是目前需要解决的问题。生产太阳电池等级的 CZ多晶硅，最重要的考虑因素是生产成本的降低，所以如何提高长晶的良率与产出率是主要的改善方向。7 太阳能光伏发电的未来趋势太阳能光伏发电在不久的将来将会占据世界能源消费的重要席位， 它的发展不但要替代部分常规能源， 而且还将成为世界能源供应的主体。 预计到 2030 年，可再生能源的消耗将占总能源消耗比例的 30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占有比也将达到 10%以上；到 2040 年，可再生能源消耗将占总能耗的 50%以上， 太阳能光伏发电将占总电力的 20%以上；到 21 世纪末，可再生能源消耗将占总能耗的 80%以上，太阳能发电将占到 60%以上。以上这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域所占有的重要地位。 根据 《可再生能源中长期发展规划》报道，到 2020 年，我国将力争使太阳能发电装机容量达到 1.8GW（百万千瓦） ，到 2050 年将达到 600GW（百万千瓦） 。预计，到 2050 年，我国可再生能源的电力装机将占全国总电力装机容量的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%。未来十几年，将是我国太阳能光伏产业发展继续迅猛的一个阶段 [9] 。8 太阳能光伏发电的环保意义太阳能光伏发电最关键也是有别于燃料能源的重要特征是， 在发电过程中只排放很少的 2CO 。 我们都知道 2CO 作为最主要的温室气体， 是导致气候变暖的主要物质。 太阳能电池板可循环使用， 系统材料可再利用， 这些都可以使光伏的能源投入进一步降低。 如果广泛使用光伏发电技术， 可以为减缓气候变化作出进一步贡献。据 IPCC对气候变化的科学评估报道： 2007 年 2 月，联合国气候变化政府间委员会发布了气候变化评估报告的第一部分。 报告比以往更加确定： 人类活动是过去半个世纪气候变暖的主因（超过 90％的可能性） 。主要影响包括：(1) 过去 12 年中有 11 年是有历史记录以来最热的年份；(2) 全球海平面上升加速；(3) 南北半球的高山冰川和积雪正在消融；(4) 自 20 世纪 70 年代以来，更多地区（尤其是热带和亚热带）干旱更加严重， 持续时间更长。 如果我们不采 取措施， 将温室气体排放限制在 2000 年的水平，未来 20 年气温将增加 2 倍。具体预测包括：(5) 气温将上升 1.1 ℃ -6.4 ℃；(6) 随着热带海洋温度上升，未来热带气旋（台风和飓风等）将更加强烈，最高风力加大，降雨增强；(7) 热浪和强降雨等极端天气日益频繁的可能性将超过 90％。报告的主要研究结果包括：(1) 今后 60 年 -70 年，气候变化将有可能导致物种大量灭绝；(2) 今后几十年，缺水的人口将由几百万增加到几十亿；印度及南亚其他地区和非洲水源将逐渐减少。 贫困国家受到的打击最大， 澳大利亚和南欧的发达国家等也首当其冲；(3) 贫困地区粮食产量将下降，导致更多的饥饿。中国和印度等国小麦和水稻产量将降低。干旱和饥荒将导致非洲产生更大的难民潮(4) 亚洲、南美和欧洲冰川的消融必将导致全球大量人口缺水，冰湖导致洪水泛滥；(5) 由于海平面上升、风暴增强、洪水泛滥，中国的珠江三角洲和孟加拉的恒河三角洲的居民将面临严重威胁；(6) 气温再升高 1℃，就可能导致格陵兰和西大西洋大冰原融化，导致海平面上升几米，沿海居民将被迫迁移 [10] 。9 结论随着现代社会的发展， 人们的环保意识抬头， 全球积极研发清洁的可再生能源， 太阳能光伏发电的特殊优势逐渐得到了体现， 成为未来能源发展趋势， 尤其是它可以为我国边远山区、 太空等特殊场合供电。 虽然太阳能电池发展面临一些技术环境问题， 考虑到太阳能光伏的附加价值， 光伏发电的综合经济效益叶随之大大提升， 并且随着技术进步等因素， 其增长效率将明显优于传统发电， 因此不能单纯与传统发电模式比较单位发电成本。 太阳能光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之， 虽然有一些问题， 但是发展太阳能光伏还是有许多经济、 社会和环境保护的积极意义。参考文献：[1] 林明献 . 太阳能电池新技术 [M]. 北京 : 科学出版社 ,2012 .[2] 熊绍珍 , 朱美芳 . 太阳能电池基础与应用 [M]. 北京 : 科技出版社 ,2012.[3] 杨德仁 . 太阳能电池材料 [M]. 北京 : 化学工业出版社 ,2011. [4] 太阳能电池优点和缺点 [OL]. 百度文库 . http://wenku.baidu.com/view/e4e635300b4c2e3f572763fa.html [5] 杨邦朝 , 王文生 . 薄膜物理与技术 [M]. 四川 : 电子科技大学 ,2012. [6] 我国能源现状 [OL]. 土木工程网 .http://www.civilcn.com/jieneng/jnlw/1307174139144603.html [7] 毛亮 , 我国发展太阳能光伏发电的必要性及技术分析 [A]. 中图分类号号 :615. 文章编号 :1674-6708(2011)53-0066-D2. [8]Martin A.Green. 硅太阳能电池高级原理与实践 [M]. 上海 : 上海交通大学出版社 ,2010. [9] 太阳能光伏发电产业的发展趋势和展望 [OL]. 百度文库 .http://wenku.baidu.com/view/47f633c1d5bbfd0a79567336.html [10] 北京市环境科学研究院 . 跨世纪的环境科学技术 [M]. 北京 : 中国环境科学出版社 .2009. The Essentials to Develop Solar Cells and Some Problems Need to be Solved Abstract: Have a discussion about the need for using solar cells power generation and some problems for preparation of solar cells. Based on the analysis of solar cells preparation, put out the necessity and feasibility of developing the solar photovoltaic power generation, analyzes the technical and environmental problems encountered during the preparation of solar cells. The development of solar cells is a prerequisite for developing solar photovoltaic power generation which is an effective way to solve the energy and environmental problems we are facing in our country today. Key words: Solar cells; photovoltaic power generation; energy; environment