淺談太陽能電池

泰偉業(yè)

摘 要：本文重點(diǎn)介紹太陽能電池的種類以及太陽能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀，簡述其發(fā)展中存在的問題并預(yù)測其未來走向的趨勢。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)； 應(yīng)用現(xiàn)狀； 存在問題

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.076

0 引言

隨著時代的發(fā)展，能耗越來越大，人類面臨著常規(guī)能源枯竭和環(huán)境嚴(yán)重破壞的雙重壓力。近年來，太陽能光伏市場因其核心部件太陽能光伏電池具有不消耗燃料，不受地域限制，規(guī)模可靈活組合，具有大規(guī)模應(yīng)用的可能性等優(yōu)點(diǎn)而得到快速發(fā)展。

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”，是利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體設(shè)備。工作原理是光電效應(yīng)，即陽光照射在PN結(jié)上，形成新的電子-空穴對，在PN結(jié)本身內(nèi)建電場的作用下，電子由N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動，空穴由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動，形成了電流。

1 太陽能電池的種類和應(yīng)用

1.1 種類

依據(jù)所用材質(zhì)不同，將太陽能電池大致分為：硅基電池、化合物電池、納米晶電池、有機(jī)電池四類。

1.1.1 硅基電池

硅基電池包括：單晶硅電池、多晶硅電池和硅基薄膜電池。

單晶硅太陽能電池以純度較高的直拉單晶硅棒作為初材料，其光電轉(zhuǎn)換效率最高，在實驗室條件下可達(dá)為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時為18%（截至2011年）。當(dāng)然，當(dāng)晶硅電池的成本也較高，單晶硅棒的純度一般要求99.999%。

多晶硅太陽能電池成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，其轉(zhuǎn)換效率卻略遜于前者，實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)時為17%（截至2011年）。

硅基薄膜太陽能電池組件成本低，重量輕，組件結(jié)構(gòu)完整，美觀，弱光發(fā)電效果好，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力，除用于大型光伏電站外，還可以安裝于建筑物任何部位并與建筑融為一體，利于推行建筑光伏一體化。

尤其是非晶硅薄膜電池，不僅轉(zhuǎn)換效率低下，而且存在光致衰退效應(yīng)，若可以進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)換率并使得穩(wěn)定性問題能夠得到改善，那么，該產(chǎn)品將會是今后太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。

1.1.2 化合物太陽能電池

以無機(jī)鹽作為材料的化合物薄膜太陽能電池，其主要包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化鎘、銅銦鎵硒電池等；III-V族化合物砷化鎵、磷化銦及砷化鎵電池等。

Ⅱ-Ⅵ族化合物典型代表---碲化鎘，該材質(zhì)吸光系數(shù)很高且可用多種快速成膜技術(shù)制作，不僅成本方面廉價于單晶硅電池，而且易于規(guī)模化生產(chǎn)，唯一的難題是鎘有劇毒，使用不當(dāng)會嚴(yán)重污染環(huán)境，不是晶體硅太陽能電池的理想替代品。

III-V化合物電池的典型代表---砷化鎵（GaAs），其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上，具有十分理想的光學(xué)帶隙和較高的光吸收效率，在AM1輻射條件下吸光97%左右，抗輻照能力強(qiáng)，對熱不敏感，適合制造高效單結(jié)電池，適合用于熱光伏特系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)及太空領(lǐng)域。

銅銦鎵硒薄膜電池具有高轉(zhuǎn)換效率（可以達(dá)到30%左右）和低材料制造成本等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵刂弧５撾姵孛媾R的問題是銦和硒稀缺，其發(fā)展將無疑會受到一定程度的制約。

1.1.3 納米晶太陽能電池

納米晶體太陽能電池是近年來新發(fā)展的，其優(yōu)點(diǎn)在于成本廉價、生產(chǎn)工藝簡單、性能穩(wěn)定，其制作成本僅為硅太陽電池的1/10～1/5，光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在10%以。

1.1.4 有機(jī)太陽能電池

有機(jī)太陽能電池的半導(dǎo)體材料為具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物，此種有機(jī)物作為電池的核心部分，具有光生伏特效應(yīng)。

1.2 應(yīng)用

目前，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域太陽能電池已廣泛應(yīng)用，主要分為兩種類型：并網(wǎng)型、離網(wǎng)型。

1.2.1 并網(wǎng)應(yīng)用

并網(wǎng)發(fā)電是指把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不需要經(jīng)過中間環(huán)節(jié)---蓄電池儲能，而直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能輸入電網(wǎng)的一個過程。

21世紀(jì)以來，全球太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用大幅推廣，世界各國都在樓宇和家居屋頂上應(yīng)用了太陽能電池，一半以上可并網(wǎng)，而且并網(wǎng)的發(fā)電應(yīng)用也越來越多。以2008年為例，比2007年增長約72.67%，統(tǒng)計到2000年，年均增長率約60.99%。

