太阳能电池及其应用.pdf

第1 8 卷第1 0 期武汉科技学院学报2 0 0 5 年1 0 月J O U R N A LO FW U H A NU N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N DE N G I N E E R I N GV 0 1 18N O 1 00 c t 2 0 0 5太阳能电池及其应用罗雪莲，吴麟章，江小涛，王远，周明杰，刘辉(武汉科技学院光电子中心，湖北武汉4 3 0 0 7 3)摘要：本文论述了太阳能电池的发展情况以及它的应用。首先介绍了它出现的原因，然后说明太阳能电池现在的市场情况最后详细对瑟国的太阳能电池发展概况和太阳能资源进行了说明。关键词：新能源：太阳能电池：太阳能应用；我国发展概况中图分类号：T K 5 1 4文献标识码：A文章编号：l 0 0 9 5 1 6 0(2 0 0 5)一()0 3 6 0 3随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源日益减少，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。所谓新能源，必须同时符合两个条件：一是蕴藏丰富，不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏弥境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是太阳能。l 太阳能与太阳能利用首先我们要知道在太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量，这能量就是我们通常所说的太阳能。太阳内部的热核反应足以维持6 1 0 1 0 年，相对于人类发展历史的有限年代而言，可以说是”取之不尽、用之不竭”的能源。太阳能利用指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理把太阳辐射能转换成电能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域。太阳能的利用分为光电转换和集热两种，前者主要有太阳能电池，后者主要有太阳能热水器、太阳能温室等。其中，前景最为诱人的太阳能电池是未来主要的替代能源之一，将广泛应用于人类生活的各个领域，因而太阳能电池的开发得到广泛的关注。2 太阳能电池太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的装置，是由各种具有不同电子特性的半导体材料制成的平面器件，具有强大的内部电场。内部电场在太阳光的照射下，发生了电子和空穴的分离，电子和空穴分别向两个相反的方向移动，正、负电荷分别聚集而产生电动势，即在太阳能电池的正面和背面之间产生电压，接通外电路后就能输出直流电流。早在1 8 3 9 年，科学家们已经开始研究光生伏特效应。二十世纪5 0 年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破：一是1 9 5 4年美国贝尔实验室研制出6 的实用型单晶硅电池，二是1 9 5 5 年以色列T a b o r 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。3 太阳能电池研究在太阳能电池中，最重要的组成部分是半导体材料层，在这种材料层里能够产生负载所需要的电流。太阳能电池的种类很多，其中包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池等。单晶硅太阳能电池是开发得最早、最快的一种太阳电池，其结构和生产工艺已定型，产品已广泛应用于空间和地面。在实验室里最高的转换效率为2 3，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为1 5。收稿日期：2 0 0 5。0 5 0 5作者简介：罗雪莲(1 9 7 8)，女，硕士在读，研究方向：应用电子技术 万方数据万方数据第l O 期罗雪莲，等：太阳能电池及其应用3 7多晶硅太阳能电池具有独特的优势，与单晶硅比较，多晶硅半导体材料的价格比较低廉，但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为1 8，工业规模生产的转换效率为1 0。非晶硅薄膜太阳能电池的研究工作开始于1 9 7 5 年。非晶硅(a s i)属于直接转换型半导体，光的吸收率较大，较容易制造厚度小于0 5 微米、面积大于l 平方米的薄膜，并且易于与其他原子结合制造对近红外光高吸收的非晶硅锗(a S i G e)集层光电池，是目前太阳能电池开发的热点之一，目前已经开发出集层结成型、连续分离成型以及激光布线成型等多种新技术，其中，1 0 c m X1 0 c m 产品的初期转换率达1 2 O，1c m 2 a S i a S i G e 集层太阳能电池的稳定后效率达1 0 6，达到了目前世界最先进的水平。日本三洋电机公司开发的大面积a S i a S i G e 集层太阳能电池(3 0 c mx4 0 c m)，其稳定后效率达9 5。非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺，具有较多的优点，例如：沉积温度低、衬底材料价格较低廉，能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的4 0 倍，1 微米厚的非晶硅薄膜，可以吸引大约9 0 有用的太阳光能。不过，非晶硅太阳能电池的稳定性较差，从而影响了它的迅速发展。美国科学家对非晶硅太阳能电池进行了深入的研究，发现非晶硅薄膜材料受到长时间的光照之后，光电导和暗电导的性能均有所降低，进行1 6 0 以上的高温退火之后，可以恢复到光照之前的值，这就是所谓S W 效应。