太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

袁英

【摘 要】為了降低太陽能級多晶硅生產成本，從而降低太陽能電池制造成本，促進太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展。鑒于此，在查閱大量文獻的基礎上首先綜述太陽能電池的種類，然后就其研究現(xiàn)狀、存在的問題、解決的途徑以發(fā)展趨勢等做了一些分析，完善太陽能電池的相關研究。

【關鍵詞】新型薄膜；超高級；聚合物多層修飾電極型；納米晶化學

太陽能發(fā)電是一項高新技術，以太陽能為資源基礎的生產將是一種可持續(xù)的發(fā)展模式。全球太陽能產品的年銷售額達14億美元，其中12億美元來自太陽能電池的銷售。

制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉換反應，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池；化合物太陽能電池，如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽能電池等。不論以何種材料來制作電池，對太陽能電池材料一般的要求有：半導體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉換效率：材料本身對環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產且材料性能穩(wěn)定。基于以上幾個方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是目前在太陽能電池領域硅太陽能電池占主導地位的主要原因。

一、有關高效率，低成本晶體硅太陽能電池開發(fā)

硅太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池，晶體硅太陽能電池主要是指單晶硅和多晶硅太陽能電池。規(guī)?；a中，單晶硅太陽能電池具有轉換效率最高、技術最為成熟、可靠性高等優(yōu)點。

多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽能電池相近，但是從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要低得多。多晶硅太陽能電池的光電轉化效率相比單晶硅太陽能電池要低。我國尚德太陽能電力將開始量產轉換效率18.8%的單晶硅型、17.2%的多晶硅型太陽能電池單元。

目前，我國已上馬了多家多晶硅材料的生產基地，解決我國晶體硅太陽能電池原料高度依賴國外進口的現(xiàn)狀。隨著多晶硅供需平衡，多晶硅價格會迅速恢復到合理價位，將直接導致硅太陽能電池生產成本大大降低，為多晶硅太陽能電池創(chuàng)造更好的發(fā)展條件。

硅太陽能電池轉換效率無疑是最高的，而且由于硅太陽能電池一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。薄膜太陽能電池由于其制造成本低，對環(huán)境的影響小，近年來備受關注，其所占的市場份額逐漸加大。但是在目前金融危機情況下，硅原材料成本已下降到每公斤100美元以下，成本大大下降，已接近火電發(fā)電成本每瓦1元人民幣，由于轉化效率高于薄膜，成本下降較大，所以硅太陽能電池仍具備強有力的競爭力。

二、新型薄膜電池開發(fā)

薄膜太陽能電池是最富前途的下一代太陽能電池技術，它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝。與目前常見的硅片太陽能電池相比，硅薄膜太陽能電池用硅量僅為前者的1%左右，可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.2美元。此外，這種高科技新產品可與建筑物屋頂、墻體材料如玻璃幕墻融為一體，既可并網(wǎng)發(fā)電又能節(jié)約建筑材料、美化環(huán)境。目前正在研發(fā)中和已有產品出售的薄膜太陽能電池主要有以下幾種：

（1）非晶硅薄膜電池：是薄膜太陽能電池中最成熟的產品之一。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，但由于其光學帶隙為1.7eV， 使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉換效率。

（2）多晶硅硅薄膜電池：其轉換效率高于非晶硅薄膜太陽能電池，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，但由于控制薄膜中硅晶粒大小的技術沒有解決，尚未能制成有實用價值的太陽能電池。

（3）有機染料敏化電池：它是一種光電化學電池。

（4）銅銦錫（CIS）和銻化鎘（CdTe）：兩種化合物多晶薄膜太陽能電池，中試轉換效率已經(jīng)超過10%。但是，由于元素鎘的有毒性及其對環(huán)境的污染，這種太陽能電池技術均不具備長遠的產業(yè)化生命力。

（5）銅-銦-硒（及其合金）電池：據(jù)美國Miasole公司稱，他們研制的樣品轉換效率可達19.5%，試銷產品的轉換效率可達9%。但由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展必然受到限制。

（6）砷化鎵III-V化合物薄膜電池：在250℃的條件下，光電轉換性能仍很良好，其最高光電轉換效率約30%，且能耐高溫，特別適合做高溫聚光太陽能電池。但生產成本高，產量受限，目前主要作空間電源用。

在光伏利用中，相對于其它薄膜電池，由于硅材料儲量豐富，且無毒、無污染，具有主導地位。目前，在硅基薄膜太陽能電池家族中，非晶硅薄膜電池占有主要地位。但非晶硅太陽能電池存在光致衰減效應的缺點，并且轉化效率遠低于晶體硅太陽能電池。目前又出現(xiàn)了各種疊層太陽能電池，轉換效率達14.6%，接近多晶硅太陽能電池。

近年來，另一種新型硅基薄膜材料——納米硅薄膜由于其優(yōu)良的性能引起了人們廣泛的關注。理論上其最大轉換率為44%，如能產業(yè)化，則高于單晶硅電池。

三、納米晶化學太陽能電池

在太陽能電池中硅系太陽能電池無疑是發(fā)展最成熟的，但由于成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求。為此，人們一直不斷在工藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發(fā)展的納米TiO2晶體化學能太陽能電池受到國內外科學家的重視。

目前，我國已成為全球主要的太陽能電池生產國。2007年全國太陽能電池產量達到1188MW，同比增長293%。中國已經(jīng)成功超越歐洲、日本為世界太陽能電池生產第一大國。在產業(yè)布局上，我國太陽能電池產業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢。在長三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了各具特色的太陽能產業(yè)集群。

中國的太陽能電池研究比國外晚了20年，盡管最近10年國家在這方面逐年加大了投入，但投入仍然不夠，與國外差距還是很大。政府應加強政策引導和政策激勵，盡快解決太陽能發(fā)電上網(wǎng)與合理定價等問題。同時可借鑒國外的成功經(jīng)驗，在公共設施、政府辦公樓等領域強制推廣使用太陽能，充分發(fā)揮政府的示范作用，推動國內市場盡快起步和良性發(fā)展。

太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。

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