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1、. . . .太阳能电池(GIGS )在光伏建筑一体化(BIPV)的应用摘要：本文介绍了光伏建筑一体化(BIPV)最新的发展和未来的前景，重点介绍铜锢稼硒太阳能电池的最新发展状况。关键词：光伏建筑一体化Binding Integrated Photovoltaica ( BIPV) ;光电幕墙photoelectrieity curtain wall;晶体硅电池crystal silicon cell;非晶硅电池amorphous silicon cell1.前言光伏发电是利用半导体界面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。太阳能电池经过串联后进行封装
2、保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为阳光普照大地，光伏发电较少受地域限制;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周期短的优点，因而得到了广泛的应用。(如图1.1-1.4）2.太阳能电池板种类介绍自从1954年第一块光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步，但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。因为人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。在21世纪的今天，随着科技的飞速进步，太阳光伏发电呈多极化发展，相
3、互之间也逐渐进人良性竞争循环。目前太阳能电池主要分两大类:晶圆型和薄膜型。晶圆型主要有单晶硅、多晶硅、GaAs，(CIS.CIGS)薄膜型主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅下面是各种太阳能电池的转换率比较图2.1，2.2):3.铜铟镓硒(GIGS )一太阳能电池的第三次技术革命在30多年前，因为晶体硅太阳能电池的出现，有了太阳能电池的第一次技术革命。从发明至今，晶体硅一直作为光伏发电市场的主导者，虽然目前在航天、通讯及微功耗电子产品领域中已占据了不可替代的位置，但作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1%。尽管技术工艺上不断改进，但晶体硅电池的内在缺点原材料成本高，资金效率低始终无法解决。
4、由于硅不能强有力地吸收光能，所以制造晶体硅太阳能电池需要大量的半导体材料，而且晶片容易碎。所以晶体硅电池的生产加工工艺一直都无法适应大规模的工厂化生产。在10多年前，随着第一个商用“薄膜”太阳能电池诞生，标志着太阳能第二次技术革命的到来。它采用了新型的无硅半导体材料，降低了太阳能电池的材料成本，而且此类电池的吸收体(半导体)厚度比硅晶片电池更薄。然而，太阳能第二次技术革命不能彻底改变太阳能电池总体成本高，资金效率低的状况。薄膜沉积技术的真空限制导致处理成本过高。因此，利用真空薄膜沉积技术生产的太阳能电池始终无法替代晶体硅电池。自20世纪90年代中后期以来，薄膜型太阳能电池呈多极化发展，其中的C
5、IGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池由于材料有近似最佳的光学能隙(Eg)、吸收率高(105/cm)、杭辐射能力强和长期的稳定性等特点，被国际上称为最有希望获得大规模应用的太阳能电池之一。近年来，CIGS技术取得了长足的发展。先是CIGS电池实验室转换效率再创新高，美国再生能源实验室(NREL)2008年3月28日公布其GIGS电池的实验室转换效率再度刷新其原先缔造的19.5%的历史纪录，达到19.9%，使得GIGS电池的转换效率进一步逼近多晶硅电池的20.3%。同时CIGS的制备方法也不断的成熟。GIGS太阳电池的结构主要包括GIGS薄膜、缓冲层US薄膜、窗口层ZnO和ZnO:Al薄膜(见图3.1
