太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)畢業(yè)論文.doc
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1、編號(hào):1432130135本科畢業(yè)論文太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)院 系:姓 名:學(xué) 號(hào):專 業(yè):物 理 學(xué)年 級(jí):2010級(jí)指導(dǎo)教師:職 稱:完成日期:2014年 5月11日摘 要能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),以煤炭、石油等化石燃料為代表的能源極大地促進(jìn)了世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而,化石燃料的大量使用也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題,如能源危機(jī)和環(huán)境污染,促使人類探尋新的、清潔、安全、可再生的能源太陽(yáng)能,由此極大地促進(jìn)了太陽(yáng)能電池技術(shù)的飛速發(fā)展。鑒于此,在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,首先綜述太陽(yáng)能電池的種類,然后就其研究現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題、解決的途徑以及發(fā)展趨勢(shì)等做了一些分析,完善太陽(yáng)能電池的相關(guān)研究。關(guān)鍵
2、詞:太陽(yáng)能電池;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)AbstractEnergy is the material basis for the existence and development of human society, To coal, oil and other fossil fuels for energy is greatly promoted the economic development of countries all over the world. However, Use of fossil fuels also brings a series of problems, such a
3、s energy crisis and environmental pollution, human in the search for a new, clean, safe, renewable energy, solar energy. Thus greatly promote the rapid development of the solar cell technology. In view of this, on the basis of consulting a large number of literature, firstly reviews the types of sol
4、ar cells, and then the research situation and existing problems, solutions as well as development trend made some analysis and research to improve the solar cell.Key word: Solar cell;Research status;Development trend 目 錄1 緒論11.1 研究背景和意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 主要方法和研究進(jìn)展41.4 主要研究?jī)?nèi)容52 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介62.1 太陽(yáng)能電池的工作原理62
5、.2 太陽(yáng)能電池的種類63 太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀分析83.1 硅太陽(yáng)能電池83.1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池83.1.2 多晶硅太陽(yáng)能電池93.2 薄膜太陽(yáng)能電池93.2.1 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池93.2.2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池123.3 新型太陽(yáng)能電池133.3.1 納米晶太陽(yáng)能電池133.3.2 疊層太陽(yáng)能電池133.3.3 柔性電池144 太陽(yáng)能電池發(fā)展面臨的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)154.1 我國(guó)太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要問(wèn)題及解決辦法154.2 太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)175 結(jié)論與展望19參考文獻(xiàn)20致 謝21III1 緒論1.1 研究背景和意義諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美國(guó)Rice University的Smalle
6、y教授曾經(jīng)指出,在未來(lái)的50年里,人類面臨著隨之而來(lái)的10大問(wèn)題中,能源問(wèn)題排在首位。目前人類使用的能源中,化石能源占90%以上,而到21世紀(jì)中葉,其比例將減少到人類使用能源的一半,達(dá)到其極值,之后核能和可再生能源將占主導(dǎo)地位。到2100年時(shí),可再生能源將占人類使用能源的l/3以上1-2,如圖1-1示。在諸多可再生能源中,包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮?、氫能和生物質(zhì)能,太陽(yáng)能所蘊(yùn)藏的能量是所有其他可再生能源能量總和的上千倍,因此發(fā)展太陽(yáng)能潛力巨大。自地球形成以來(lái),生物就主要以太陽(yáng)提供的熱和光生存,人類利用太陽(yáng)能這一取之不盡的清潔能源的想法由來(lái)已久, 最早是將它直接轉(zhuǎn)換為熱能利用, 后來(lái)光生伏
7、特效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使太陽(yáng)能利用領(lǐng)域更加靈活、廣闊,所謂太陽(yáng)能電池是指由光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽(yáng)能電池除具有清潔、能量充足的特點(diǎn)外,還可以直接設(shè)置在需要用電的地方發(fā)電。目前,太陽(yáng)能電池的國(guó)際市場(chǎng)年增長(zhǎng)率已達(dá)到30%,而在2030年前,還會(huì)以約25%的速度持續(xù)增長(zhǎng),太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量將從目前的約84GW增長(zhǎng)到2030年的300GW。中國(guó)的可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中,提出2020年可再生能源要占到15%,其中太陽(yáng)能電池發(fā)電容量達(dá)到1.8GW。市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池主要是硅基太陽(yáng)能電池,其中又以多晶硅太陽(yáng)能電池為主流。圖1-1 世界能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(歐盟聯(lián)合研究中心)眾所周知,能源消耗量
