太陽(yáng)能利用研究進(jìn)展

李海濤

摘 要：隨著我國(guó)近些年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越重要。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力巨大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)量完全可以滿足人類未來(lái)能源需求。文章主要介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；太陽(yáng)能電池

引言

由于傳統(tǒng)化石能源的消耗不斷增加以及由此帶來(lái)的溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題，尋找清潔的、可持續(xù)的新能源來(lái)代替化石能源已成為人類亟需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)意義上的清潔新能源包括：太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能、地?zé)崮?、海洋能等，其中因太?yáng)能具有儲(chǔ)量巨大、安全、清潔等的特點(diǎn)，使其最有可能成為未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用的清潔新能源之一。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于全部采用電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，所以光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便；同時(shí)還具有建設(shè)周期短、安全可靠、無(wú)噪聲、低污染、可就地發(fā)電，并且太陽(yáng)能資源沒(méi)有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭等供電的優(yōu)點(diǎn)。所以，在近些年的太陽(yáng)能利用方面，光伏太陽(yáng)能發(fā)電一直是發(fā)展最活躍、最具吸引力的研究領(lǐng)域。在上世紀(jì)七八十年代光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的時(shí)期，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家一直走在世界光伏發(fā)展的前端；我國(guó)的光伏發(fā)電研究雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)這些年的奮力追趕，不論是技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模上均取得了較大的進(jìn)展。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，是當(dāng)半導(dǎo)體受到光照時(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)。光伏發(fā)電的基本原理如圖1所示。

2 我國(guó)太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能光伏電池主要包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、化合物太陽(yáng)能電池等；按種類可分為晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池[1]。圖2為太陽(yáng)能電池分類圖。

2.1 晶硅太陽(yáng)能電池

晶硅太陽(yáng)能電池主要分為單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池。單晶硅太陽(yáng)能電池是以高純的單晶硅棒為原料的太陽(yáng)能電池，是當(dāng)前開(kāi)發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池。華東師范大學(xué)的游金釧通過(guò)對(duì)單晶硅太陽(yáng)能電池多孔硅層和絨面結(jié)構(gòu)的研究，運(yùn)用三維PN結(jié)，使得單晶硅太陽(yáng)能電池的效率由16.9增長(zhǎng)到20.3%[2]。東方電氣的張小賓等人在N型單晶硅太陽(yáng)能電池中加入關(guān)鍵的工藝技術(shù)-硼摻雜，制成正面效率為17.0%、背面效率為14.7%的雙面N型單晶硅太陽(yáng)能電池，且其綜合效率在實(shí)驗(yàn)室最高可達(dá)到20.2%[3]。多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅太陽(yáng)能電池類似，其優(yōu)點(diǎn)有：兼具了單晶硅電池的高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命以及成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，但是多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一般稍低于單晶硅太陽(yáng)電池。中科大的王慶錢通過(guò)對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池制造的整線的選擇發(fā)射極工藝的優(yōu)化，使得多晶硅太陽(yáng)能的整體效率提高0.8個(gè)百分點(diǎn)，并且使行業(yè)的最高效率達(dá)到17.80%，成本下降超過(guò)5%[4]。

2.2 薄膜太陽(yáng)能電池

薄膜太陽(yáng)能電池是指用單質(zhì)元素、有機(jī)材料或者無(wú)機(jī)化合物等制作的薄膜為基體材料的太陽(yáng)能電池，主要包括非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物薄膜太陽(yáng)能電池以及染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池是將非晶硅以薄膜的形式沉積在載體上形成的電池結(jié)構(gòu)，載體通常選用一些耐腐蝕的材料，例如陶瓷、玻璃等，它與傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)能電池比較，具有造價(jià)低、質(zhì)量輕、吸光率高等優(yōu)點(diǎn)。北京郵電大學(xué)的尹永鑫通過(guò)前段凹槽結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)，使得非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)光具有極強(qiáng)的太陽(yáng)能不敏感性（入射角在-60°到60°）的同時(shí)吸收率仍能保持在60%以上[5]。南京理工大學(xué)的肖華鵬通過(guò)在鋁襯底上制造納米凹坑來(lái)提高非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的吸光率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使在120°的入射光范圍內(nèi)，太陽(yáng)能電池的吸光率仍能達(dá)到初始效率的92.4%[6]。

多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有非晶硅太陽(yáng)能電池的造價(jià)低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了非晶硅太陽(yáng)能電池光學(xué)衰減的問(wèn)題，具有高轉(zhuǎn)換效率的潛力，在未來(lái)有很好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要在研究多晶硅薄膜電池的制造工藝上，王成龍等人QCGE AIC方法制備多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多晶硅薄膜中鋁摻雜濃度依賴于制備過(guò)程中退火溫度和退火模式[7]。寧波大學(xué)的翟小利通過(guò)對(duì)不同退火工藝的研究，發(fā)現(xiàn)采用RTA退火與常規(guī)退火相比減少了時(shí)間同時(shí)制造的產(chǎn)品也具有常規(guī)退火方式的性能[8]。