6、)，其核心是作为吸收层的GIGS薄膜。GIGS薄膜的制备以往有两种技术路线，即共蒸发法和溅射后硒化法。共蒸发法特点是薄膜质量好，容易实现元素的梯度分布，电池转换效率高，但是该方法对设备要求严格，蒸发过程不容易控制，大面积均匀性与连续化生产难度很大。溅射后硒化法是先按照元素比例溅射沉积金属预制层，在Se气氛中硒化反应形成铜铟硒(简称CIS)或铜铟镓硒(简称CIGS)化合物半导体薄o虽然目前a射后硒化法制备的电池转换效率低于共蒸发法，但它是相对较容易实现大规模工亚化生产的技术途径，该方法制备的大面积GIGS薄膜均匀性好，设备和工艺比较容易实现。溅射后硒化法工业化一般使用固态硒颗粒为硒源，其有效避免
7、了采用硒化氢(H2Se)为硒源产生的H2Se气体剧毒，易燃易爆，安全性不好，价格昂贵.运输储存困难等缺点。2008年，CIGS薄膜太阳能电池出现沉积新方法，它使用了纳米颗粒油墨，运用简单的印刷方法来制备CIGS薄膜太阳能电池，此种制备方法目前能生产出转换效率接近14%的薄膜。该工艺避免了需采用高真空腔室以及基于高真空的沉积技术。它的出现，代表着太阳能第三次技术革命的到来。太阳能第三次技术革命继承了第二次技术革命的优点，而且从根本上进行变革，它通过粒子墨水、半导体印刷、导电底层、rolltoroll加工、低成本的上电极、成型电他装配、大电流面板这七项基本技术革新来使太阳能电池板和太阳能体系的成本
8、大大减少，而且年产能力已达1GW.4.光伏建筑一体（BIPV)以太阳能电池板为建筑材料，进行建筑物外观构造设计，达到建筑与发电之双重功能，称为BIPV,从零四年以来，BIPV这个词越来越多的出现在幕墙行业中，有人也称其为“光伏建筑一体化”。目前很多幕墙公司只是简单把光电他板块取代原来的玻璃板块，或者将其作为独立的体系安装在幕墙之外，其实都不能完全体现BIPV的真正含义。BIPV需要的是建筑的总体规划设计，在建筑规划的时候就要考虑环境，需求等一系列间题。BIPV经常面临的间题有:(1)繁华市区大楼林立拥挤，彼此是否遮蔽了阳光的照射量(2)建筑物坐落的纬度、方位，以及环境干扰因素(3)与建筑物结合
9、一体，除需互相迁就外，设计与施工均较复杂，技术要求度很高。(4)价格仍相当昂贵。(5)晶体硅模板背部因通风较差，温度可能上升至Sa1C或更高，导致发电效率降低10%以上。(6)大部分采取垂直设置，将减少约40%的发电量。(7)当阴影遮蔽一片模组的一部分时，将减少整片模组及其他串联模组的发电量。 这些问题需要在做BIPV前仔细的研究，看建筑物是否适合，不能勉强。建筑在做BIPV规划的时候，一般需要考虑:(1)与当地环境、入文、景观等地方风貌需能互相搭配结合。(2)安全 固定性(3)发电性(主要功能)使生活与用电密切结合(4建筑艺术与创意设计(5)节能考虑通风、排气、散热、采光、透光(6)功能考虑
10、照明、抽水、空调目前BIPV一般常用的建筑部位有屋顶、风雨棚、立面幕墙、大型遮阳百叶等位置，每种位置者隋它自身的特点。屋顶对于建筑物的外观影响最少的一种BIPV方法传统屋顶一般均为深色不透明材料，太阳能电池板能够很好的和屋顶结合。即使是现代很多建筑采用的直立锁边屋面板系统，只要BIPV配置合理，也会有很好的效果。最常用的屋顶BIPV形式是玻璃采光顶。一般会把光电板加工到玻璃里面，然后通过申联并联将面板最终连接到逆变器。以下是采光顶光电板的一般节点做法:德国莱比锡尼古拉教堂，作为德国一座古老的教堂，教主提出“保护造物，使用阳光发电”的信念，正式这个与自然和解的愿望，当时遭到了多方面的反对与质疑，