8、越來(lái)越大,傳統(tǒng)能源越來(lái)越難以供應(yīng)人類的發(fā)展, 而且由于傳統(tǒng)能源不夠清潔,帶來(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題,作為一切能源的最終來(lái)源,太陽(yáng)能以其具有無(wú)污染、清潔安全、普遍、可再生、可持續(xù)性等特點(diǎn)越來(lái)越被人們所關(guān)注,太陽(yáng)能的利用顯得意義重大。太陽(yáng)能的利用有被動(dòng)式利用(光熱轉(zhuǎn)換)和光電轉(zhuǎn)換兩種方式,太陽(yáng)能電池發(fā)電是一種新興的可再生能源,在能源消費(fèi)中占有舉足輕重的地位,據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)EPIA預(yù)測(cè),太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位(圖1-1),不但要替代部分常規(guī)能源,而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年,可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上,而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占
9、比也將達(dá)到10%以上;到2040年,可再生能源將占總能耗的50%以上,太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀(jì)末,可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上,太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上3。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位?,F(xiàn)今,太陽(yáng)能已成為人類使用能源的重要組成部分,尤其是能源危機(jī)及傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境污染程度日趨嚴(yán)重,更加快了人類對(duì)太陽(yáng)能探索的步伐,開(kāi)發(fā)清潔環(huán)保能源成為人類面臨的重大問(wèn)題, 研究太陽(yáng)能電池因此也成為21世紀(jì)科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一,所以,研究太陽(yáng)能電池具有重要的意義。表1-1為世界常規(guī)能源儲(chǔ)備狀況。表1-1 世界常規(guī)能源儲(chǔ)備狀況剩余使用年限(
10、自2012年開(kāi)始計(jì)算)能源種類世界中國(guó)太陽(yáng)能無(wú)窮大無(wú)窮大石油約45年約15年天然氣約61年約30年煤約230年約81年鈾約71年約50年1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究開(kāi)發(fā)工作高度重視,早在七五期間,非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國(guó)家重大課題,八五和九五期間,中國(guó)把研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽(yáng)能電池等方面。根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備暨材料協(xié)會(huì)(SEMI)的統(tǒng)計(jì),2011年中國(guó)國(guó)內(nèi)新增光伏裝機(jī)容量2.7GW,占到2011年全球新增光伏裝機(jī)容量的10%左右。水利水電規(guī)劃總院的數(shù)據(jù)顯示,截至到2012年底,中國(guó)光伏發(fā)電容量已經(jīng)達(dá)到了7982.68MW,超越美國(guó)占據(jù)第三,但是最重要的還是集中在西部地區(qū)
11、。中國(guó) 19個(gè)省共核準(zhǔn)了484個(gè)大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目,核準(zhǔn)容量是11543.9 MW;中國(guó)15個(gè)主要省已累計(jì)建成233個(gè)大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目,總的建設(shè)容量為4193.6MW,2012年興建98個(gè)。其中青海、寧夏、甘肅3省的建設(shè)容量和市場(chǎng)份額都占據(jù)了半壁江山。為了解決這種光伏發(fā)電集中的情況,從2012年12月開(kāi)始了分布式光伏發(fā)電示范項(xiàng)目的一個(gè)技術(shù)評(píng)審,到2013年5月,中國(guó)26個(gè)省市共上報(bào)了140個(gè)示范區(qū),每一個(gè)示范區(qū)項(xiàng)目不是一個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目,可能涵蓋了若干個(gè)市、縣或者是鎮(zhèn),它的總?cè)萘渴?6529.6MW。根據(jù)OFweek行業(yè)研究中心的最新數(shù)據(jù)顯示,2013年上半年中國(guó)新增光伏裝機(jī)2.8GW,其中1
12、.3GW為大型光伏電站。截至2013年上半年,中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)建設(shè)容量已經(jīng)達(dá)到10.77GW,其中大型光 伏電站5.49GW,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)5.28GW。 目前,國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃,明確太陽(yáng)能發(fā)電是可再生能源發(fā)展的重要組成部分,當(dāng)前和今后一段時(shí)間要加快開(kāi)發(fā)利用。按照國(guó)家規(guī)劃,到2020年將達(dá)到1.8GW,到2050年將達(dá)到600GW(百萬(wàn)千瓦)。按照中國(guó)電力科學(xué)院的預(yù)測(cè),到2050年,中國(guó)可再生能源的電力裝機(jī)將占全國(guó)電力裝機(jī)的25%,其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。與此同時(shí),中國(guó)已經(jīng)形成了多家世界級(jí)的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè),并分別在美國(guó)、香港上市。從已上市企業(yè)的市值看,世界十大
13、光伏企業(yè)中,中國(guó)有保利協(xié)鑫、茂迪(臺(tái)灣)、天合光能、無(wú)錫尚德四家,分別位居第二、五、七、八。德國(guó)、美國(guó)、日本三個(gè)國(guó)家是主要的利用太陽(yáng)能的國(guó)家,集中了太陽(yáng)能電池生產(chǎn)商,也是產(chǎn)品主要的需求國(guó)。西班牙則發(fā)展迅速。德國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量在2007 年達(dá)到1328MW,占世界新增容量的47%。是目前全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng),而西班牙是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一,2007 年新增太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量640MW,同比增長(zhǎng)480%,成為全球新的第二大市場(chǎng)。美國(guó)市場(chǎng)新增220 MW,同比增長(zhǎng)57%,只有日本在政府取消了一定的政策補(bǔ)貼后增速下降了22%,綜上,全球太陽(yáng)能電池呈迅猛式的發(fā)展。圖1-2為2010-2015年全球
14、太陽(yáng)能電池產(chǎn)量、增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)。圖1-2 2010-2015年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量及增長(zhǎng)率太陽(yáng)能電池優(yōu)缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在成本、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)工藝、技術(shù)等方面,導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率提高的原因主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面:(1) 材料質(zhì)量的改善,顯著的提高了光生載流子在電池體內(nèi)的擴(kuò)散長(zhǎng)度和收集效率;(2) 電池表面絨面和減反射膜的形成有效地提高了太陽(yáng)光在電池體內(nèi)的吸收;(3) 鋁背場(chǎng)(BSF)的形成有效地減少了電池背面的表面復(fù)合速率;(4) 磷吸雜、鋁吸雜和體內(nèi)的氫鈍化有效地提高了多晶硅材料的質(zhì)量;(5) 二氧化硅和氮化硅對(duì)發(fā)射(emitter)結(jié)的表面進(jìn)行了有效的鈍化,從而減少了電池前表面的復(fù)合速率;(6) 選
