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1、太阳能发电技术小议赵明1 易斌1 刘学义2 刘波2后勤工程学院营房与环境工程系后勤工程学院设计院 摘要 能源供应日趋紧张，环境污染不断升级，促使世界各国努力寻求可再生能源，以缓解由能源消耗不断加剧所带来的巨大压力。太阳能作为一种可再生能源，具有能量大，使用安全，清洁无污染等优点，因此，加快太阳能的开发与应用显得尤为重要。本文主要介绍了国内、国外太阳能发展的现状和太阳能发电的核心技术，并展望了太阳能发电技术未来的发展趋势。一、前言7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，为缓解世界能源供应紧张的矛盾，各国科学家都在努力研究，积极寻找新能源。作为可再生资源的太阳能就是其中之一。太
2、阳表面温度高达6 0 0 0 “ C ，内部不断进行核聚变反应，并且以辐射方式向宇宙空间发射出巨大的能量。据估算，地球上每年接收的太阳能，相当于地球上每年燃烧其他燃料所获能量的3 0 0 0 倍。太阳能发电就是把太阳照射的能量转化为电能的方法。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光伏技术；把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，都属于这一技术领域。近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一
3、。据预测，到下世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到5 0 以上，当然，要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。二、太阳能电池及光伏发电原理太阳电池工作原理的基础是半导体P N 结的“光伏效应“ ，是指当太阳光或其他光照射半导体的P N结时，就会在P N 结的两边出现电压，称为光生电压，使P N 结短路，进而产生电流。早在1 8 3 9 年，法国科学家贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。1 9 5 4 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换
4、为电能的实用光伏发电技术。太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。从上世纪7 0 年代中期，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换的效
5、率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。2 2 6 、硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过8 0 ，而这一发展趋势还在继续增长。1 硅晶圆太阳能电池硅晶圆太阳能电池是市场上最主要产品，在市场中居于绝对优势。自1 9 5 4 年贝尔实验室发表了具备6 光电效率的电池后，随着集成电路的发展，此类型一直是市场的主角，其市场占有率从未低于8 0 ，如果只考虑供电超过l k W 的市场，更几乎是1 0 0 。究其原因大概可分为三方面：1 ) 成本与价格由于科技的进步，晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸，以及晶圆价格，均有长足
6、的改善，自1 9 6 0 年以来，以此类电池发电，单位瓦数成本己下降约5 0 倍。目前价格约为U S $ 2 5 3 ，w a t t 。依据美国国家再生能源实验室的报导，薄膜太阳能电池的制造成本在过去1 0 年亦呈大幅下降，趋势比硅晶圆还快，不过至今一般而言，其价格仍约高于硅晶圆式5 0 。2 ) 模块的效率硅晶圆单一电池系统目前实验室光电效率已达2 5 ，与理论值2 9 非常接近。商业化产品的光电效率自1 9 7 0 s 以来也有长足进步，近年以达约1 2 。这项技术成果，相对而言，是多数薄膜技术所不及之处。3 ) 产能规模与利用率生产成本往往深受生产规模影响，太阳电池也不例外。比较硅晶圆
7、式与薄膜式，一般而言，目前产能规模前者约是后者1 0 倍，因此固定成本可大幅分摊。其次是产能利用率而言，目前硅晶圆式生产厂商，由于这几年市场年年大幅成长，平均产能利用率约达8 0 ，而薄膜式厂商仅约4 0 。这使得硅晶圆式更具生产成本竞争力，成为市场上的一支独秀。2 薄膜式太阳能电池1 ) 多层堆栈方式薄膜式太阳能电池结构通常为p - i n ( 或n - i - p ) ，P 层跟1 1 层主要座为建立内部电场，I 层则由非晶系硅构成。它具有高的光吸收能力，因此I 层厚度通常只有0 2 0 5u1 1 1 。其吸光频率范围约1 1 1 7 e V ，不同于晶圆硅的1 1 e V ，非晶性物质
8、不同于结晶性物质，电子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生，I 层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此困境，此类型电池采用多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的S W E 效应，其幅度约1 5 3 5 。发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。前述多层堆栈方式，亦成为弥补S W E 效应的一个方式。2 ) 制造方式薄膜式太阳能电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法( P E C V D ) 制造硅薄膜。基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，如不锈钢
