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太阳能电池

 SUCE

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。


发展

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数据显示2012年,我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势,国际竞争力愈益增强。
随着太阳能电池行业的不断发展,内业竞争也在不断加剧,大型太阳能电池企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的太阳能电池生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的太阳能电池品牌迅速崛起,逐渐成为太阳能电池行业中的翘楚。

历史

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术语“光生伏特(Photovoltaics)”来源于希腊语,意思是伏特电气的,来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字,在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用
以太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的“光起电力”行为,早在19世纪的时候就已经发现了。
1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光-伏”才出现在英语中。
1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。
到了20世纪30年代,照相机曝光计广泛地使用光起电力行为原理
1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。
到了20世纪50年代,随着半导体物性的逐渐了解,以及加工技术的进步,1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。
自20世纪58年代起,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。
20世纪70年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。
1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。
美国日本以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。
在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特。南非博茨瓦纳纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。
而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法,推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候,由太阳能电池提供电能给自家的负载用,若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候,所需要的电力再由电力公司提供。到了1996年,日本有2,600户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。随着环保意识的高涨和政府补助金的制度,预估日本住家用太阳能电池的需求量,也会急速增加。
在中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月,财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。

原理


太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结内建电场的作用下,光生空穴流向p区,光生电子流向n区,接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电有两种方式,一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。
光—热—电转换
光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程,与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。因此,只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
光—电直接转换
太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波, 如红外线紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上,光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能,值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关,譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV,因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率,在实验室所研发的硅基太阳能电池中,单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGS薄膜电池效率达19.6%,CdTe薄膜电池效率达16.7%,非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件,其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”,它是不导电的,但如果在半导体中掺入不同的杂质,就可以做成P型与N型半导体,再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子,可视为多了一个正电荷),与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流,所以当太阳光照射时,光能将硅原子中的电子激发出来,而产生电子和空穴的对流,这些电子和空穴均会受到内建电位的影响,分别被N型及P型半导体吸引,而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来,形成一个回路,这就是太阳电池发电的原理。
简单的说,太阳光电的发电原理,是利用太阳电池吸收0.4μm~1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光,将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。
由于太阳电池产生的电是直流电,因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器,换成交流电,才能供电至家庭用电或工业用电。
太阳能电池的充电发展太阳能电池应用在消费性商品上,大多有充电的问题,过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池,但是镍氢干电池无法抗高温,镍镉干电池有环保污染的问题。超级电容发展快速,容量超大,面积反缩小,加上价格低廉,因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象,因而改善了太阳能充电的许多问题:
  1. 充电较快速,
  2. 寿命长5倍以上,
  3. 充电温度范围较广,
  4. 减少太阳能电池用量(可低压充电) 。

电池组件


太阳能电池组件构成及各部分功能——
1)钢化玻璃其作用为保护发电主体(如电池片),透光其选用是有要求的: 1.透光率必须高(一般91%以上);2.超白钢化处理。
2) EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体(如电池片),透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命,暴露在空气中的EVA易老化发黄,从而影响组件的透光率,从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外,组件厂家的层压工艺影响也是非常大的,如EVA胶连度不达标,EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够,都会引起EVA提早老化,影响组件寿命。主要粘结封装发电主体和背板。
3)电池片主要作用就是发电,发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片,两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低,光电转换效率也高,在室外阳光下发电比较适宜,但消耗及电池片成本很高;薄膜太阳能电池,消耗和电池成本很低,弱光效应非常好,在普通灯光下也能发电,但相对设备成本较高,光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点,如计算器上的太阳能电池。
4)背板作用,密封、绝缘、防水(一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化,大部分组件厂家都是质保25年,钢化玻璃,铝合金一般都没问题,关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。)
5)铝合金保护层压件,起一定的密封、支撑作用。
6)接线盒保护整个发电系统,起到电流中转站的作用,如果组件短路接线盒自动断开短路电池串,防止烧坏整个系统接,线盒中最关键的是二极管的选用,根据组件内电池片的类型不同,对应的二极管也不相同。
7)硅胶密封作用,用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处。有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶,国内普遍使用硅胶,工艺简单,方便,易操作,而且成本很低。

基本特性


太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下
1、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构,P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。

性能参数


1、开路电压
开路电压UOC:即将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。
2、短路电流
短路电流ISC:就是将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流值。
3、最大输出功率
太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最大输出功率,用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流,分别用符号Um和Im表示。
太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF(fill factor),它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。
FF: 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标, 是代表太阳能电池在带最佳负载时, 能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于1。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大,短路电流下降越多,填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小,其分电流就越大,导致开路电压就下降的越多,填充因子随之也下降的越多。
5、转换效率
太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数,它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。

功率计算


太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法:
  1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗):
若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%≈111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W×5h=555Wh。
  1. 计算太阳能电池板:
按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。

产业现状


太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的太阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。

应用现状

据Dataquest的统计资料显示,全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达100
光伏发电光伏发电
0兆瓦,1999年达 2850兆瓦。根据欧洲光伏工业协会EPIA2008年的预测,如果按照2007年全球装机容量为2.4GW来计算,2010年全球的年装机容量将达到6.9GW,2020年和2030年将分别达到56GW和281GW,2010年全球累计装机容量为25.4GW,预计2020年达到278GW,2030年达到1864GW。全球太阳能电池产量以年均复合增长率47%的速度迅猛增长,2008年产量达到6.9GW。
许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能,美国能源部推出的是国家光伏计划,日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容,该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能
太阳能电池汽车太阳能电池汽车
和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。
美国还推出了"太阳能路灯计划",旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电800 度。日本也正在实施太阳能"7万套工程计划", 日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的"尤里卡"高科技计划,推出了10万套工程计划"。这些以普及应用光电池为主要内容的"太阳能工程"计划是推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。
日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始,花4年时间完成。
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7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。
20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资,1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。

中国现状

中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;八五和九五期间,中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月,国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划,发改委"光明工程"将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。中国已成为全球光伏产品最大制造国,中国即将出台的《新能源振兴规划》,中国光伏发电的装机容量规划为2020年达到20GW,是原来《可再生能源中长期规划》中1.8GW的10多倍。
2002年,国家有关部委启动了"西部省区无电乡通电计划",通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的
多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池
用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业,国内建起了几条太阳能电池的封装线,使太阳能电池的年生产量迅速增加。据专家预测,中国光伏市场需求量为每年5MW,2001~2010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,中国光伏市场年需求量将大于20MW。
2009年,国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩,实际业界人并不认可,科技部已经表态,多晶硅产能并不过剩。

发展前景

太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门,尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。但是在现阶段,它的成本还很高,发出1kW电需要投资上万美元,因此大规模使用仍然受到经济上的限制。
市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大,一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能,是没有价值的。最乐观的估计是需要10年左右时间,使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原,融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大,产生的有毒有害物质多,环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产。我国各地大上单晶硅及单晶硅电池生产线。
然而,我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术虽然很成熟,然而还在不断发展,其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距,光伏电池市场主要靠各国政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电1元以上。今后,要使光伏电池大规模应用,必须不断改进光伏电池效率和生产成本,在这个过程中,生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短,仅3-5年。光伏电池生产企业投资大,回收周期长,由于技术更新快,国内企业,如果不掌握技术,及时更新技术,就会很快被淘汰,很可能不能收回投资。
但是,从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

分类


太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。
太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池,其中硅太阳能电池是发展最成熟的,在应用中居主导地位。

硅太阳能

国际空间站太阳能电池板国际空间站太阳能电池板
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为18%)。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。