15、擇性擴(kuò)散,即金屬電極下的發(fā)射結(jié)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余發(fā)射結(jié)的濃度,從而有效地抑制了電極區(qū)的復(fù)合速率,并提高了電池在短波處的光譜響應(yīng)。1.3 主要方法和研究進(jìn)展本課題的完成,采用了文獻(xiàn)研究法、調(diào)查研究法、比較研究法等相結(jié)合的研究方法。具體步驟:(1) 查閱資料,了解太陽(yáng)能電池的種類和現(xiàn)實(shí)中主要利用哪些太陽(yáng)能電池;(2) 對(duì)太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié),包括其優(yōu)缺點(diǎn)、市場(chǎng)情況、發(fā)展面臨主要問(wèn)題等內(nèi)容;(3) 在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下,對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行猜想、推理,完成論文。關(guān)于太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展,目前以商品化的晶體硅的光電轉(zhuǎn)化效率最高,技術(shù)成熟,但受材料純度和制備工藝限制,成本高,很難再提高轉(zhuǎn)化效率或降低成本,其
16、大規(guī)模普及及應(yīng)用受到一定程度的限制,并不是理想的發(fā)展對(duì)象,但就目前而言,晶體硅太陽(yáng)能電池仍占行業(yè)的主導(dǎo)地位,占市場(chǎng)份額的90%。而薄膜太陽(yáng)能電池只需幾m的厚度就能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料。薄膜太陽(yáng)能電池與晶體硅太陽(yáng)電池相比具有以下優(yōu)點(diǎn):(1) 材料消耗少:薄膜太陽(yáng)能電池只需使用極薄光電轉(zhuǎn)換材料;(2) 制造能耗低:薄膜太陽(yáng)能電池使用化學(xué)氣相沉積、物理化學(xué)氣相沉積等多種技術(shù),與晶體硅太陽(yáng)能電池高耗能的晶體拉制、切割工藝相比較,制造能耗大大降低;(3) 質(zhì)量輕:薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、可根據(jù)用途使用軟性基材制造,易折疊攜帶、應(yīng)用空間彈性大。當(dāng)前,薄膜太陽(yáng)能電池
17、的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已逐步走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。本文綜述了薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀,對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是提高效率和降低成本。1.4 主要研究?jī)?nèi)容(1) 綜述太陽(yáng)能電池的研究背景及研究進(jìn)展;(2) 簡(jiǎn)要介紹太陽(yáng)能電池原理及常見(jiàn)的幾種太陽(yáng)能電池;(3) 闡述太陽(yáng)能電池的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,分析各類太陽(yáng)能電池的優(yōu)缺點(diǎn)、市場(chǎng)應(yīng)用情況、發(fā)展面臨的主要問(wèn)題及可能的解決方案等內(nèi)容;(4) 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池相關(guān)資料和文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)與總結(jié),預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)。2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介2.1 太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池發(fā)電利用了太陽(yáng)能電池的光生伏特效應(yīng),是一種直接
18、將太陽(yáng)輻射(直接輻射、散射輻射、反射、輻射等)能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電形式。所謂光生伏特效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí),物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光線照射到太陽(yáng)能電池表面由P、N兩種不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)時(shí),一部分光子被硅材料吸收,光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生了躍遷,形成電子空穴對(duì)。在PN結(jié)內(nèi)建電廠的作用下,空穴由n區(qū)流向p區(qū),電子由p區(qū)流向n區(qū),如果從材料兩側(cè)引出電極,并接上負(fù)載就會(huì)產(chǎn)生電壓和電流,對(duì)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率,此即硅太陽(yáng)能電池發(fā)電的基本原理。而非晶硅太陽(yáng)電池是在玻璃襯底上沉積透明導(dǎo)電膜,然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、i型、n型三
19、層非晶硅,接著再蒸鍍金屬電極鋁光從玻璃面入射,電池電流從透明導(dǎo)電膜和鋁引出,其結(jié)構(gòu)可表示為玻璃/透明導(dǎo)電膜/pin/鋁4。2.2 太陽(yáng)能電池的種類太陽(yáng)能電池的種類(具體分類圖2-1):硅太陽(yáng)能電池、多元化合物太陽(yáng)能電池、有機(jī)物太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池等。硅太陽(yáng)能電池又分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池三種。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%,在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位,但由于單晶硅成本價(jià)格高,大幅度降低其成本很困難,為了節(jié)省硅材料,發(fā)展了非晶硅薄膜做為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較,成本低廉,
20、其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為8%,且非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池重量輕,轉(zhuǎn)換效率較高,便于大規(guī)模生產(chǎn),有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng),穩(wěn)定性不高,直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用5。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題,那么,非晶硅太陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。薄膜太陽(yáng)能電池又可分為非晶硅電池、微晶硅電池、化合物半導(dǎo)體II-IV族電池、色素敏化染料電池、有機(jī)導(dǎo)電高分子電池、銅銦硒化物電池等。它的模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導(dǎo)電層、電器功能盒、膠合材料、半導(dǎo)體層所構(gòu)成的。具有相同遮蔽面積下功率損失較小,照度相同下?lián)p失的功率較晶體硅太陽(yáng)能電池少等
