太陽能發(fā)電技術的發(fā)展與應用

太陽能發(fā)電技術的發(fā)展與應用

作為人類無法承受的可支配能源，太陽能具有巨大的儲量、無窮、不受區(qū)域限制、清潔等優(yōu)點。太陽能的研究和應用在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位,是人類能源發(fā)展的主要方向之一,受到了世界各國的重視。目前我國工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,但我國主要的能源來源還是煤和石油,污染嚴重,我國的一些工業(yè)城市也成為世界上污染最嚴重的城市。因此,大力發(fā)展太陽能能源是我國當務之急。2006年1月1日起《中華人民共和國可再生能源法》的實施將進一步促進可再生能源的開發(fā)利用。這一舉措將極大的推動作為清潔可再生能源的太陽能的研究進展。太陽能開發(fā)和利用的技術主要有三大類,即太陽采光、熱能利用、光伏發(fā)電。1959年我國制造第一塊太陽能光伏電池以來,太陽能光電應用已從簡單的照明發(fā)展到航天、通訊、石油、交通、電力和國防等領域。本文主要介紹了近年來太陽能發(fā)電技術的發(fā)展,和我國太陽能發(fā)電技術的應用現(xiàn)狀及前景展望。1太陽能電池的“去行為”太陽能電池技術的發(fā)展從1800年伯克萊氏發(fā)現(xiàn)光伏效應開始,然后1876年英國科學家亞當斯等對硒進行光伏效應研究,直到1954年美國貝爾實驗室利用硅晶體材料研發(fā)出性能良好的太陽能電池,經(jīng)過不斷改良而成為現(xiàn)在硅太陽能電池的原型。隨著航天技術的發(fā)展,使太陽能電池的作用不可替代,太陽能電池成為太空飛行器中不可取代的重要部分。1958年3月發(fā)射的美國Vanguard1號上首次裝設了太陽能電池。1958年5月蘇聯(lián)發(fā)射的第3顆人造衛(wèi)星上也開始裝設太陽能電池。此后,幾乎所有發(fā)射的人造天體上都裝設太陽能電池。20世紀70年代初期出現(xiàn)的“能源危機”,讓人們開始認識到不能長期依靠傳統(tǒng)能源。于是太陽能電池的應用已被提上了各國政府的議事日程。1990年以后,太陽能電池不斷有新的結構與制造技術被研發(fā)出來。1.1p–n結的光生伏打作用機理太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種,如:硅系材料(單晶硅、多晶硅、非晶硅),化合物半導體(砷化鎵、硒銦銅)等。它們的發(fā)電原理基本相同。此類太陽能電池的工作原理是基于P-N結的光生伏打效應:當N型半導體與P型半導體通過適當?shù)姆椒ńM合到一起時,在二者的交界處就形成了P-N結。由于多數(shù)載流子的擴散,形成了空間電荷區(qū),并形成一個不斷增強的從n型半導體指向p型半導體的內建電場,導致多數(shù)載流子反向漂移。達到平衡后,擴散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在p–n結上,而且光能大于p–n結的禁帶寬度,則在p–n結附近將產(chǎn)生電子-空穴對。由于內建電場的存在,產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移,產(chǎn)生光生電勢,破壞了原來的平衡。如果將p–n結和外電路相連,則電路中出現(xiàn)電流。由于材料的不同,電流的產(chǎn)生過程也會有所不同。目前無機半導體的理論研究比較成熟,有機半導體體系的電流產(chǎn)生過程仍有許多值得探討的地方,是目前的研究熱點。1.2薄膜太陽電池的研發(fā)太陽能光電材料是一類重要的半導體材料,具有半導體材料的性質。從原則上講,所有的半導體材料都有光伏效應,都可以用于太陽能電池的基礎材料。但是由于材料物理性質、提純制備技術及成本等的限制,真正實際應用于太陽能電池產(chǎn)業(yè)的半導體并不多。從1800年發(fā)現(xiàn)光伏效應至今,太陽能電池材料的發(fā)展歷程可以分為以下三個階段:第一代太陽能電池:包括單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池。從1954年,單晶硅太陽能電池發(fā)明開始到現(xiàn)在,盡管硅材料有各種問題,但仍然是目前太陽能電池的主要材料約占整個太陽電池產(chǎn)量的90%以上。我國北京市太陽能研究所從20世紀90年代起開始進行高效電池研究,采用倒金字塔表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、背場等技術,使單晶硅太陽電池的效率達到了19.8%。第二代太陽能電池:第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池。薄膜技術所需的材料較晶體硅太陽電池少得多,且易于實現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn),是一種有效降低成本的方法。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池。我國南開大學于20世紀80年代末開始研究銅銦硒薄膜電池,目前在該研究領域處于國內領先、國際先進地位。