科学家们已经掌握了降低这种光诱导效应的太阳能电池的结构及其制造方法。非晶硅和多晶硅混合薄膜太阳能电池也是一种极有发展前景的新产品。由于非晶硅和多晶硅对太阳光谱的敏感区域不同，将这两种不同的材料用在同一块基板上，能够很好地取长补短，获得与结晶相近的转换率。由于这种产品属于硅薄膜材料，能够节省资源，对环境保护有利。日本钟渊化学公司目前已经开发出大小为9 1 0 c m x 4 5 5 c m，转换效率为1 0 6、下层膜厚度为几微米的超薄型薄膜太阳能电池。化合物太阳能电池包括三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有G a A s 电池、I n P 电池、G a S b电池等；二六族化合物电池主要有C a S C u l n S e 电池、C a S C d T e 电池等。在三五族化合物太阳能电池中，G a A s 电池的转换效率最高，可达2 8；G a A s 是二元化合物，G a 是其它产品的副产品，非常稀少珍贵；A s 不是稀有元素，有毒。G a A s 化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池，这是由于G a A s 具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感。由于具有这些特点，所以G a A s 化合物材料也适合于制造高效单结电池。G a A s 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点，但是G a A s 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用G a A s 电池的普及。为了解决这个问题，采用了聚光系统，该系统由于采用价格较低的塑料透镜和金属外壳，并且改进了电池性能，因而深受广大用户青睐。叠层太阳能电池由两种或两种以上不同带隙的电池有机地叠加组合而成。一般而言，顶部电池的材料具有较宽的带隙，适于吸收能量较大的太阳光能；而底部电池的材料带隙较窄，适于吸收能量较小的太阳光能，因此，在单结的基础上，叠层太阳能电池的转换效率较高，例如G a A s 叠层太阳能电池的转换效率可以达到3 5。4 太阳能电池市场及其应用近年来太阳能利用在技术上的不断突破，使太阳能光电池的商业化应用要比人们原先预期的快得多。目前，全世界总共有2 3 万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。技术上的不断突破使光电池以高速度进入市场。8 0年代后期，由于多晶薄膜光电池的出现，使光电池的光电转换率达1 6，而生产成本降低了5 0，极利于在缺能少电的发展中国家推广。目前，美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7 M W，日本也建成了发电功率达1 M W 的光伏发电厂。最初太阳能电池主要是广泛应用于人造卫星和航空航天领域，因为在太空中只有白天，没有黑夜，太阳光强度也不受天气变化和季节更替的影响。如人造卫星、宇宙空间站上的能源都是有太阳能电池提供。目前，太阳能电池已在民用电力、交通，以及军用航海、航天等诸多领域发挥着愈来愈大的作用。大型的可用于电话通讯系统、卫星地面接收站、微波中继站等；中型的可用于电车、轮船、卫星、宇宙飞船等；小(微)型的呵用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器、太阳能手机等。5 我国太阳能电池发展概况与新进展我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视，早在七五期间，非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题；八五和九五期问，我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。我国目前已有1 0 条太阳能电池生产线，年生产能力约为4 5 M W，其中8 条生产线是从国外引进的，在这8 条生产线当中，有6 条单晶硅太阳能电池生产线，2 条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测，目前我国光伏市场需求量为每年5 M W，2 0 0 1 2 0 1 0 年，年需求量将达1 0 M W，从2 0 11 年开始，我国光伏市场年需求量将大于2 0 M W。万方数据万方数据3 8武汉科技学院学报2 0 0 5 钲我国拥有丰富的太阳能资源。据统计，每年我国陆地接收的太阳辐射总量，相当于2 4 0 0 0 亿吨标煤，全国总面积三分之二地区年日照时问都超过2 0 0 0 小时，特别是西北一些地区超过3 0 0 0 小时。另一方面，随着当前世界光电技术及其应用材料的飞速发展，光电材料成本成倍下降，光电转换率不断提高，这将带来太阳能发电成本的大幅度下降。据预计，不到1 0 年，太阳能发电的成本就会接近并低于煤电，这为我国大力开发太阳能资源提供了可能。我国太阳电池的研究始于1 9 5 8 年，1 9 5 9 年研制成功第一个有实用价值的太阳电池。1 9 7 1 年3 月首次成功地应用于我国第二颗卫星上，1 9 7 3 年太阳电池开始在地面应用。1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳电池。8 0 年代中后期，引进国外太阳电池生产线和关键设备，初步形成生产能力达到4 5 兆瓦的太阳能光伏产业。其中单晶硅电池2 5 兆蜂瓦，非晶硅电池2 兆峰瓦。工业组件的转换效率单晶硅电池为l l 一1 3，非晶硅电池为5-6。