21、優(yōu)點(diǎn)。單晶硅電池48.2%晶體硅電池 90%太陽(yáng)能電池薄膜電池 10%多晶硅電池51%非晶硅電池46.1%其他化合物電池 53.9%圖2-1 太陽(yáng)能電池分類3 太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀分析3.1 硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池(圖3-1)、多晶硅太陽(yáng)能電池(圖3-2)和非晶硅太陽(yáng)能電池(圖3-3)三種。 圖3-1 單晶硅電池 圖3-2 多晶硅電池 圖3-3 非晶硅電池3.1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為最高,技術(shù)也最為成熟。作為太陽(yáng)能電池,單晶硅有很多特點(diǎn):作為原料的硅材料在地殼中含量豐富,對(duì)環(huán)境基本上沒(méi)有影響;單晶硅制備以及pn結(jié)的制備都有成熟的集成電路工藝做保證;硅的
22、密度低,材料輕。即使是50um以下厚度的薄片也有很好的強(qiáng)度;與多晶硅、非晶硅比較,轉(zhuǎn)換效率高6;電池工作穩(wěn)定,已實(shí)際用于人造衛(wèi)星等方面,并且可以保證20年以上的工作壽命。單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位,但由于單晶硅成本價(jià)格高,大幅度降低其成本很困難,以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用,單晶硅太陽(yáng)能電池要想進(jìn)一步發(fā)展普及,必須降低成本并提高轉(zhuǎn)化效率。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹(shù)脂進(jìn)行封裝,因此其堅(jiān)固耐用,使用壽命一般可達(dá)15年,最高可達(dá)25年。單晶硅太陽(yáng)能電池的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型,產(chǎn)品已廣泛用于空
23、間和地面。這種太陽(yáng)能電池以高純的單晶硅棒為原料7。為了節(jié)省硅材料,發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。表 3-1 主要太陽(yáng)能電池對(duì)比技術(shù)路線實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率批量生產(chǎn)效率組件成本(美元/W)優(yōu)缺點(diǎn)晶體硅太陽(yáng)能電池單晶硅電池24.70%17%2.29硅耗大、成本高多晶硅電池19.30%14%2.25硅耗大、成本高薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜電池12.80%6%-7%1.0-1.5硅耗小、投資大、有衰減聚光太陽(yáng)能電池40.70%30%3效率高、成本高3.1.2 多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多,但是多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少,實(shí)驗(yàn)室
24、最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。從制作成本上來(lái)講,比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些(如表3-1),材料制造簡(jiǎn)便,節(jié)約電耗,總的生產(chǎn)成本較低,因此將逐步取代單晶硅太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)8。此外,多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。多晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料,而制造這些材料工藝復(fù)雜,電耗很大,在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。針對(duì)目前多晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn),提高轉(zhuǎn)換效率的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1) 高產(chǎn)出的各向同性表面腐蝕以形成絨面;(2) 簡(jiǎn)單、低成本的選擇性擴(kuò)散工藝;(3) 具有創(chuàng)新的、高產(chǎn)出的擴(kuò)散和PECVDSiN淀積設(shè)備;(4)
25、 降低硅片的厚度;(5) 背電極的電池結(jié)構(gòu)和組件。3.2 薄膜太陽(yáng)能電池3.2.1 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)電池在20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)時(shí)獲得了迅速發(fā)展,它在降低成本方面的巨大潛力,引起了世界各國(guó)研究單位、企業(yè)和政府的普遍重視。 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的制作方法完全不同,工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化,硅材料消耗很少,電耗更低,成本低重量輕,轉(zhuǎn)換效率較高,便于大規(guī)模生產(chǎn),它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電,有極大的潛力9-10。大力發(fā)展薄膜型太陽(yáng)電池不失為當(dāng)前最為明智的選擇,薄膜電池的厚度一般大約為0.5至數(shù)微米,不到晶體硅太陽(yáng)電池的1/100,大大降低了原材料的消耗,因
26、而也降低了成本。其非晶硅太陽(yáng)能電池的主要特點(diǎn)是:(1) 重量輕,比功率高在不銹鋼襯底和聚脂薄膜襯底上制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池電池,重量輕、柔軟,具有很高的比功率。在不銹鋼襯底上的比功率可達(dá)1000W/kg,在聚脂膜上的比功率最高可達(dá)2000W/kg。而晶體硅的比功率一般僅40-100W/kg。由于襯底很薄,可以卷曲、裁剪,便于攜帶,這對(duì)于降低運(yùn)輸成本特別是對(duì)于空間應(yīng)用十分有利。(2) 抗輻照性能好由于晶體硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池在受到宇宙射線粒子輻照時(shí),少子壽命明顯下降。如在1Mev電子輻射通量11016e/cm2時(shí),其輸出功率下降60%,這對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。而非晶硅薄膜太陽(yáng)電
27、池則表現(xiàn)出良好的抗輻射能力,因宇宙射線粒子的輻射不會(huì)(或很小)影響非晶硅太陽(yáng)電池中載流子的遷移率,但卻能大大減少晶體硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池中少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,使電池的內(nèi)量子效率下降。在相同的粒子輻照通量下,非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的抗輻射能力遠(yuǎn)大于單晶硅太陽(yáng)電池的50倍,具有良好的穩(wěn)定性10。因此非晶硅薄膜太陽(yáng)電池具有更高的抗輻照能力。(3) 耐高溫單晶硅材料的能帶寬度為1.1eV,砷化鎵的能帶寬度為1.35eV,而非晶硅材料的光學(xué)帶隙大于1.65eV,有相對(duì)較寬的帶隙,所以非晶硅材料比單晶硅和砷化鎵材料有更好的溫度特性。在同樣的工作溫度下,非晶硅太陽(yáng)電池的飽和電流遠(yuǎn)小于單晶硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)
28、電池,而短路電流的溫度系數(shù)卻高于晶體硅電池的一倍,這十分有利在較高溫下保持較高的開(kāi)路電壓和曲線因子。在盛夏,太陽(yáng)電池表面溫度達(dá)到60-70度是常有的,良好的溫度特性十分重要。據(jù)報(bào)導(dǎo)在空間應(yīng)用時(shí),由于輻照和高溫的原因,初始穩(wěn)定效率為9%的非晶硅太陽(yáng)電池,其性能優(yōu)于初始效率為14%的單晶硅太陽(yáng)電池9,11。非晶硅太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,在技術(shù)上已取得很大進(jìn)展,主要是用非晶碳化硅薄膜或微晶碳化硅薄膜來(lái)替代非晶硅薄膜做窗口材料,以改善電池的短波方向光譜響應(yīng);采用梯度界面層,以改善異質(zhì)界面的輸運(yùn)特性;采用微晶硅薄膜做n型層,以減少電池的串聯(lián)電阻;用絨面二氧化錫代替平面氧化銦錫;采用多層背反射電極,以
