太阳能的开发及应用研究

太阳能的开发及应用研究姓名：谭广朋学校：中南大学专业：交通设备信息工程2012年3月20日2/9太阳能的开发及应用研究摘要：长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。本文从太阳能开发利用的现状出发，简要论述了太阳能光伏发电的原理和太阳能电池的分类，对太阳能光伏发电应用技术研究热点问题进行了论述。关键词：新能源；太阳能；光伏发电；太阳能电池0引言随着化石能源的逐渐枯竭以及对环境造成的污染日益严重，人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。太阳能是分布极其广泛，储量十分巨大，易于为人们利用的清洁可再生能源，太阳能电池就是把太阳辐照的光能量转化为电能，太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池。1太阳能开发和利用的现状1954年美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，人类开始了利用太阳能发电的新纪元。特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能开发利用。目前太阳能的利用形式主要有太阳能热水器和太阳房等光热利用、太阳能光伏发电利用和光化学转换三种形式。1.1太阳能开发的现状在太阳能的利用的三种形式中，光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用；光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用；太阳能光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且由于太阳能电池的原料—硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，使太阳能的光伏发电利用成为近些年发展最快、最具活力的研究领域。1）光伏组件成本大幅度降低太阳能光伏产业链包括材料制造、硅片制造、电池制造、组件制造四大部分，呈明显的金字塔结构。在整个产业链中，晶体硅生产是整个产业链的瓶颈，关键技术基本被日、美、德的7家企业所控制，原材料硅短缺成为制约光伏技术和市场发展的瓶颈。近lO年来，世界晶体硅光伏组件的生产成本降低了32％以上，达到3美元／W左右。虽然自2004年以后因材料紧缺生产成本有所回升，但这种趋势仍在继续发展。2）太阳能电池效率不断提高太阳能电池目前主要分为单晶硅、多晶硅及以非晶硅为代表的薄膜技术三种。单晶硅技术工艺成熟，实验室转换效率最高为25％，商业化转换效率为15％至18％，但成本较高；多晶硅技术成本较低，但转换效率不如单晶硅，实验室转换效率最高为21％，商业化转换效率为13％至16％；非晶硅薄膜电池实验室3/9效率达到了17.4％。3）生产规模不断扩大至2008年，全球太阳电池产量年均复合增长率约为47％，2008年我国光伏电池产量达1．78GW，占全球总量的26％。其中，国内太阳能电池龙头厂无锡尚德2008年产量约为500MWp，排名全球第三。1.2太阳能利用的现状2008年全球太阳能新装容量达到5500MWp以上，其中，按地区排名，西班牙名列首位，德国第二。2008年，全球太阳能安装总量已累计达15GW，西班牙新装量为2．5GW，约占2008年新增安装量的一半。2008年我国光伏系统安装量为40MW，占全球总安装量的比例为0．73％。1.3世界各国光伏计划世界各国对太阳能的开发利用给予了极大关注，通过政策激励、产业扶持、资金支持等措施，积极推动太阳能产业发展，2009年中国出台《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》，并出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，决定有条件地对部分光伏建筑进行每瓦最多20元人民币的补贴。2太阳能发电2.1太阳能发电方式清立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。②光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。2.2太阳能光伏发电技术太阳能光伏发电技术是利用“光生伏特效应”原理制成太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用。“光生伏特效应”，指光照使不均匀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，它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。P型半导体和N型半导体接合后，在接合面上，电子从N型区向P型区流动，空穴从P型区向N型区流动，稳定后，在接合面形成电势差，产生由N型区指向P型区的“内建电场”，如图1、图2所示，即形成PN结。太阳光照射PN结时，在半导体原子内的电子受激发，产生电子一空穴对，如图3所示。外部电路连接好后，在“内电场”的作用下，将有电流产生，从而为外电路供电源阻引。图1扩散运动图2内建电场4/9图3光生伏特原理3太阳能电池3.1发电原理太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。3.2太阳能电池的分类太阳能电池按材料可分为硅系太阳能电池、化合物太阳能电池和有机半导体系太阳能电池等类型。1）晶体硅太阳能电池晶体硅太阳电池是PV市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，缺点是生产成本高。单晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率已经达到了24.7％，规模生产的单晶硅太阳能电池效率为15％，单晶硅太阳能电池主要用于光伏电站、航空器的电源以及聚焦光伏发电系统等；多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率能够达到20．3％，规模生产的多晶硅太阳能电池效率可达10％。多晶硅的制作成本比单晶硅低很多，但多晶硅由于存在晶界和晶粒取向的影响，导致其寿命比单晶硅太阳能电池低很多，并且转换效率不高。多晶硅太阳能电池主要用于光伏电站和光伏建筑材料使用，如光伏幕墙或屋顶光伏系统。2）非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池是在特定的基体上，通过化学或物理方法淀积非晶硅薄膜形成PN结而制作的太阳能电池。这种方法电耗很低，硅材料消耗很少，材料成本远低于硅晶体电池，许多材料都可以作为基体材料，如不锈钢、玻璃等，甚至可以采用聚合材料制作成柔性太阳能电池。在弱光条件非晶硅太阳能电池也能发电，非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大，是单晶硅的40倍，1um厚的非晶硅薄膜，可以吸收大约90％有用的太阳光能，但是非晶硅太阳电池与晶体硅太阳能光伏电池相比光电转换效率较低，稳定性较差。常用于光伏电池建筑幕墙发电，以及为小型太阳能用电器如计算器、LCD掌上游戏机、电子表、便携收音机等供电。3）化合物太阳能电池5/9化合物太阳电池是由两种以上的半导体元素构成的太阳能电池，主要有I—V族化合物太阳电池、I-Vl族化合物太阳电池以及三元化合物太阳电池等。化合物太阳能电池优点：抗辐射性能好；材料消耗少；化合物半导体材料的带隙约为1．40eV，与太阳光谱匹配性好。化合物太阳能电池由于包含某些稀少的元素，所以不适合大规模利用；某些构成元素有毒，对环境会造成污染。化合物太阳能电池主要用于宇宙发电领域，为人造卫星提供电源。4）有机太阳能电池有机太阳能电池是指以有机材料构成核心部分的新型太阳能电池，主要有色素增感太阳能电池和有机薄膜太阳能电池两种。4太阳能电池的关键技术问题开发太阳能电池的两个关键问题就是提高转换效率和降低成本。4.1提高转换效率1）提高太阳光的利用率通过在材料进光面上制备特殊表面结构提高利用率。有关研究表明采用化学腐蚀方法在单晶硅太阳能电池表面上制备出许多极小尺寸(1～2um)的金字塔状或V型的凹凸层。在这种表面结构上，入射光在经入射表面第一次反射后，又得到了第二次入射硅衬底的机会，从而提高了光能利用率。采用减反射膜技术口副，阻止太阳能电池表面对太阳光的反射造成的效率损失。硅太阳能电池常用的单层减反射膜有SiO2、Ta2O5；、TiO2等，双层减反射膜有Ta2O5、TiO2等薄膜，膜的制备方法有化学气相沉积法和物理气相沉积法等。在多晶硅太阳能电池中用铝等金属做成反射镜，可以使长波长的光不会透射出电池，从而增加太阳光线在太阳能电池中的停留时间，达到提高太阳光的利用率的目的。薄膜太阳能电池采用氟的等离子处理技术，使表面光的散射发生变化，增加了光线在太阳能电池中的停留时间，从而提高光电转换效率。2）减少太阳能电池中的能量损失研究表明，造成太阳电池能量损失的主要因素有：(1)第一位的损失是热损失，光生载流子对能很快地将能带多余的能量以热的形式损失掉。(2)另一主要损失是电子一空穴对引起的。(3)还有一部分能量是由PN结接触电压损失引起的。为减少热损失，可设法使通过电池的光子能量恰好大于能带能量，使光子的能量激发出的光生载流子无多余的能量损失。为减少电子一空穴结合所造成的损失，可设法延长光生载流子寿命，这可通过消除不必要的缺陷来实现。减少PN结的接触电压损失，可通过聚集太阳光以加大光子密度的方法来实现。采用复合结构提高太阳能电池的综合性能通过研发新工艺，采用复合结构提高太阳能电池的综合性能。现在正研究的HIT太阳能电池是由单晶硅和非晶硅(a—Si)进行叠层得到的新型太阳能电池，它既具有晶体硅电池的高光电转化效率、高稳定性的优势。4.2降低成本4.2.1研发新型替代材料纳米材料在太阳能电池中应用的研究始终是材料学家关注的重点,有关研究表明采用金属催化化学腐蚀方法，在单晶硅片表面制备出大面积排列整齐、与原硅片取向一致的纳米线阵列，而且得到的硅纳米线单晶性好、轴向可控掺杂浓度不受掺杂类型和晶向的影响，光电转换效率可达9．23％。6/94.2.2开发新工艺由于晶体硅太阳能电池是在厚度为350,一450pm的高质量硅片上制成的，而且这些硅片是由提拉或浇铸的硅锭，锯割而成，因此，消耗了大量的硅材料。为了降低成本，发展了薄膜太阳能电池。其中的典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层非晶硅太阳能电池。4.2.3优化太阳能光伏系统结构太阳能光伏系统的传统设计常常导致太阳能光伏系统中方阵容量过大。可以通过优化设计，实现系统中的太阳能电池方阵和储能用蓄电池容量的最佳搭配，节省整个系统的成本。另一方面，可以采用能够调节倾斜角度的光伏阵列支撑架，在太阳辐射能较低的月份实现该月最大辐射量，通过增大太阳能电池板接收到的太阳辐射量来增减光伏组件的使用数量，从而使光伏系统的发电能力和发电成本达到最佳平衡。5我国太阳能开发利用的现状及我国太阳能产业发展的思考5.15.1.1我国太阳能热水器产业持续高速发展自70年代末，政府有关部门开始支持引进、消化、吸收国外太阳能先进技术和设备，经过20多年自主发展，我国太阳能热水器已形成行业，并成为世界上产量和销售量最大的国家。近几年，我国太阳能热水器生产规模和市场销量保持持续高速发展的势头。1992年，我国太阳能热水器总销量50万m\+2，为世界其它国家总销量之和；1995年，总销量达100万m\+2，为1992年的两倍；1997年，总销量上升至近300万m\+2。目前，全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1000余家，年产值约20亿元，生产的太阳能