国内外光伏发展现状与技术综述Word格式.docx
《国内外光伏发展现状与技术综述Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国内外光伏发展现状与技术综述Word格式.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。
当时太阳能电池的转换效率为8％。
1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。
一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。
在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。
表1是世界太阳能电池发展的主要节点。
表1世界太阳能电池发展的主要节点
1954
美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％
1955
第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池
1958
太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。
1959
第一个单晶硅太阳能电池问世。
1960
太阳能电池首次实现并网运行。
1974
突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。
1975
非晶硅及带硅太阳能电池问世
1978
美国建成100KW光伏电站
1980
单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％
1986
美国建成6.5KW光伏电站
1990
德国提出“2000光伏屋顶计划”
1995
高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。
1997
美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”
1998
单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”
2000
世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池
1.2国内外光伏发展现状
全球光伏行业过去几十年在电池及组件方面的生产有着惊人的发展速度，含2008年的10年复合年增长率（CAGR）为46％，5年CAGR为56％。
2007—2008年的年增长率为87％，高于2006—2007年的年增长率51％。
过去几十年，欧洲和日本的生产增长率一直很强，1998－2008年的10年CAGR分别为50％和38％，这也是他们主导光伏市场的主要原因。
欧洲和日本的共同市场份额从1980年的24％增长到2004年的76％[3]。
近年来，我国的光伏电池产业在国外市场的拉动下发展迅速，2009年，我国光伏电池产量已突破200万千瓦，位居世界首位。
中国的增长率在近几年是最高的，其中2003－2008年的5年CAGR为170％。
2001年中国对全球的生产贡献仅有大约1％，直到2005年中国才变成全球主要的生产商，当时的市场份额达到7％。
中国台湾地区的增长率也非常快速，其5年的CAGR大约为119％，在2007年超过美国的生产水平，成为世界第四大制造地区。
2008年，中国台湾地区继续赶超国，获得更多的市场份额。
中国台湾地区的生产量从2007年的大约0.37GW（10％的市场份额）增长到2008年的0.85GW（12％的市场份额）。
美国在2007年制造了0.27GW（7％的市场份额），2008年制造了0.41GW（6％的市场份额）。
2.太阳能光伏电池简介
作为太阳能电池工作基本原理的光伏效应（PhotovoltaicEffect缩写PV）是1839年被发现的。
由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势,从而把光的能量转换成电能,此种进行能量转化的光电元件称为太阳电池（SolarCell）,也可称之为光伏电池。
1954年Bell实验室研发出第一个太阳能电池,不过由于效率太低,造价太高,缺乏商业价值。
随着航天技术的发展,使太阳能电池的作用不可替代,太阳能电池成为太空飞行器中不可取代的重要部分。
研究发现，光照使不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位之间，产生电位差的现象，这种现象被称为光生伏特效应（Photovoltaiceffect）。
简称光伏效应。
后来就把能够产生光生伏特效应的器件称为光伏器件。