我国光伏组件生产逐年增加，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，1 9 9 9 年底累计约1 5 兆峰瓦。应用领域包括农村电气化、交通、通讯、石油、气象、国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。西藏有7 个无水能资源无电县采用光伏电站供电，社会经济效益非常显著。在研究开发方面开展了单晶硅、多晶硅电池研究以及非晶硅、碲化镉、硒铟铜等薄膜电池研究，同时还开展了浇筑多晶硅、银铝浆、E V A 等材料研究，并取得可喜的成果，其中刻槽埋栅电池效率达到国际水平。如今，人们已经清楚的认识到，太阳能电池光电效应效率和太阳能电池材料的来源与制作成本，是发展太阳能电池的极为重要的因素。可见，太阳能电池今后的发展方向是：人类在继承和发展已被开发和利用的太阳能电池的基础上，一方面全力的去研究和开发高光电效应效率的材料，另一方面，寻取富含太阳能电池材料的原料，已用于发展未来的太阳能电池事业。6 结束语太阳能有许多优点，但在它成为未来的主要能源之前，还有许多亟待解决的问题。太阳能集热设备和太阳能电池造价高自不待言，还有一个人们常想的问题是没有太阳时怎么办?受夜间和阴雨气候的影响，这是利用太阳能所遇到的最大限制。但随着科技的进步，这种限制正逐步缩小。目前，一般家庭太阳能热水器，都有储热槽储存热水，高级一点的储热装置，即使连续一、二天阴雨，仍能使用前日储存的热水。还有固体储热和化学储热法。我们完全有理由相信，太阳能作为一种清洁优良的新能源，它的开发和应用前景都是广阔的，在不久的将来它必将会逐渐应用到我们生活的各个方面中来，使我们的能源使用更加科学和环保。参考文献：1】张焕芬，陈建兰太阳能利用技术现状及展望 J】甘肃科学学报，1 9 9 5，(2)：3 4 2 毛爱华太阳能电池研究和发展现状 J】包头钢铁学院学报，2 0 0 2，2 l(1)：9 5 3】倪萌太阳能电池研究的新进展【J】可再生能源，2 0 0 4 2，P1 0【4 胡塞纯，汤青云太阳能利用现状与趋势 J 湖南城建高等专科学校学报，2 0 0 3，1 2(1)：4 7 5】王学健我国多晶硅太阳能电池及应用研究走上快速路 J】科学时报，2 0 0 2，(2)：2 7 S o l a rC e l la n dA p p l i c a t i o nL U OX u e l i a n，W UL i n z h a n g，J I A N GX i a o t a o，W A N GY u a n，Z H O UM i n g-j i e，L I UH u i(D e p t o fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o n，W u h a nU n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，W u h a nH u b e i4 3 0 0 7 3，C h i n a)A b s t r a c t：T h i st h e s i sd e s c r i b e dd e v e l o p m e n to ft h es o l a rc e l la n di t sa p p l i c a t i o n F i r s to fa l l，Ii n t r o d u c e dt h er e a s o nw h yi ta p p e a r e d S e c o n d，Ii l l u m i n a t e dt h ep r e s e n ti n s t a n c eo nt h em a r k e t I nt h ee n d，Ie x p a t i a t e da b o u tC h i n e s es o l a l c e l ld e v e l o p m e n ti n s t a n c ea n ds o l a rS O U F e e K e y w o r d s：n e we n e l g Ys o u r c e；s o l a rc e l l；s o l a ra p p l i c a t i o n；C h i n e s es o l a rc e l ld e v e l o p m e n ti n s t a n c e 万方数据万方数据太阳能电池及其应用太阳能电池及其应用作者：罗雪莲，吴麟章，江小涛，王远，周明杰，刘辉，LUO Xue-lian，WU Lin-Zhang，JIANG Xiao-tao，WANG Yuan，ZHOU Ming-jie，LIU Hui作者单位：武汉科技学院,光电子中心,湖北,武汉,430073刊名：武汉科技学院学报英文刊名：JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND ENGINEERING年，卷(期)：2005,18(10)被引用次数：31次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.张焕芬,陈建兰 太阳能利用技术现状及展望期刊论文-甘肃科学学报 1995(2)2.毛爱华 太阳能电池研究和发展现状期刊论文-包头钢铁学院学报 2002(1)3.倪萌,M K Leung,K Sumathy 太阳能电池研究的新进展期刊论文-可再生能源 2004(2)4.胡赛纯,汤青云 太阳能利用现状与趋势期刊论文-湖南城建高等专科学校学报 2003(1)5.王学健 我国多晶硅太阳能电池及应用研究走上快速路 2002 引证文献(31条)引证文献(31条)1.吴文娟,张松,张立元,覃榆森,季静佳,顾晓峰,李果华 四甲基氢氧化铵应用于单晶硅高效制绒期刊论文-硅酸盐学报 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