其制備的銅銦硒太陽電池的效率已經(jīng)超過12%,銅銦硒薄膜太陽電池的中試生產(chǎn)線亦已建成。我國在染料敏化納米薄膜太陽電池的科學研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都與世界研究水平相接近。在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都取得與世界相接近的科研水平,在該領域具有一定的影響。第三代太陽能電池:MartinGreen認為第三代太陽電池必須具有以下條件:薄膜化,轉換效率高,原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還在進行概念和簡單的試驗研究。已經(jīng)提出的第三代太陽電池主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。雖然太陽能電池材料的研究已到了第三個階段,但是在工藝技術的成熟程度和制造成本上,在最近幾年都不能和常規(guī)的硅太陽能電池相提并論。硅太陽能電池的制造成本在經(jīng)過幾十年的努力終于有了大幅度的降低,但是有常規(guī)能源相比,仍然比較昂貴,這又限制了它的進一步大規(guī)模應用。鑒于此點,開發(fā)低成本,高效率的太陽能電池材料仍然有很長的路要走。2中國太陽能發(fā)電技術的應用現(xiàn)狀2.1“體所研制”《體所研制1958年我國開始研制太陽能電池,1959年第一個有實用價值的太陽能電池誕生(由中科院半導體所研制)。1971年3月太陽能電池首次應用于我國第二顆人造衛(wèi)星實踐1號(由天津電源所研制),1973年太陽能電池首次應用于天津港的浮標燈上(由天津電源所研制),在20世紀80年代后期,我國引進國外關鍵設備或成套生產(chǎn)線及太陽能電池生產(chǎn)技術,太陽能電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。2.2我國西部地區(qū)太陽能分布現(xiàn)狀隨著技術的進步和應用規(guī)模的擴大,太陽能光伏發(fā)電除了作為航天器的電源以外,在地面的應用范圍也逐漸由偏遠的農村和特殊用電場合發(fā)展到城鎮(zhèn)地區(qū)。為了加快中國太陽能電源的發(fā)展,從1997年起,世界銀行在中國投資2700萬美元用于太陽能發(fā)展,其中2550萬美元用于光伏發(fā)電項目和發(fā)展使用太陽能技術。經(jīng)過科學家們3年的努力,我國西部的6個貧困地區(qū)約9萬余戶居民用上了太陽能電源。目前我國太陽能光伏發(fā)電應用形式主要為農村電氣化和通信及工業(yè)供電中的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng),并存在一部分光伏與建筑集成系統(tǒng)和荒漠光伏電站。我國目前的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)主要在以下方面發(fā)揮作用:一是國家示范項目、民心工程和國際合作項目,如“西藏無電縣建設”、“送電到鄉(xiāng)”、“光明工程”等項目的建設;另外,就是無電地區(qū)通信、衛(wèi)星信號的傳輸和接收,以及輸油、輸氣管道的陰極保護等系統(tǒng)所用的電源;還有帶有“科技示范效應”的路燈、太陽能電動車、廣告牌、草坪燈等電源。如2008年北京奧運會場館周圍80%-90%的路燈采用太陽能光伏技術發(fā)電。除此以外,其他方面的應用還比較少。2.3太陽能光伏發(fā)電技術我國的太陽能發(fā)電技術落后于德國、日本、美國、澳大利亞等發(fā)達國家,甚至落后于印度。不容忽視的我國太陽能產(chǎn)業(yè)的不正常狀態(tài):九成以上的原材料依賴進口,九成以上的產(chǎn)品出口,一個典型的兩頭在外產(chǎn)業(yè)。作為太陽能光伏電池的主要原料,我國95%的高純多晶硅材料依賴進口,而且技術基本上被國外壟斷,這一問題已經(jīng)成為我國發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的最大瓶頸。另外,雖然我國頒布了《可再生能源法》,法令明確提出,“國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)”,但相應的具有可操作性措施,如《上網(wǎng)電價法》遲遲沒有出臺,目前電網(wǎng)公司只接受風電和生物質發(fā)電。太陽能光伏電池以及原材料多晶硅的生產(chǎn)屬于高污染、高能耗行業(yè),加上我國并沒有掌握多晶硅生產(chǎn)的關鍵技術,過高的成本和污染能耗代價也都限制了太陽能發(fā)電技術的發(fā)展。3加大太陽能發(fā)電技術的研究和應用力度盡管與國際先進水平相比,我國的太陽能發(fā)電技術還存在很大的差距。我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)還存在著這樣或那樣的問題,但是作為清潔可再生能源的太陽能,因為其獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景加上我國政府的大力支持,一定能突破瓶頸。目前要在以下幾個方面加強:(1)研究多晶硅生產(chǎn)的技術,突破技術瓶頸,減少生產(chǎn)多晶硅過程的能耗和污染問題。(2)