29、減少光的反射和透射損失,提高短路電流;采用激光刻蝕技術(shù),實(shí)現(xiàn)電池的集成化加工;采用疊層的電池結(jié)構(gòu),以擴(kuò)展電池的光譜響應(yīng)范圍,提高光電轉(zhuǎn)換效率;采用分室連續(xù)沉積技術(shù),以消除反應(yīng)氣體的交叉污染,提高電池的性能。上述技術(shù)的采用使非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2%提高到13.7%。隨著非晶硅薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也取得令人矚目的進(jìn)展。由于非晶硅材料優(yōu)越的短波響應(yīng)特性,使其在計(jì)算器、手表等熒光燈下工作的微功耗電子產(chǎn)品中占據(jù)很大優(yōu)勢(shì),不僅在80年代的10年中取得了數(shù)十億美元的利潤(rùn),而且至今仍具有很大的消費(fèi)市場(chǎng)。從計(jì)算器、手表等弱光應(yīng)用到各種消費(fèi)品甚至功率方面的應(yīng)用,如收音機(jī)、太陽(yáng)
30、帽、庭院燈、微波中繼站、航空航海信號(hào)燈、氣象監(jiān)測(cè)、光伏水泵及小型獨(dú)立電源等應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,產(chǎn)量迅速上升。世界上出現(xiàn)了若干MW級(jí)的生產(chǎn)線和許多非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的企業(yè),目前,整個(gè)非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的年銷售量增長(zhǎng)很快,形成了非晶硅薄膜、多晶硅和單晶硅的三分天下的局面。盡管非晶硅薄膜太陽(yáng)電池具有上述諸多優(yōu)點(diǎn),然而在發(fā)展中也顯現(xiàn)出一些明顯的問(wèn)題。主要是電池的光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下呈逐漸衰退的態(tài)勢(shì),這一問(wèn)題是阻礙非晶硅薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。初期產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率本來(lái)就低(僅4-5%),再加上30%左右的衰退率,使非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的低成本的優(yōu)勢(shì)被較低的效率所抵消。這樣就造成了非晶硅薄膜太
31、陽(yáng)電池的產(chǎn)量從80年代末到90年代初期間處在停滯不前的徘徊階段。對(duì)此學(xué)術(shù)界一直圍繞如何提高非晶硅薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性的問(wèn)題,從材料、器件結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面進(jìn)行研究。特別針對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下衰退的機(jī)理進(jìn)行了不懈的探索,初步結(jié)論是本征非晶硅材料的S-W效應(yīng)。為了揭示S-W效應(yīng)的起因,在理論上人們提出了各種微觀模型:如Si-Si 弱鍵模型;電荷轉(zhuǎn)移模型;再雜化雙位模型;Si-H弱鍵模型以及橋鍵模型等。 由于獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),多晶硅薄膜電池具有廣闊的應(yīng)用前景:(1) 在光伏建筑一體化上的應(yīng)用:采用薄膜太陽(yáng)能電池作為玻璃幕墻可以在成本提高不多的前提下實(shí)現(xiàn)建筑物能源的自給自足,且整體性好,美觀
32、;(2) 大規(guī)模低成本發(fā)電站:薄膜電池因?yàn)槠淙豕庑?yīng)好,每天工作時(shí)間可超過(guò)8個(gè)小時(shí),遠(yuǎn)高于晶硅電池每天約4個(gè)小時(shí)的工作時(shí)間,這補(bǔ)足了其發(fā)光效率相對(duì)較低的不足;(3) 太陽(yáng)能照明光源:由于薄膜硅太陽(yáng)能電池的弱光響應(yīng)好,這個(gè)優(yōu)勢(shì)使薄膜電池組件在太陽(yáng)能交通燈和公共照明系統(tǒng)上的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。而LED節(jié)能燈和非晶硅薄膜電池的匹配,更是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)源照明的新紀(jì)元。薄膜太陽(yáng)能電池是緩解能源危機(jī)的新型光伏器件,太陽(yáng)能的充分開(kāi)發(fā)和有效利用為人類解決能源危機(jī)提供了一條途徑,也必將給人類帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,市場(chǎng)調(diào)查公司美國(guó)Nano Markets發(fā)布的預(yù)測(cè)顯示,薄膜太陽(yáng)能電池全球市場(chǎng)規(guī)模2015年將達(dá)到140億美
33、元。然而在太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)和制備過(guò)程中,面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)依然很多,廣大科研工作者尚需認(rèn)真思考和解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:(1) 降低太陽(yáng)能電池的成本,使其應(yīng)用更具有普遍性,而太陽(yáng)能電池的薄膜化是降低成本的有效途徑;(2) 拓寬其光敏響應(yīng)頻率范圍,尤其是對(duì)可見(jiàn)光的利用,提高薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率12;(3) 研究新型材,提高薄膜太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性,減小材料本身對(duì)人類和環(huán)境的危害。3.2.2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池為了尋找單晶硅電池的替代品,人們除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外,又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。硫化鎘、碲
34、化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高,成本較單晶硅電池低,在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上,國(guó)際上許多國(guó)家的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開(kāi)始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)?,F(xiàn)今,美國(guó)高爾登光學(xué)公司碲化鎘薄膜電池的生產(chǎn)能力為2MW,日本的碲化鎘電池產(chǎn)量為2.0MW,此外,德國(guó)一家公司將建成一家年產(chǎn)10MW的碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)廠,預(yù)計(jì)其生產(chǎn)成本將會(huì)低于$1.4/W。該組件不但性能優(yōu)良,而且生產(chǎn)工藝先進(jìn),使得該光伏組件具有完美的外型,能在建筑物上使用,既拓寬了應(yīng)用面,又可取代某些建筑材料而使電池成本進(jìn)一步降低。但由于鎘有劇毒,會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,因此,并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替
