太阳能电池技术.docx

1、太阳能电池技术太阳能电池资料1 太阳能发电方式类型利用太阳能发电有两大类型，一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁

2、流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。2 太阳能电池发电原理2.1 光伏电池发电原理“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年，法国科学家贝克勒尔（A.E.Becqurel）首先发现了“光生伏打效应(Photovoltaic Effect)”。 然而，第一个实用单晶硅光伏电池(Solar Cell)直到一个多世纪后的1954年才在美国贝尔实验室研制成功。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。光伏发电原理如图1所示。PN结两侧因

3、多数载流子（N区中的电子和P区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场Ei。它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子（N区中的空穴和P区中的电子）却有牵引作用，能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。但是，如图1a、b所示，光伏电池受到太阳光子的冲击，在光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即N区中的非平衡空穴和P区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在光伏电池中的PN结中产生光生电场Epv，当接通外电路时，即可流出电流，输出电能。当把众多这样小的

4、太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。图1 光伏发电原理2.2 光热电池发电原理太阳能热发电是利用太阳的热能发电, 通过集热装置将太阳辐射的热能集中, 驱动发电机发电。热发电系统一般包括集热系统、热传输系统、蓄热储能系统、热机、发电机等。集热系统聚集太阳能后, 经过热传输系统将热能传给热机, 并由热机产生动力,带动发电机发电。由于通常入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的, 要充分收集并使之发挥热能效益, 就必须采取一种能把太阳光发射并集中在一起, 变成热能的系统。目前常用的有2 种方法: 一种是将太阳光发射并集中在一起, 称为

5、聚光式; 另一种方法是直接利用太阳热能, 称为聚热式。采用前者的有塔式、槽式和盘式等太阳热发电技术; 采用后种方式的有太阳烟囱和太阳池等发电技术。3 太阳能电池的种类及其特点3.1 太阳能光伏电池的种类及其特点表1 太阳能光伏电池分类汇总表根据表1，晶硅类电池分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。单晶硅、多晶硅太阳能电池具有制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点。非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光效应好，成本相对于硅太阳能电池较低的优点。而碲化镉、铜

6、铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。3.1.1 单晶硅电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%, 而规模生产的单晶硅太阳能电池

7、的效率为15%。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外, 倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高晶硅电池发展的主要原因。3.1.2 多晶硅电池多晶硅电池与单晶硅比较, 由于所使用的硅远比单晶硅少, 其成本远低于单晶硅电池, 因此具有独特的优势。但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷, 造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%, 低于单晶硅电池。多晶硅太阳能电池以往在实验室的最高转换效率为18%, 工业规模生产的转换效率为10%。乔治亚工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术, 使电池的效率达到18. 6%; 新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术,

8、使电池的效率达到19. 8%; 日本的Kysera 公司采用PECVD-SN技术, 起到钝化和减反射双重作用,加上表面织构化和背场技术, 使面积为15cm15cm的多晶硅电池效率达17. 1%, 已经实现了工业化生产, 商业化电池效率在14%以上。最近德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术, 在世界上率先使多晶太阳能电池的光电转换率达到20. 3%。如能在工业生产中大规模使用该新技术, 基于成本低廉的优势, 预计多晶硅电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。3.1.3 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池发电是另一种光伏发电方式。受原材料、加工工艺和制造过程的制约, 要大幅度降低单晶硅太阳电池的成本

9、是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品, 现在发展了薄膜太阳电池。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、燃料敏化TiO2太阳电池等。薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平，同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先成果。目前，薄膜电池的转换效率达到6%8%,近两年可达到10%12%,五年内有望达到18%,其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分高，即使在阴天照样能够发电。其技术正在成为太阳能电池主流技术，与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。太阳能光伏发电系统的主要优点是: 可以有效利用建筑物屋顶和幕墙, 无需占用土地资源; 可就地发电, 就地使用, 可减