化合物薄膜太陽(yáng)電池主要包括銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池、碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池、砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池以及銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池等。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池具有節(jié)省原材料、抗輻射能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。浙江大學(xué)的童君通過(guò)對(duì)“三步法”共蒸發(fā)制備吸收層銅銦鎵硒薄膜工藝進(jìn)行探索和優(yōu)化，制備出效率達(dá)到17.67%的小面積太陽(yáng)能電池[9]。碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高（理論最高效率可達(dá)到30%）、材料消耗少（薄膜厚度在幾微米之間）、制備過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)科技大學(xué)的白治中運(yùn)用新型的CdCl2蒸汽熱處理技術(shù)來(lái)制備碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，可使其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12.4%[10]。砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率、理想的吸收效率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。郝宇等人通過(guò)對(duì)砷化鎵吸收層的研究，設(shè)計(jì)出兩種新型的吸收層，在填充比為0.675的單獨(dú)砷化鎵吸收層效率最高可提高55.9%[11]。銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、耗材少、無(wú)毒、原材料豐富、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；但由于其制備過(guò)程中化合物薄膜中各種元素的含量難以控制，所以到目前為止我國(guó)還停留在研究其制備方法的階段。

聚合物薄膜太陽(yáng)能電池具有易加工、質(zhì)量輕、材料易得、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。華東理工大學(xué)的李永璽通過(guò)對(duì)聚合物PCPDT（EH）-FBT的研究，運(yùn)用不同的試驗(yàn)方法，最高可使光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到8.2%[12]。吉林大學(xué)的徐洋在研究半透明聚合物薄膜太陽(yáng)能電池方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，對(duì)于（WO3/LiF）8的一組光伏器件，在450nm到600nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得了近26.3%的效率的提高[13]。

染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池具有制作工藝簡(jiǎn)單、光電轉(zhuǎn)化效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ_軍等人利用多功能層TiO2薄膜增強(qiáng)技術(shù)，可使染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提升至5.29%，電流密度達(dá)到11.7mA/cm2[14]。秦藝穎等人通過(guò)對(duì)溶膠-水熱法制備轉(zhuǎn)換TiO2：Sm3+納米粉體的研究，發(fā)現(xiàn)TiO2：Sm3+轉(zhuǎn)換納米粉體不僅將燃料敏化電池的光電轉(zhuǎn)化效率從4.04%提高到4.99%（效率提高了23.5%），并且拓寬了電池光譜響應(yīng)范圍，增大了光利用率[15]。

3 太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

大力發(fā)展光伏行業(yè)是全球能源革命和國(guó)家中長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略的重要部分。部分研究報(bào)告顯示，2013年、2014年和2015年上半年，我國(guó)分別以11.3GW、10.6GW和7.73GW的新增裝機(jī)量，成為世界第一大光伏應(yīng)用市場(chǎng)。截至2015年9月底，全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3795萬(wàn)千瓦，其中，光伏電站3170萬(wàn)千瓦，分布式光伏625萬(wàn)千瓦。1-9月全國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量990萬(wàn)千瓦，其中，新增光伏電站裝機(jī)容量832萬(wàn)千瓦，新增分布式光伏裝機(jī)容量158萬(wàn)千瓦。

在裝機(jī)容量不斷上升的情況下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。多晶硅工業(yè)化水平不斷提升，生產(chǎn)成本持續(xù)下降。中國(guó)的晶體電池產(chǎn)業(yè)鏈完備，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平較強(qiáng)。多晶硅提純技術(shù)近年來(lái)進(jìn)展較大。生產(chǎn)能耗和物耗不斷下降，全國(guó)平均能耗下降到120kWh/kg，部分先進(jìn)企業(yè)降低到80 kWh/kg以下。生產(chǎn)成本持續(xù)降低，部分先進(jìn)企業(yè)達(dá)到20美元/千克的國(guó)際先進(jìn)水平，進(jìn)入國(guó)際一流企業(yè)行列。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的光伏太陽(yáng)能發(fā)電仍然具有相當(dāng)大的潛力。一方面是太陽(yáng)能電池技術(shù)研發(fā)活躍，技術(shù)不斷成熟導(dǎo)致太陽(yáng)電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性不斷增強(qiáng)，還需加大研發(fā)力度，開(kāi)發(fā)新技術(shù)新裝備新材料，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。另一方面隨著系統(tǒng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的提高，光伏系統(tǒng)的安全性、可靠性將大幅提高，同時(shí)，高穿透水平的分布式、微網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的成熟，都將極大的擴(kuò)展光伏太陽(yáng)能的應(yīng)用市場(chǎng)。

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