11、在一连串的努力与沟通后，在教区主教、执事与联邦政府古迹保护委员会的允诺下，这项将太阳能发电结合在历史性建筑物上的跨领域计划才得以贯彻执行。最后将原来的40平米斜屋顶全部换成深色太阳能光电板，并网发电，既保留了原建筑的整体风格，又宣示了教主的信念。他的成就不仅在于发电的多寡，更在于教区、教堂执事在尊重历史建筑、在保护造物、在与大自然和解上，所愿意付出的努力与沟通。其他著名教堂BIPV简介:(1)斯图加圣禾维西教堂拥有最大的屋顶面积420平米，在教堂的南面屋顶，整片覆以薄膜晶片模组。(2)德东文化古都德瑞斯登在教区与古迹保护局的折冲下，采用厂商特别制造的“整合于建筑形式内的模组”，让历史建筑披上太
12、阳光电外衣。其中，圣安东尼教堂装置3.45kWP，在2002年获得德国21世纪议程之表扬。风雨棚广泛应用于铁路站房建设风雨棚作为铁路站房建设的一部分，使用BIPV有以下优势:(1)覆盖面积大，而且拥有最理想的太阳辐射角(2)外观形状单一规整，方便太阳能板的自由布设(3)逆变器布设也非常自由，既可以使用集中式方便控制，又可以使用分散式减少损耗(4)由于风雨棚的开放式构造，使日后的维护和检修非常方便风雨棚BIPV的一般节点细部构造:(图4.5)以下是国内一些站房工程的介绍:青岛火车站站房改造工程其中太阳能发电系统作为整个改造计划的一部分，充分第十三条国家鼓励和支持可再生能源并网发电。第十四条电网企
13、业应当与依法取币别于政许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并网协议，全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量，并为可再生能源发电提供上网服务。第十七条国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。第二十四条国家财政设立可再生能源发展专项资金，用于支持以下活动:对可再生能源开发利用的科学技术研究、标准制定和示范工程。可见，要大力发展太阳能发电，必须寻找能广泛利用太阳能发电的媒体。幕墙作为建筑物外围护结构，遍布于各大中小城市的公共建筑、民用建筑，只要地区合适、朝向合适，便可以考虑采用太阳能光电幕墙。香港湾仔政府大楼光电
14、幕墙为节能环保建筑树立了良好的榜样日本SANYO太阳光电公司总部运用简单的建筑意向设计，以圣经上的“诺亚方舟”神话，完美的表达太阳光电于能源耗竭危机中所扮演的任务及角色日本京都Kyocera总公司发电功率22flkW，设置于办公大楼屋顶与朝南墙面，22个10kW市电并联Tj逆变器大遮阳百叶未来BIPV的雏形近几年开始流行的电动遮阳百叶，主要分室外用和室内用，对于太阳能应用来说主要是室外电动遮阳百叶，电动遮阳百叶与太阳能电池板结合有以下好处: (1)遮阳百叶能根据太阳高度角进行调节，从而获得最大的太阳辐射量。 (2)遮阳百叶本身均为不透明材料，太阳能电池板能和遮阳百叶在外观上很好的融合。 (3未
15、来的建筑外墙机械化的程度将越来越高，届时BIPV的应用将更加的广泛和合理。以下是一些遮阳百叶工程的介绍:台南县政府12kWp并联型BIPV发电系统台北市富邦福安纪念馆19. 8kW PBLPV系统香港湾仔政府大楼BIPV系统简单介绍一下目前国际最新的BIPV情况:(1)在日本东京西北约90公里的小城大田，由于这里的日照十分充足，太阳能被大力推广，成了小城主要的能源来源。在大田，有超过550户居民的房顶上，立着巨大的太阳能电池板。大田是日本日照最充足的地点之一，那里相当一部分社区用电都由太阳能发电装置提供。居民们的所有家用电器都由太阳能驱动。而且居民们还可以将没有用完的多余电量卖给当地电厂。太阳能推广计划是日本政府近来大力推广的能源项目。一个普通家庭安装太阳能板至少得花费两万美元，为了鼓励居民使用太阳能，日本政府将给每户家庭补助10%的安装成本。(2)欧盟可再生能源白皮书和“起飞运动
