太陽能利用研究進展

李海濤

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

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；太陽能電池

引言

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

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于全部采用電子元器件構(gòu)成，不涉及機械轉(zhuǎn)動部件，所以光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便；同時還具有建設(shè)周期短、安全可靠、無噪聲、低污染、可就地發(fā)電，并且太陽能資源沒有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭等供電的優(yōu)點。所以，在近些年的太陽能利用方面，光伏太陽能發(fā)電一直是發(fā)展最活躍、最具吸引力的研究領(lǐng)域。在上世紀七八十年代光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的時期，歐美等發(fā)達國家一直走在世界光伏發(fā)展的前端；我國的光伏發(fā)電研究雖然起步較晚，但經(jīng)過這些年的奮力追趕，不論是技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模上均取得了較大的進展。

1 太陽能光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光直接轉(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)生電動勢的現(xiàn)象，是當半導(dǎo)體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。光伏發(fā)電的基本原理如圖1所示。

2 我國太陽能電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

2.1 晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池主要分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當前開發(fā)得最快的一種太陽能電池。華東師范大學(xué)的游金釧通過對單晶硅太陽能電池多孔硅層和絨面結(jié)構(gòu)的研究，運用三維PN結(jié)，使得單晶硅太陽能電池的效率由16.9增長到20.3%[2]。東方電氣的張小賓等人在N型單晶硅太陽能電池中加入關(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型單晶硅太陽能電池，且其綜合效率在實驗室最高可達到20.2%[3]。多晶硅太陽能電池與單晶硅太陽能電池類似，其優(yōu)點有：兼具了單晶硅電池的高轉(zhuǎn)換效率和長壽命以及成本遠低于單晶硅電池，但是多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一般稍低于單晶硅太陽電池。中科大的王慶錢通過對多晶硅太陽能電池制造的整線的選擇發(fā)射極工藝的優(yōu)化，使得多晶硅太陽能的整體效率提高0.8個百分點，并且使行業(yè)的最高效率達到17.80%，成本下降超過5%[4]。

2.2 薄膜太陽能電池

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

非晶硅薄膜太陽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)的晶硅太陽能電池比較，具有造價低、質(zhì)量輕、吸光率高等優(yōu)點。北京郵電大學(xué)的尹永鑫通過前段凹槽結(jié)構(gòu)是設(shè)計，使得非晶硅薄膜太陽能電池對光具有極強的太陽能不敏感性（入射角在-60°到60°）的同時吸收率仍能保持在60%以上[5]。南京理工大學(xué)的肖華鵬通過在鋁襯底上制造納米凹坑來提高非晶硅薄膜太陽能電池的吸光率，實驗結(jié)果表明即使在120°的入射光范圍內(nèi)，太陽能電池的吸光率仍能達到初始效率的92.4%[6]。

多晶硅薄膜太陽能電池具有非晶硅太陽能電池的造價低、質(zhì)量輕等優(yōu)點，同時也克服了非晶硅太陽能電池光學(xué)衰減的問題，具有高轉(zhuǎn)換效率的潛力，在未來有很好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在國內(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能電池，在實驗中發(fā)現(xiàn)多晶硅薄膜中鋁摻雜濃度依賴于制備過程中退火溫度和退火模式[7]。寧波大學(xué)的翟小利通過對不同退火工藝的研究，發(fā)現(xiàn)采用RTA退火與常規(guī)退火相比減少了時間同時制造的產(chǎn)品也具有常規(guī)退火方式的性能[8]。

化合物薄膜太陽電池主要包括銅銦鎵硒薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池、砷化鎵薄膜太陽能電池以及銅鋅錫硫薄膜太陽能電池等。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有節(jié)省原材料、抗輻射能力強、使用壽命長等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。浙江大學(xué)的童君通過對“三步法”共蒸發(fā)制備吸收層銅銦鎵硒薄膜工藝進行探索和優(yōu)化，制備出效率達到17.67%的小面積太陽能電池[9]。碲化鎘薄膜太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高（理論最高效率可達到30%）、材料消耗少（薄膜厚度在幾微米之間）、制備過程簡單等優(yōu)點。中國科技大學(xué)的白治中運用新型的CdCl2蒸汽熱處理技術(shù)來制備碲化鎘薄膜太陽能電池，可使其轉(zhuǎn)化效率達到12.4%[10]。砷化鎵薄膜太陽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等優(yōu)點。郝宇等人通過對砷化鎵吸收層的研究，設(shè)計出兩種新型的吸收層，在填充比為0.675的單獨砷化鎵吸收層效率最高可提高55.9%[11]。銅鋅錫硫薄膜太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、耗材少、無毒、原材料豐富、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點；但由于其制備過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還停留在研究其制備方法的階段。

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

染料敏化薄膜太陽能電池具有制作工藝簡單、光電轉(zhuǎn)化效率高以及成本低等優(yōu)點，在未來有很大的發(fā)展?jié)摿?。羅軍等人利用多功能層TiO2薄膜增強技術(shù)，可使染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提升至5.29%，電流密度達到11.7mA/cm2[14]。秦藝穎等人通過對溶膠-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家中長期能源戰(zhàn)略的重要部分。部分研究報告顯示，2013年、2014年和2015年上半年，我國分別以11.3GW、10.6GW和7.73GW的新增裝機量，成為世界第一大光伏應(yīng)用市場。截至2015年9月底，全國光伏發(fā)電裝機容量達到3795萬千瓦，其中，光伏電站3170萬千瓦，分布式光伏625萬千瓦。1-9月全國新增光伏發(fā)電裝機容量990萬千瓦，其中，新增光伏電站裝機容量832萬千瓦，新增分布式光伏裝機容量158萬千瓦。

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

4 結(jié)束語

綜上所述，我國的光伏太陽能發(fā)電仍然具有相當大的潛力。一方面是太陽能電池技術(shù)研發(fā)活躍，技術(shù)不斷成熟導(dǎo)致太陽電池技術(shù)競爭性不斷增強，還需加大研發(fā)力度，開發(fā)新技術(shù)新裝備新材料，進一步提高轉(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，高穿透水平的分布式、微網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的成熟，都將極大的擴展光伏太陽能的應(yīng)用市場。

參考文獻

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