由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率比较高，所以通常把这类基于半导体PN结的光生伏特效应的、能够将太阳能直接转换成电能的光伏器件称为太阳能电池（solarcell），也称光伏电池。
图1形象的描述了并网发电系统及工作原理。
图1并网发电系统及工作原理
3.光伏太阳能电池的性能技术参数
对于大多数太阳能电池得性能技术参数都由一下几个：
Pmax（最大功率），Imax（最大电流），Vmax（最大电压），Isc（短路电流），Voc（开路电压），FF（填充因子），Eff（效率值），Rs（串联电阻），Rsh（并联电阻）。
我们以硅型太阳能电池为例，说明部分性能技术参数的含义与计算方法。
（1）开路电压VOC：
硅光电池处于开路状态，RL→∞时电池两极之间的电位差。
（2）短路电流ISC：
硅光电池处于短路状态，RL→0时测量的电流。
（3）最大输出功率Pm：
硅光电池I—U特性曲线上，电流与电压乘积的最大值。
（4）最佳工作电流Im和最佳工作电压Um：
硅光电池I—U特性曲线上最大功率所对应的电流和电压，如图2中M点（Im、Um）。
图2硅光电池I—U特性曲线
（5）转换效率
受光照硅光电池的最大输出功率Pm与入射到该硅光电池上的全部辐射功率Psr的比，
（6）填充因子FF：
受光照硅光电池的最大输出功率Pm与该电池的开路电压Uoc和短路电流Isc乘积之比，即：
FF=Pm/VocIsc硅光伏电池的特性参数通常都是在AM1.5太阳光谱，温度为25℃，光源辐射照度为1000W／m2的标准测试条件下得到的，其特性曲线受温度和入射光谱、辐射照度影响很大，硅光电池内部等效二极管反向饱和电池，可用下式计算：
（1）
式
（1）中：
A为常数；
Ego为绝对零度下外插禁带宽度。
硅光伏电池的工作温度，可由下式计算：
T=Ta+Tc
S
（2）
式
（2）中：
Ta为环境温度；
Tc为硅光电池的温度系数；
S为太阳辐射照度。
硅光伏电池的温度特性，可参看文献[6]的讨论，开路电压Voc随温度升高而下降，短路电流Isc随温度升高而上升，但电池的转换效率η随温度升高而下降，温度每升高1℃，硅光电池电池转换效率下降0.35％～0.45％，由此推算，在25℃工作的硅型光伏电池的转换效率比70℃工作时高20％以上[7]。
4.光伏电池的类型
至今太阳能电池已经发展到了第2代。
第1代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅2种,工业化产品效率一般为13%~15%,目前可工业化生产、可获得利润的太阳能电池就是指第1代电池。
但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。
第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池,其成本低于第1代,可大幅度增加电池板制造面积,但是效率不如第1代。
在将来的第3代太阳能电池应该具有以下特征:
薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。
可望实现的第3代电池效率的途径包括:
叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。
一般来说，对光伏太阳能电池进行分类方法有很多种，图3、图4、图5分别从结构、材料、光电转换原理三个方面对太阳能电池进行了分类：
图3按结构分类
图4按材料分类
图5按光电转换原理分类
4.1硅型光伏电池
4.1.1硅型光伏电池简介
在品种繁多的光伏电池中，晶体硅光伏电池最受用户青睐，其光电转换效率高、性能稳定，几乎所有的大型光伏电站都采用晶体硅太阳电池发电。
20世纪80年代，很多国家开始多晶硅光伏电池的研发工作，当时美、欧等国家的多晶硅光伏电池转换效率一般稳定在7%～8%之间，硅锭质量在30～50kg左右。
与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池转换效率较低，优势并不明显；
但是随着技术的进步、新设备的研发成功，硅锭质量已经达到500kg甚至更多，其转换效率已接近单晶硅光伏电池，由于克服了单晶硅电池准方片的不足，制成光伏组件的转换效率已与单晶硅电池一致。
目前国内外晶体硅光伏电池的单晶与多晶产能大致相当，国内众多厂家开发出具有自主知识产权的多晶硅硅片专用设备，如多晶硅结晶炉、线锯、剖锭机等[4]。
4.1.2 硅型太阳能电池的类型
（1）单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳能电池生产总成本中己超1/2。
加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。
因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。
（2）多晶硅太阳能电池