10、少电力输送损耗；各种光伏组件可取代和节约外饰材料(如玻璃幕墙等) , 在用电高峰期供电, 以舒缓高峰电力需求; 配备蓄电池后,可满足安全用电设施的不断电要求；太阳能发电板阵列直接吸收太阳能, 降低墙面及屋顶的温升, 减轻建筑空调负荷。目前限制太阳能光伏发电发展的主要因素就是太阳能电池造价太高。但是, 很多国家都在加大投入, 积极研究开发以非晶体硅为原料的薄膜电池, 若成功, 成本将大幅降低, 利于推动光伏发电的进程。3.2 太阳能热发电池的种类及其特点太阳能热发电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能, 用以加热工质产生蒸汽, 驱动汽轮发电机组发电, 也简称光热发电技术。它与光伏发电相比, 具有效

11、率高、结构紧凑、运行成本低等优点。根据聚光方式的不同, 光热发电技术可分为: 塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电技术。3.2.1 塔式太阳能热发电系统塔式光热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群, 将阳光聚集到一个固定的塔顶部的接收器上, 产生的高温加热传热介质, 高温传热介质来加热蒸汽以驱动常规的汽轮发电机组发电。这种发电方式无需常规能源, 动力供给完全来源于集热系统内因太阳辐射产生的高温传热介质。这种光热发电系统主要有定日镜阵列、高塔、受热器、传热流体、换热部件、蓄热系统、控制系统、汽轮机和发电系统等组成。3.2.2 槽式太阳能热发电系统槽式光热发电系统是利用多

12、个槽式抛物面反射镜将太阳能聚焦在一条线上, 在聚焦线上安装有管状集热器, 来吸收聚焦后的太阳辐射能发电的系统。系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或/和辅助能源装置(如锅炉)等组成。聚光集热系统是本系统的核心, 由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。3.2.3 碟式太阳能热发电系统碟式光热系统借助于双轴跟踪, 利用旋转抛物面反射镜, 将入射的太阳辐射进行点聚集, 吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能, 加热工质以驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等) , 从而将热能转换成电能。碟式光热发电系统主要由太阳能凹面聚焦镜、接收器和发电机组成。太阳能斯特林发电技术是将斯特林发电机直

13、接放在焦点处。三种系统目前已有槽式太阳能发电系统和塔式太阳能发电系统实现了商业化, 碟式太阳能发电系统已完成了示范阶段, 完成了技术验证, 正在进入商业阶段。4 太阳能发电发展现状4.1 光伏电池发展现状光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，不仅消耗了过多硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。基于薄膜技术的第二代光伏电池中，很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从

14、而大大降低了光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15%以上、组件效率10%以上和系统效率8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。第三代高转换效率的薄膜光伏电池通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使得光伏转换效率的上限有望获得新的提升。另外，多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点。目前它的研究热点包括：开发多晶硅生产技术，开发快速掺杂和表面处理技术，提高硅片质量，研究连续和快速的布线工艺，多晶硅电池表面织构化技术和薄片化，高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中，每年的新增产量在10MW以上。化合物太阳电池（如铜铟镓硒等

15、）正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。我国于1958 年开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于自主发射的东方红二号卫星上，1973 年太阳能电池开始用于地面工程。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在10kW以下，价格也很昂贵。80年代以后，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的太阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统以及并网发电系统等。近

16、年来，我国在光伏发电技术研发方面先后开展了晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池及应用系统关键技术的研究。特别是“十五”期间，国家通过科技攻关和863计划安排支持了一批增强现有装备生产能力的项目，大幅度提高了光伏发电技术和产业的水平，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。值得一提的是无锡尚德太阳能电力有限公司，通过国家“十五”科技攻关和产业化扶持，2005年的生产能力达到了150MW，成功跻身世界五强，2006年更是达到300MW，其光伏组件效率达到16%以上，也处于世界先进水平。在应用技术方面，国家“十五”期间安排了屋顶并网发电技术和高压并网发电的技术科技攻关

17、，建成了一批1050kW的屋顶系统：在深圳建成了兆瓦级低压并网光伏发电站一座；在拉萨建成了100kW的高压并网发电站一座，为我国2010年和2020年屋顶光伏并网发电和沙漠电站技术的规模化发展积累了经验。在产业化方面，目前国内光伏发电的主要产品是晶硅电池及少量非晶硅电池。截止至2006年底，我国已建成10多个一定规模的光伏电池专业生产厂，光伏电池组件的年生产能力超过200MW。尤其是晶体硅光伏电池组件的封装能力大大加强，10MW规模及以上的光伏电池封装技术及其配套装备已经成为商业化的工业装备。但是，目前我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率分别为11%14%、10%12%和4%6%，