相對離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)而言，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：可再資源太生陽能清潔干凈，符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境要求；減少了蓄電池的二次污染，所發(fā)電直輸入電網(wǎng)，不再需要蓄電池，投資約是獨(dú)立太陽能光伏系統(tǒng)建設(shè)的60%，成本大大降低；調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，進(jìn)出電網(wǎng)系統(tǒng)方便靈活，不僅有利于改善電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡的問題，而且有利于增強(qiáng)電力系統(tǒng)的抗外界干擾能力。

1.2.2 離網(wǎng)應(yīng)用

與并網(wǎng)發(fā)電相比，離網(wǎng)發(fā)電使用起來更加靈活。已廣泛應(yīng)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)的農(nóng)場、山場、莊園等小功率的生活用電場所。

2 太陽能電池的現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是飛速發(fā)展，截止2006年底，世界裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4961.69MW。在國際市場上，太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元，世界光伏總發(fā)電量的80%來自日本、歐盟和美國。

今后，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要向高效率、低成本、長壽命、美觀實用的方向發(fā)展。到2050年，太陽能光伏發(fā)電將占總發(fā)電量的14%左右，由于曾一度時期國外相當(dāng)一部分發(fā)達(dá)國家光伏發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)助相當(dāng)多，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，歐美部分發(fā)達(dá)國家從2013年始相繼采取降低光伏發(fā)電補(bǔ)助的措施，旨在進(jìn)行市場自動調(diào)節(jié)，當(dāng)光伏組件價格降低到一定程度時，達(dá)到商業(yè)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，光伏發(fā)電規(guī)模還會有所增加。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國首個光伏“領(lǐng)跑者”計劃示范基地于2015年6月正式落戶山西省大同市。總裝機(jī)容量3GW，分三年實施，一期計劃1GW。分成13個項目，其中7個100MW，5個50MW，另外一個50MW為基地公共光伏實證平臺，包括30MW的基地野外光伏測試平臺、10MW的光伏電站與大同土壤植被研究示范項目、10MW的光伏電站景觀規(guī)劃研究示范項目。

總體來講，國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步晚，尤其在太陽能電池的新項目開發(fā)、新工藝推廣方面的技術(shù)不成熟，整體上仍處于產(chǎn)量小、產(chǎn)品單一、技術(shù)落后的初級階段。

而國外不少企業(yè)已把目標(biāo)制定在光電轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)18.3%，新一代技術(shù)先進(jìn)的薄膜晶體太陽能電池的研發(fā)以及規(guī)模化生產(chǎn)上，此類電池的轉(zhuǎn)換率比目前平均轉(zhuǎn)換效率提高了3個百分點(diǎn)。

3 太陽能電池存在的問題

光伏產(chǎn)業(yè)數(shù)十年的發(fā)展已取得了系列驚人的可喜成就，但與此同時也迎來了新產(chǎn)業(yè)前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

3.1 原材料及產(chǎn)品問題

我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出了“兩頭在外”的問題。全球約60%的晶體硅由我國生產(chǎn)，但與歐美國家相比，我國硅材料的生產(chǎn)成本依然居高不下，核心的技術(shù)依然掌握在歐美人手中，我國所需上游硅料、硅片還擺脫不了歐美國家的控制，就連下游的拉棒、切片設(shè)備也大部分來自于歐美國家，比較簡單的附加值較低的電池片組裝工序由我國企業(yè)主要完成，最終成品又主要用于出口國外。

我國太陽能電池專用材料國產(chǎn)化程度較低，如基板玻璃市場仍不能滿足當(dāng)前技術(shù)要求，封裝玻璃還擺脫不了進(jìn)口，科研成果不能及時轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，諸如系列問題導(dǎo)致我國太陽能電池平均轉(zhuǎn)換效率偏低。

3.2 環(huán)境污染和能耗問題

多晶硅的生產(chǎn)提純過程中會產(chǎn)生包括氯硅烷低沸物、氯化氫等大量的廢水，在破碎、細(xì)磨等工序會產(chǎn)生的大量工業(yè)粉塵。其中，副產(chǎn)物有毒有害四氯化硅液體的問題最為突出，每生產(chǎn)1t多晶硅將產(chǎn)生約8t的四氯化硅，其具有強(qiáng)腐蝕性的，對環(huán)境危害極大。隨著多晶硅產(chǎn)量的逐年增加，對四氯化硅的安全環(huán)保處理措施在某種程度上已成為限制多晶硅制造業(yè)健康快速發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

4 未來發(fā)展趨勢

在太陽能與建筑一體化方面行業(yè)內(nèi)某些知名企業(yè)已取得可喜成果，行業(yè)發(fā)展方向也日漸明朗。傳統(tǒng)的熱水器市場需繼續(xù)穩(wěn)固，太陽能與建筑一體化領(lǐng)域也要不斷拓展，逐漸穩(wěn)步邁進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域。

到21世紀(jì)末，太陽能發(fā)電將在能源結(jié)構(gòu)占到60%以上。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)因其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位而具有廣闊的市場發(fā)展前景。

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