与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池转换效率较低，优势并不明显；
目前,太阳能电池使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。
其工艺过程是选择电阻率为100~300M·
cm的多晶块料或单晶硅头尾料,经破碎,用1:
5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀,然后用去离子水冲洗呈中性,并烘干。
用石英坩埚装好多晶硅料,加人适量硼硅,放人浇铸炉,在真空状态中加热熔化。
熔化后应保温约20min,然后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,即得多晶硅锭。
这种硅锭可铸成立方体,以便切片加工成方形太阳电池片,可提高材制利用率和方便组装。
4.1.3生产硅型太阳能电池的厂家
我国主要生产单晶硅太阳能电池的厂家主要有中山市斯盖谱光伏电子有限公司、深圳市万旭科技有限公司、深圳市欣明通太阳能科技有限公司、深圳市华日通太阳能有限公司。
4.2薄膜太阳能电池
4.2.1薄膜太阳能电池简介
薄膜光伏电池作为一种新型光伏电池，由于其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。
尽管薄膜光伏电池的光电转换效率还有待进一步提高，但其价格优势抵消了光电转换效率不足的缺点。
据预测，市场对于薄膜光伏电池的需求增长速度将是传统硅片光伏电池的2倍。
薄膜光伏电池特别是非晶硅薄膜光伏电池具有晶体硅片光伏电池所不具备的低成本、对原材料硅的用量极少、较短的能量回收周期、生产过程无污染、弱光下可以发电、衬底可用柔性材料等优势，适合大面积生产，适合应用于大规模、大面积的光伏电站及光伏建筑一体化，具有巨大的发展空间。
2013年之前薄膜光伏电池和硅片光伏电池将齐头并进，2013年以后薄膜光伏电池将成主流。
4.2.2生产薄膜太阳能电池的厂家
由于薄膜太阳能电池需要非常昂贵的设备投资，的技术经验，到2009年为止，生产薄膜太阳能电池的厂家并不多。
从技术上讲，最为成熟的薄膜太阳能电池当属硅基薄膜太阳能电池，包括非晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅/微晶硅双叠层薄膜太阳能电池，在进行薄膜电池投资或研究时，应着重考虑原材料拥有量和技术进步的风险。
薄膜电池会首先在欧美日等国家和地区大规模开发，晶体硅太阳能电池等较为成熟的技术将向中国及其他发展中国家转移。
美国的FirstSolar公司在2007年就将碲化镉薄膜太阳能电池产量扩大到207MW，成为世界第四大太阳能电池制造商，其产能超过300MW，成为目前世界上发展最快的薄膜太阳能电池企业，其宣布的成本仅为每瓦1.47美元，远远低于同期的晶体硅太阳能电池成本。
而在世界范围内也出现了硅基薄膜太阳能电池生产厂，包括美国的UnitedSolar公司、日本的Kenaka公司和三菱公司、德国的Schott公司等都已推出非晶硅薄膜太阳能电池的生产线。
日本夏普公司在2007年晶体硅太阳能电池的生产出现了16%的下滑，公司推出了新的太阳能电池发展战略，即大力推进硅薄膜太阳能电池生产线的建设，并将晶体硅太阳能电池产业生产基地向中国或其他制造成本较低的国家转移。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池由于其制造难度较大，目前还没有真正形成大气候的太阳能电池厂，但是世界多家太阳能电池公司或研发单位都在加紧研究，使这种太阳能电池尽早进入大规模工业化生产阶段。
4.2.3薄膜太阳能电池的市场应用情况
由于薄膜光伏电池制造成本相对较低，同时大面积的封装成本、系统安装成本也较低，因此与晶体硅光伏电池相比，薄膜光伏电池更适合在可以大面积安装的大型光伏发电站以及建筑光伏一体化领域应用。
另外由于该种产品易于切割，也可以将其切割成小块，应用于太阳能消费类电子产品。
将薄膜制作在导电玻璃上，通过封装整体组合成发电玻璃，可直接替代建筑用普通玻璃幕墙，从而做到标准化的光伏电池芯片、标准化的光伏电池模组、标准化的安装结构。
光伏幕墙除了并网发电外，在低辐射功能、无光污染、环保、节能、发电过程无噪音等性能方面超过普通玻璃幕墙[8]。
薄膜光伏技术正在快速进入商业市场。
多家CIGS薄膜公司也将功率模块推进市场。
在美国，2006年薄膜太阳能的市场分额约为44%，2007年超过硅型太阳能市场的销量。
根据薄膜光伏的全球产能规划，预计到2010年将超过3700MW，而FirstSolar公司全球目标是2009年达到450MW，夏普公司在2010年达到1000MW。
因扩大规模而降低成本的产能会大幅度降低薄膜光伏产品的制造价格，并有可能在不远的将来使太阳能电力价格与电网相比更有优势[9]。
4.3高分子光伏电池
4.3.1高分子光伏电池简介