18、与发达国家相比，要低12个百分点。另外，截止至2006年，中国还没有用于光伏系统的专用蓄电池。4.2 光热电池发展现状20世纪初就有关于太阳能热发电的研究，由于当时太阳能热电技术落后及能源供应相对稳定，太阳能热利用发展缓慢。直到20世纪 70年代的石油危机，太阳能热电产业又被重新激起。近年来由于一系列技术成熟及各国政府支持，太阳能热电产业发展迅速。美国、澳大利亚、德国等发达国家的光热技术相对领先。美国已经建立了完善发展规划，并成功建成多个示范项目，如美国内华达一号太阳能发电厂于2007年投产，可产生6 400万kWh/a，美国加州LUZ槽式太阳能热发电站成功运行引起我国的关注，并计划引进该类机

19、组在拉萨建立一座35MW的太阳能热电站。2008年，世界上第一座可储式的太阳能电站在西班牙投入商业运营。白天凹面镜吸收的太阳能给熔盐加热，晚上利用高温熔盐冷却释放热给水加热产生蒸汽，该系统可以提高太阳能热发电的效率及稳定性。2009年西班牙又建立一座10 万kW的太阳能热发电站，采用熔融盐进行蓄热，使发电设备得到充分利用。其它一些国家也先后建立了一些太阳能热发电站。我国对太阳能热发电技术研究起步较晚，直到上世纪70年代开始一些基础研究。近年来我国对太阳能热电技术给予政策扶持，使我国太阳能光热发电取得了一定的发展，如2005年在南京建成 70 kW塔式太阳能热发电系统，并成功投入并网发电，由中科

20、院电工所在北京延庆县进行的1MW塔式太阳能发电项目正在实验中等。与发达国家相比差距较大，我国太阳能工作者任重道远。5 太阳能电池厂家5.1 世界市场太阳能电池厂家从世界市场尚小的十数年前开始，日本曾一度在太阳能发电装机容量、产量方面占压倒优势。引领技术进步的是以Sharp为首的日本机电厂家，20002006年，Sharp的太阳能电池产量居世界首位。但是，德国开始实施高价收购太阳能发电电力制度（Feed-in Tariff），且欧洲各国迅速推广，需求急速上升。加上美国半导体厂家启钥式出售太阳能电池生产装置后，几乎谁都能生产太阳能电池，于是企业很容易进入该领域。2007年后日本的地位滑落，被德国的

21、Q-Cells所取代，2009年美国的First Solar跃居首位。与此同时中国飞速发展，中国太 阳能电池厂家尚德太阳能电力（Suntech）成功投产后，2005年在纽约证券交易所上市，一跃登上世界舞台，随之状况发生变化，中国有众多企业进入太阳能发电领域。如表2所列，2009年世界太阳能电池产量前10位中有4家是中国企业。2009年底中国7大太阳能电池生产企业年生产能力合计达到4GW，相当于全部日本厂家（年生产能力1.5GW）的2.7倍，其中尚德1GW、晶澳800MW、英利600MW、天合550MW、CSI 420MW、林洋360MW、太阳能源320MW，而2007年只有1.6GW。表2 世

22、界太阳能电池产量前10位生产厂家5.2 中国主要太阳能电池厂家5.2.1 中国主要太阳能电池和组件制造商名单及网址一览表公司名称产品服务网址晶硅电池和组件制造商无锡尚德太阳能晶硅电池和组件www.suntech-天威英利新能源有限公司晶硅电池和组件中电电气(南京)光伏有限公司晶硅电池晶澳太阳能有限公司单晶硅电池上海太阳能科技有限公司晶硅电池和组件http:/www.ssec-云南天达光伏科技有限公司晶硅电池和组件宁波太阳能电源有限公司晶硅电池和组件杉杉尤利卡太阳能晶硅电池和组件非晶硅组件封装江阴浚鑫科技有限公司晶硅电池和组件江苏林洋新能源有限公司晶硅电池和组件黑龙江兴安新能源有限公司晶硅电池和

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