35、代產(chǎn)品13。砷化鎵III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,砷化鎵化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對(duì)熱不敏感,適合于制造高效單結(jié)電池。但是砷化鎵材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化鎵電池的普及。銅銦硒薄膜電池(簡(jiǎn)稱CIS)適合光電轉(zhuǎn)換,不存在光致衰退問(wèn)題13,轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源,由于銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類電池的發(fā)展又必然受到限制。3.3 新型太陽(yáng)能電池3.3.1 納米晶太陽(yáng)能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的,優(yōu)點(diǎn)在于它
36、廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上,制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/51/10。壽命能達(dá)到5年以上。納米太陽(yáng)能電池的研究也已成為光電化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),在這一領(lǐng)域經(jīng)過(guò)大量的研究,取得喜人的成就,但由于此類電池的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步,估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。此外,納米晶太陽(yáng)能電池仍存在一些問(wèn)題,如染料敏化劑的制備成本較高,還有一個(gè)重要問(wèn)題就是目前仍舊沿用液態(tài)電解質(zhì),由于電解液泄漏,電極腐蝕,電池壽命短等缺陷,使得以固態(tài)空穴傳輸材料代替液態(tài)電解質(zhì)制備全固態(tài)納米太陽(yáng)能電池成為一個(gè)必然方向。目前,雖然已有大量的研究制備出全固態(tài)電池,并取得了一定的成績(jī),但由于大部分光電轉(zhuǎn)換率
37、不很理想仍需進(jìn)一步深入研究。3.3.2 疊層太陽(yáng)能電池疊層電池使得電池的性能可以得到疊加。太陽(yáng)能電池的薄層化使其可以做得更薄,因此器件的疊層也變得更為現(xiàn)實(shí)可行。疊層電池可以是同種器件的疊層,也可以是異類器件的疊層。每一個(gè)疊層單元,由于感光部分的光響應(yīng)性能不同,可分別吸收利用不同波段的太陽(yáng)光。經(jīng)過(guò)疊層,太陽(yáng)光可以在全波段上都受到較好的吸收;同時(shí)由于器件之間的耦合效應(yīng),整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到更高水平。例如,單個(gè)IIIV族化合物薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率在10%一20%之間,經(jīng)過(guò)疊層,能量轉(zhuǎn)換效率亦可達(dá)到30%以上。在新概念電池方面,8.18%的染料敏化太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)與13.9%的CIGS電池疊層,整
38、體效率可達(dá)到15.09%。疊層太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)難題在于要尋找兩種品格匹配良好的半導(dǎo)體晶體,其禁帶寬度將引起高效率的能量轉(zhuǎn)換。此外在理想的情況下,電池導(dǎo)帶的最上層應(yīng)該有與底層價(jià)帶大約相同的能量,這使得頂端半導(dǎo)體的電子被太陽(yáng)光激發(fā)后能夠很容易的從導(dǎo)帶進(jìn)入底部半導(dǎo)體晶格的孔。電子在價(jià)帶上又被不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光激發(fā)。這樣一來(lái),兩部分的電池一起工作,像兩個(gè)串連的蓄電池,并且總功率與兩個(gè)電池的功率總和相等。否則,當(dāng)電子流過(guò)時(shí)就會(huì)因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的電阻造成功率損耗。另外就是實(shí)際應(yīng)用中疊層電池的穩(wěn)定性問(wèn)題。3.3.3 柔性電池柔性太陽(yáng)能電池板采用高晶硅材料制成,并用高強(qiáng)度、透光性能強(qiáng)的太陽(yáng)能專用鋼化玻璃以及高性能、
39、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓制而成,有能抗冰雪、抗震、防壓等多種優(yōu)點(diǎn),即使在溫度劇變的惡劣條件下也能正常使用,。所以柔性電池能用在平板類太陽(yáng)能電池難以勝任的許多領(lǐng)域,例如太陽(yáng)能汽車、飛機(jī)、飛艇、建筑、紡織品、帳篷、服裝、頭盔,玩具等特殊曲面上。從制備工藝上看,由于該種電池有望采用成卷生產(chǎn)技術(shù),便于大面積連續(xù)生產(chǎn),降低成本的潛力很大。另外,柔性電池可以進(jìn)行卷曲折疊,從而方便攜帶。柔性電池通常采用柔韌的聚合物半導(dǎo)體作為感光組元組裝器件,或者在其他新概念電池中采用導(dǎo)電的柔性有機(jī)基板電極。目前幾乎各種類型的光伏器件都在不同程度上實(shí)現(xiàn)了柔性化,如聚合物有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、非晶硅
40、、染料敏化太陽(yáng)能電池等。4 太陽(yáng)能電池發(fā)展面臨的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)4.1 我國(guó)太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要問(wèn)題及解決辦法由于國(guó)外市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)需求的刺激。我國(guó)太陽(yáng)能電池廠家發(fā)展迅速,估計(jì)今年全國(guó)數(shù)十家企業(yè)新上的或擴(kuò)產(chǎn)的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線的產(chǎn)能目標(biāo)將超過(guò)600MW,而實(shí)際產(chǎn)量也將達(dá)到300MW以上。但在“形勢(shì)一片大好”的背后存在著不少潛在的問(wèn)題。(1) 硅原材料太陽(yáng)能電池用硅原材料缺乏已成為國(guó)際性的一大問(wèn)題,對(duì)我國(guó)的影響尤為嚴(yán)重,國(guó)際上長(zhǎng)期供貨合同的均價(jià)以上漲了25%,而在我國(guó),由于畸形發(fā)展,上漲的幅度遠(yuǎn)不止25%,一般向國(guó)外生產(chǎn)廠家直接訂貨合同價(jià)格為40-60美元/kg;同通過(guò)中間商的硅材料價(jià)格2005
41、年一路飆升,一年之間已從25美元/kg上升到超過(guò)200美元/kg,最近已達(dá)220美元/kg。以目前國(guó)際市場(chǎng)太陽(yáng)能電池銷售價(jià)4.0-4.2美元/W計(jì)算14,如此昂貴的硅材料價(jià)格已使太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠無(wú)利潤(rùn)可言,更為嚴(yán)重的是現(xiàn)在已有一些新上電池生產(chǎn)線、即使高價(jià)也買不到貨,處于半停產(chǎn)狀態(tài),盡管洛陽(yáng)中硅、四川峨眉等公司計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn),特別是洛陽(yáng)中硅已決定新建年產(chǎn)1000噸多晶硅的生產(chǎn)線項(xiàng)目,但上這樣的大項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)不小,不僅投資很大,而且從年產(chǎn)300噸試驗(yàn)生產(chǎn)線擴(kuò)展到年產(chǎn)1000噸生產(chǎn)線,技術(shù)上將會(huì)遇到不少問(wèn)題。由于太陽(yáng)能電池用多晶硅材料用量猛增,已帶動(dòng)了整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)的硅材料上漲,影響到其他硅電子元器件的材料