9、、塑料等。其制程采取r o l l t o r o l l 的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过去三年仍呈现快速成长。2 2 7 为了降低制造成本，近年出现V I - I F 电浆制膜，制程速度可提升5 倍，同时以Z n O 取代S n 0 2 作为导电玻璃材料，以降T C O 成本，预计未来制程顺利开发成功，将可使非晶型硅光电池竞争力大幅提高。展望未来此型光电池最大的弱点在于其低光电转化效率。目前此型光电池效率，实
10、验室仅及约1 3 5 ，商业模块仅4 8 ，而且未来改善的空间，可能相当有限。3 其他太阳能电池1 ) 铜铟镓二硒太阳能电池此类型光电池有两种：一种含铜铟硒三元素( 简称C I S ) ，一种含铜铟镓硒四元素( 简称C I G S ) 。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的C I G S 光电池，光电效率最高可达约1 9 ，就模块而言，最高可达约1 3 。C I G S 随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1 0 2 e v 至1 6 8 e v ，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率，所需光电材料厚度不需超过11 tm ，9 9
11、 以上的光子均可被吸收，所需半导体原物料可能仅只U S $ 0 0 3 W 。在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服：制程复杂，投资成本高；关键原料的供应；缓冲层C d S 潜在毒害。2 ) 镉碲薄膜太阳能电池此类型薄膜光电池简称C d T e ，在薄膜式光电池中历史最久，也是被密集探讨的电池之一。在1 9 8 2年时K o d a k 首先做出光电效率超过1 0 的此类型光电池，目前实验室达成最高的光电效率是1 6 5 ，由美国N R E L 实验室完成，其作法是将已建立多年的电池构造，在进一步增量修改，并改变部分材质。C d T e光电池的薄膜的制造，有多种可行的工艺可采用
12、：溅镀法、化学蒸镀、越正( a t o m i cl a y e r e p i t a x y ) 、网印、电流沉积法、化学喷射法、密集堆积升华法等。各方法均有其利弊，其中电流沉积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界采用的主要方法。沉积操作时温度较低，所耗用碲元素也最少。C d T e 太阳能电池商业化产品效率已超过1 0 ，究其无法跃升为市场主流的原因，大至有下列几点：、模块与基材材料成本太高，整体C d T e 太阳能电池材料占总成本的5 3 ，其中半导体材料只占约5 5 ；碲天然蕴藏量有限，其总量无法应付全盘倚赖此种光电池发电之需；镉的毒性使人们无法放心的接受此种光电池。三、我国太
13、阳能光伏发电的现状我国太阳能电池的研究始于1 9 5 8 年，1 9 5 9 年研制成功第1 个有实用价值的太阳能电池。1 9 7 1 年3 月首次成功地应用于我国第2 颗人造卫星上，1 9 7 3 年太阳电池开始在地面应用，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有两次飞跃：第一次是在上世纪8 0 年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的几百千瓦上升到4 5 兆瓦，引进的太阳能电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业；第二次光伏产业的大发展在2 0 0 0
14、年以后，主要是受到国际大环境的影响，国际项目、政府项目的启动和市场供求关系拉动。2 0 0 2 年由国家发改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电是即廉价又清洁的能源选择。近2 0 年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上同国外比还有很大差距，表现为：2 2 8 1 量级。2 3 口品。生产规模小。我国太阳能电池制造厂的生产能力约为0 5 1 兆瓦，年，比国外生产规模低一个多数技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。专用原材料国产化经过“八五”攻关取得
15、一定成果，但性能有待进一步改进，部分材料仍采用进4 成本高。目前我国电池组件成本约3 0 元瓦，平均售价4 2 元瓦，成本和售价都高于国外产品。5 市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育、开拓的支持政策、措施。2 0 0 5 年2 月2 8 日，第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了中华人民共和国可再生能源法，于2 0 0 6 年1 月1 日起正式实施。可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利
16、用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网发电。四、结束语2 1 世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济，已成为全球热点问题。能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题：如环境污染，温室效应都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源，特别是化石能源的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在2 1 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为2 1 世纪后期的主导能源。参考文献：1 新能源发电技术王长贵中国电力出版社2 太阳能利用技术罗运俊化学工业出版社3 太阳能光伏发电技术王长贵化学工业出版社2 2 9