近年来，以高分子等有机材料制作的太阳能电池，越来越受到研究单位与工业界的重视。
高分子太阳能电池（polymersolarcells）以具有类似塑料特性的高分子材料所制成，其重量轻且具有极佳的可挠性（flexibility），并且耐摔、耐冲击、低成本，也可制作在软性塑料或薄金属基板上，同时可以旋转涂布（spin-coating）或是刮刀涂布（doctor-blading）等低成本的方式制作。
由于有这些优点，已成为备受瞩目的新世代太阳能电池。
高分子光伏电池要达到实际应用最关键的是要提高能量转换效率（PCE）。
八十年代中期以前，基本上是单层电池，能量转化效率一直不高（低于1%）;
随后，给电子和受电子物质组成的异质结电池通过不断改进优化，光电转化效率最高达到了5%；
尽管外量子效率达到了甚至80%，但由于吸收光谱和太阳能不匹配等一些原因，造成总能量效率一直不高。
4.3.2高分子太阳能电池的市场应用情况
目前有最高效率的高分子太阳能电池是以3-己基哈吩和PCBM的混合材料所制，在2005年，已有报导指出高分子太阳能电池之光电转换效率可高达5%[11]，到了2007年，更有高达6%光电转换效率的相关报导[12]。
太阳光的发射光谱分散范围很广泛，而目前最好的高分子材料P3HT的能带间隙约为1.9eV，最长的吸收波长仅达600nm，所以若能将主动层吸收材料的能带间隙降低，可以帮助有效吸收更长波长的太阳光，进而增加光电转换效率。
一般来说，光电转换效率至少要达到10%才可能进入实用阶段[13]。
但现在报告的高分子光伏电池的EQE最好为80%，能量转化率为5%，和应用还存在较大差距。
如果新颖的光伏材料不仅对太阳光总能量有很大的吸光度，而且电子在材料中易于传输;
再通过优化电池设计，则可以使之有很高的量子效率，因此开发具有更高能量转换率的高分子光伏电池是很有希望的。
4.4聚光光伏电池
4.4.1聚光型光伏电池简介
聚光光伏发电采用便宜的聚光器来部分代替昂贵的光伏电池,可充分利用光伏电池的光电转换能力,降低光伏发电的成本。
[14]聚光型光伏电池利用菲涅尔透镜或碟式反射镜等将太阳辐射聚焦到太阳能电池上,太阳能电池表面按受太阳的辐照强度可以增强200~2000倍。
这样,太阳能电池的单位面积输出功率将大幅提高,从而使发电成本下降。
目前有报道的磷化铟-镓铟砷-锗三结电池转化效率已达41.1%[15]。
4.4.2聚光型光伏电池的主要技术
选择聚光型光伏电池的冷却方式需要考虑很多方面因素,包括冷却系统成本、泵功率、重量、使用材料、制造和维护的方便性、对电池的遮挡等。
在这里我们重点说明聚光型光伏电池的冷却技术。
虽然聚光型光伏电池的转化效率比较高，但在这样高的转化效率下，由于光伏电池工作于高光强和大电流下温度会很快升高，仍然会有60%左右的能量转化为热量。
这样长时间的高温将导致电池不可逆转地损坏,对于人为增强辐照强度的聚光型光优电池更是这样。
因此,电池的冷却方式是聚光型电池研究和制造中非常重要的一个环节[15]。
在总结了前人实验和理论分析的基础上给出不同冷却方式的大致热阻范围。
一般聚光光伏电池按结构分为单个电池、线性聚光和电池阵列。
风冷方式由于安装方便,在单个电池中使用较广。
1000倍下使用被动风冷都是有效的。
而水冷方式一般需要加上泵,有额外的功率消耗,但是冷却效果比风冷好很多,可以用在倍数不高的线性聚光系统中。
热管冷却方式的适用范围较广,在倍数不是特别高的系统中都能应用,而且具有较好的均温性。
微通道和射流冲击冷却方式由于换热系数非常大,适合高聚光倍数（>
150）下的电池阵列。
表2聚光电池冷却方式的选择
电池类型
聚焦倍数
冷却方式
单个电池
现行聚光
1-1000
风冷,热管
<
25
水冷,热管
≥25
水冷,液浸
电池阵列
150
微通道,热管
≥150
微通道,射流冲击,液浸
冷却方式的选择是聚光型光伏系统设计中非常重要的一个环节。
合适的冷却系统要求不仅能够降低电池的表面温度,平衡光斑的不均匀性,还要安装方便,使用起来稳定可靠,同时还要兼顾成本等方面因素。
4.4.3聚光型光伏电池的生产厂家
由于聚光型光伏电池的高效率优点，国内外厂商对其关注也与日俱增，表3列举了国际上生产聚光型光伏电池的厂商。
表3国际主要聚光型光伏电池生产厂商
5光伏电池的相关技术
5.1光伏发电中的MPPT技术
所有光伏系统都希望光伏电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，这也就在理论上和时间上提出了太阳电池阵列的最大功率点跟踪问题。
太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格仍相对昂贵加速额人们对这一问题的研究。
5.1.1MPPT简介
最大功点跟踪（MaximumPowerPointTracking，简称MPPT）系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存
升级会员 