42、成本。有資料表明,目前我國(guó)對(duì)多晶硅的需求量為3800噸,其中光伏產(chǎn)業(yè)需求2691噸,而我國(guó)多晶硅的產(chǎn)量只有60噸,即使全部供應(yīng)光伏產(chǎn)業(yè),也僅占市場(chǎng)需求的2.6%。我國(guó)硅原材料非常豐富,是石英砂礦(制備晶體硅的原材料)的出產(chǎn)大國(guó),在海南島等地?fù)碛写罅康牡V產(chǎn)資源,在世界硅產(chǎn)量中我國(guó)就占了1/3,這是我國(guó)大力發(fā)展太陽(yáng)能電池的有利資源條件。但是我國(guó)的提純技術(shù)較為落后,提純成本很高,價(jià)格貴。我認(rèn)為,我們一定要重視多晶硅規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的自主研發(fā),努力增大科技投入的,不能依賴于從國(guó)外買進(jìn)技術(shù),必須要靠科研人員和企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新,扭轉(zhuǎn)現(xiàn)在的被動(dòng)局面,為將來(lái)的發(fā)展作好技術(shù)儲(chǔ)備。(2) 市場(chǎng)目前我國(guó)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)
43、品主要是外銷,太陽(yáng)能電池和組件有95%以上銷往國(guó)外,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額很小,太陽(yáng)能電池成了典型的兩端在外的行業(yè):技術(shù)、原材料在外,銷售和市場(chǎng)在外,而加工制造在內(nèi),這導(dǎo)致高額利潤(rùn)由國(guó)外廠商賺,國(guó)內(nèi)花費(fèi)大量勞力、能源、資源、僅取得低額利潤(rùn)。值得注意的是,現(xiàn)在我國(guó)能源緊缺,消耗緊缺的能源制取可再生的能源產(chǎn)品,源源不斷地輸送到國(guó)外獲得微薄收益,不符合國(guó)家的根本利益。最近幾年國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)一直處于停滯不前的狀態(tài),在國(guó)外,發(fā)展太陽(yáng)能光電產(chǎn)業(yè)主要是依靠大量安裝屋頂并網(wǎng)系統(tǒng),早在兩年前已占全世界太陽(yáng)能電池總用量的60%以上,現(xiàn)在估計(jì)已超過(guò)70%,而我國(guó)只有深圳、上海和北京有些圖4-1 中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量及增長(zhǎng)率
44、零星的并網(wǎng)屋頂系統(tǒng),如果沒(méi)有大中型城市和東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大量推廣屋頂并網(wǎng)系統(tǒng),即使實(shí)施西部地區(qū)村通電工程也難以使我國(guó)的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)獲得持久快速發(fā)展。如果國(guó)內(nèi)市場(chǎng)沒(méi)有發(fā)展起來(lái),一旦國(guó)外市場(chǎng)受阻,而眾多的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠商將面臨十分困難的局面。因此,太陽(yáng)能電池要想獲得長(zhǎng)足的發(fā)展,必須要打開(kāi)國(guó)內(nèi)市場(chǎng),這還依賴于政府的扶持。(3) 技術(shù)進(jìn)步近年來(lái)我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,但技術(shù)進(jìn)步并不顯著,主流的晶體硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)進(jìn)步幾乎全依賴于先進(jìn)的進(jìn)口設(shè)備,很少有屬自主創(chuàng)新的核心技術(shù);除少數(shù)企業(yè)外,產(chǎn)品總體質(zhì)量不如日、歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家。在目前的科技體制下,科研院所要想開(kāi)展具有原創(chuàng)性的太陽(yáng)能電池研究有很
45、多困難,因此,包括生產(chǎn)設(shè)備制造在內(nèi)的總體技術(shù)水平始終與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距。我認(rèn)為要解決技術(shù)進(jìn)步的問(wèn)題,關(guān)鍵是需要有一大批拔尖的技術(shù)人才,而我國(guó)現(xiàn)有的情況是:大學(xué)比較注重一些新型太陽(yáng)能電池的研究,缺乏對(duì)常規(guī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝的研發(fā),而一些有關(guān)科技院所已改制或面臨改制,無(wú)力投入大量資金建立太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線進(jìn)行工藝技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。由于光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快,能適應(yīng)生產(chǎn)第一線的技術(shù)人員奇缺,一些企業(yè)往往通過(guò)獵頭公司相互挖人,這也對(duì)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了不利影響。要想促進(jìn)太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)足發(fā)展,這些問(wèn)題必須解決。(4) 國(guó)家和各級(jí)政府的扶植政策太陽(yáng)能發(fā)電雖然有諸多優(yōu)點(diǎn),畢竟太陽(yáng)能電池制造成本較高,發(fā)電成本遠(yuǎn)高于不
46、計(jì)環(huán)保成本的燃煤火力發(fā)電成本;經(jīng)核算高于每點(diǎn)成本少則六倍,多則十倍。在現(xiàn)今市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為主體的社會(huì)條件下,政府必須有相應(yīng)的扶植政策。日本、美國(guó)、歐盟都有發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的扶持政策,就連印度這樣的第三世界國(guó)家也有自己的扶持政策。最典型的是德國(guó),由于政策落實(shí),加上公眾認(rèn)同,近兩年發(fā)展極快,2005年安裝量達(dá)837MW,占世界總安裝量的57%,我國(guó)去年2月28日全國(guó)人大通過(guò)了可再生能源法,今年四月國(guó)家發(fā)改委又出臺(tái)了可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法13,具體落實(shí)施行還會(huì)遇到諸多困難,需要電力部門和各級(jí)地方政府給予大力支持。(5) 其他公眾的認(rèn)識(shí)和支持也是推廣太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要問(wèn)題,目前我國(guó)對(duì)這的
47、科普宣傳做得很不夠,示范工程也很少,與集中供電的火力發(fā)電相比,對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)需要增加蓄電池等貯能設(shè)備,對(duì)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還要增加并網(wǎng)逆變器等輔助設(shè)備,使用較復(fù)雜,因此沒(méi)有公眾的支持也是難以發(fā)展的。另外,國(guó)外大多數(shù)住宅多為單層或雙層建筑,而目前我國(guó)大中城市則多為高層或多層建筑,這度實(shí)施太陽(yáng)能建筑一體化,安裝太陽(yáng)能光伏屋頂系統(tǒng)向用戶供電,也將帶來(lái)了一定的困難。4.2 太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今,世界各國(guó)普遍重視和發(fā)展太陽(yáng)電池,這是一項(xiàng)重要的發(fā)展戰(zhàn)略。隨著新型太陽(yáng)能電池的涌現(xiàn),以及傳統(tǒng)硅電池的不斷革新,新概念的太陽(yáng)能電池已經(jīng)顯現(xiàn),從某種意義上講,預(yù)示著太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。基于上述太陽(yáng)能電池的發(fā)展背景和
48、現(xiàn)狀分析,目前太陽(yáng)能電池發(fā)展的新概念和新方向可以歸納為薄膜電池、柔性電池、疊層電池、以及納米晶電池。 目前,在太陽(yáng)能電池中,晶體硅太陽(yáng)電池占據(jù)了90%的世界太陽(yáng)能光伏市場(chǎng),而且在未來(lái)5到10年內(nèi)仍將主導(dǎo)太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)。要想推動(dòng)了世界光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是降低太陽(yáng)電池組件成本是主要方法,現(xiàn)有的高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池是在高質(zhì)量的硅片上制成的,這是制造硅太陽(yáng)能電池成本最高的部分。因此,在如何保證轉(zhuǎn)換效率仍較高的情況下來(lái)降低襯底的成本就顯得尤為重要,這也是今后太陽(yáng)能電池發(fā)展急需解決的問(wèn)題。世界各國(guó)科技人員積極研究高效率硅電池、多帶隙電池、聚光電池和薄膜電池,為進(jìn)一步降低成本
49、而努力。目前,高效率、長(zhǎng)壽命、低成本成為太陽(yáng)能電池發(fā)展的總趨勢(shì)。 此外,多晶硅薄膜電池在將來(lái)可能更具吸引力,目前商業(yè)化電池效率已經(jīng)達(dá)到17-18%。在薄膜電池的研究中,研究的重點(diǎn)是簡(jiǎn)化生產(chǎn)技術(shù),改善材料的化學(xué)性質(zhì),以及改進(jìn)電池設(shè)計(jì)。薄膜電池已采用多結(jié)制備技術(shù)以提高效率,United Solar System公司已經(jīng)發(fā)展了三結(jié)非晶硅電池,效率達(dá)到12%,這種電池與一種柔性襯底結(jié)合,顯著降低了制造費(fèi)用。5 結(jié)論與展望本文總結(jié)介紹了幾種常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池,闡述了太陽(yáng)能電池的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,分析各類太陽(yáng)能電池的優(yōu)缺點(diǎn)、市場(chǎng)應(yīng)用情況、發(fā)展面臨的主要問(wèn)題及可能的解決方案等內(nèi)容,并通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池相關(guān)資料和文
50、獻(xiàn)的學(xué)習(xí)與總結(jié),預(yù)測(cè)了太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)。我認(rèn)為太陽(yáng)能電池要想實(shí)現(xiàn)更廣泛的普及,要做到以下幾個(gè)方面:(1) 要減少材料損耗;(2) 要減少制造過(guò)程中的能耗;(3) 要提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電特性的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;(4) 要減少生產(chǎn)線設(shè)備投資,降低太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)入門檻;(5) 要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和采用更大面積的基片。從以上所述的太陽(yáng)電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),不難發(fā)現(xiàn)努力提高光電轉(zhuǎn)換效率和大幅降低太陽(yáng)電池的成本是各類太陽(yáng)電池的共同課題。太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展有賴于進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率并減少生產(chǎn)成本,這是擺在我們面前的進(jìn)一步目標(biāo)和任務(wù)。本文闡述了一下太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理以及太陽(yáng)能電池的種類及其研究
51、現(xiàn)狀,并總結(jié)了太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)。展望二十一世紀(jì),世界太陽(yáng)能電池市場(chǎng)必將繼續(xù)迅猛發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 毛愛(ài)華太陽(yáng)能電池的研究和發(fā)展現(xiàn)狀.包頭鋼鐵學(xué)院報(bào)J2010,3,第21卷第01期13-162 郭浩,丁麗,劉向陽(yáng)太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J許昌學(xué)院報(bào)第25卷.第2期21-232009,33 周翹宇,于洪利太陽(yáng)能電池的種類及研究現(xiàn)狀J中國(guó)科技成果2010,第10期4 沈文忠面向下一代光伏產(chǎn)業(yè)的硅太陽(yáng)能電池研究新進(jìn)展MChinese Journal of Nature 32.3-65 林紅,李鑫,李建保太陽(yáng)能電池發(fā)展的新概念和新方向M稀有金屬材料與工程6 王建軍,劉金霞太陽(yáng)能電池及材料研究和發(fā)
52、展現(xiàn)狀J浙江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào)2012,57 張志堅(jiān),俞德慶,張玉林太陽(yáng)能電池能源成本與薄膜電池技術(shù)發(fā)展D云南冶金期刊論文2010,68 趙文玉,林安中晶體硅太陽(yáng)能電池及材料J太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2013,(特刊):85-949 耿新華,孫云薄膜太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展J物理,2009,28210 季秉厚,王萬(wàn)錄多晶薄膜與薄膜太陽(yáng)能電池J太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2009,(特刊):102-11411 Wang W ,Lin H,Li J Bet a1。Journal of the American Ceramic SocietyJ2008,91(2):62812 李芬,陳正洪,何明瓊等太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景J水電能源科
53、學(xué),2011,29(12):18819213 鄧洲國(guó)內(nèi)光伏應(yīng)用市場(chǎng)存在的問(wèn)題、障礙和發(fā)展前景D中國(guó)能源,2013,35(1):121614 周超太陽(yáng)能光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用J都市快軌交通,2013,26(2):7780致 謝本論文是在郝華麗老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為人親切平和,治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),經(jīng)驗(yàn)豐富,我雖然在寫作過(guò)程中遇到了很多的問(wèn)題,但是老師給了我無(wú)私的指導(dǎo)和幫助,不厭其煩地幫助我進(jìn)行論文的修改,老師耐心的講解和親切的關(guān)懷讓我深深的感動(dòng)。另外,在校圖書館查找資料的時(shí)候,圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。沒(méi)有老師的指導(dǎo),本文是無(wú)法圓滿完成的,在此由衷地感謝老師的指導(dǎo)和幫助。感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn),如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā),我將很難完成本篇論文的寫作。鑒于本人水平有限,文中難免存在一些錯(cuò)誤和不當(dāng)之處,望各位老師批評(píng)指正。22
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