太陽能利用研究進展

李海濤

摘 要：隨著我國近些年來經濟的高速發展，能源和環境問題變得越來越重要。太陽能資源開發潛力巨大，技術經濟可開發量完全可以滿足人類未來能源需求。文章主要介紹了太陽能光伏發電技術與產業的發展現狀。

關鍵詞：太陽能；光伏發電；太陽能電池

引言

由于傳統化石能源的消耗不斷增加以及由此帶來的溫室效應等環境問題，尋找清潔的、可持續的新能源來代替化石能源已成為人類亟需解決的問題。傳統意義上的清潔新能源包括：太陽能、風能、生物質能、水能、地熱能、海洋能等，其中因太陽能具有儲量巨大、安全、清潔等的特點，使其最有可能成為未來大規模應用的清潔新能源之一。

太陽能光伏發電系統由于全部采用電子元器件構成，不涉及機械轉動部件，所以光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便；同時還具有建設周期短、安全可靠、無噪聲、低污染、可就地發電，并且太陽能資源沒有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭等供電的優點。所以，在近些年的太陽能利用方面，光伏太陽能發電一直是發展最活躍、最具吸引力的研究領域。在上世紀七八十年代光伏產業發展較快的時期，歐美等發達國家一直走在世界光伏發展的前端；我國的光伏發電研究雖然起步較晚，但經過這些年的奮力追趕，不論是技術還是產業規模上均取得了較大的進展。

1 太陽能光伏發電原理

光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光直接轉化為電能。光生伏特效應是指半導體由于吸收光子而產生電動勢的現象，是當半導體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。光伏發電的基本原理如圖1所示。

2 我國太陽能電池技術發展現狀

太陽能光伏電池主要包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物太陽能電池等；按種類可分為晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池[1]。圖2為太陽能電池分類圖。

2.1 晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池主要分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當前開發得最快的一種太陽能電池。華東師范大學的游金釧通過對單晶硅太陽能電池多孔硅層和絨面結構的研究，運用三維PN結，使得單晶硅太陽能電池的效率由16.9增長到20.3%[2]。東方電氣的張小賓等人在N型單晶硅太陽能電池中加入關鍵的工藝技術-硼摻雜，制成正面效率為17.0%、背面效率為14.7%的雙面N型單晶硅太陽能電池，且其綜合效率在實驗室最高可達到20.2%[3]。多晶硅太陽能電池與單晶硅太陽能電池類似，其優點有：兼具了單晶硅電池的高轉換效率和長壽命以及成本遠低于單晶硅電池，但是多晶硅太陽能電池的轉換效率一般稍低于單晶硅太陽電池。中科大的王慶錢通過對多晶硅太陽能電池制造的整線的選擇發射極工藝的優化，使得多晶硅太陽能的整體效率提高0.8個百分點，并且使行業的最高效率達到17.80%，成本下降超過5%[4]。

2.2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池是指用單質元素、有機材料或者無機化合物等制作的薄膜為基體材料的太陽能電池，主要包括非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、聚合物薄膜太陽能電池以及染料敏化薄膜太陽能電池。

非晶硅薄膜太陽能電池是將非晶硅以薄膜的形式沉積在載體上形成的電池結構，載體通常選用一些耐腐蝕的材料，例如陶瓷、玻璃等，它與傳統的晶硅太陽能電池比較，具有造價低、質量輕、吸光率高等優點。北京郵電大學的尹永鑫通過前段凹槽結構是設計，使得非晶硅薄膜太陽能電池對光具有極強的太陽能不敏感性（入射角在-60°到60°）的同時吸收率仍能保持在60%以上[5]。南京理工大學的肖華鵬通過在鋁襯底上制造納米凹坑來提高非晶硅薄膜太陽能電池的吸光率，實驗結果表明即使在120°的入射光范圍內，太陽能電池的吸光率仍能達到初始效率的92.4%[6]。

多晶硅薄膜太陽能電池具有非晶硅太陽能電池的造價低、質量輕等優點，同時也克服了非晶硅太陽能電池光學衰減的問題，具有高轉換效率的潛力，在未來有很好的發展前景。現在國內主要在研究多晶硅薄膜電池的制造工藝上，王成龍等人QCGE AIC方法制備多晶硅薄膜太陽能電池，在實驗中發現多晶硅薄膜中鋁摻雜濃度依賴于制備過程中退火溫度和退火模式[7]。寧波大學的翟小利通過對不同退火工藝的研究，發現采用RTA退火與常規退火相比減少了時間同時制造的產品也具有常規退火方式的性能[8]。

化合物薄膜太陽電池主要包括銅銦鎵硒薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池、砷化鎵薄膜太陽能電池以及銅鋅錫硫薄膜太陽能電池等。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有節省原材料、抗輻射能力強、使用壽命長等優點，具有很好的應用前景。浙江大學的童君通過對“三步法”共蒸發制備吸收層銅銦鎵硒薄膜工藝進行探索和優化，制備出效率達到17.67%的小面積太陽能電池[9]。碲化鎘薄膜太陽能電池具有光電轉化效率高（理論最高效率可達到30%）、材料消耗少（薄膜厚度在幾微米之間）、制備過程簡單等優點。中國科技大學的白治中運用新型的CdCl2蒸汽熱處理技術來制備碲化鎘薄膜太陽能電池，可使其轉化效率達到12.4%[10]。砷化鎵薄膜太陽能電池具有較高的光電轉化效率、理想的吸收效率以及抗輻射能力強等優點。郝宇等人通過對砷化鎵吸收層的研究，設計出兩種新型的吸收層，在填充比為0.675的單獨砷化鎵吸收層效率最高可提高55.9%[11]。銅鋅錫硫薄膜太陽能電池具有光電轉換效率高、耗材少、無毒、原材料豐富、適合大規模生產等優點；但由于其制備過程中化合物薄膜中各種元素的含量難以控制，所以到目前為止我國還停留在研究其制備方法的階段。

聚合物薄膜太陽能電池具有易加工、質量輕、材料易得、環境污染少等優點。華東理工大學的李永璽通過對聚合物PCPDT（EH）-FBT的研究，運用不同的試驗方法，最高可使光電轉化效率達到8.2%[12]。吉林大學的徐洋在研究半透明聚合物薄膜太陽能電池方面取得了不錯的進展，對于（WO3/LiF）8的一組光伏器件，在450nm到600nm的波長范圍內獲得了近26.3%的效率的提高[13]。

染料敏化薄膜太陽能電池具有制作工藝簡單、光電轉化效率高以及成本低等優點，在未來有很大的發展潛力。羅軍等人利用多功能層TiO2薄膜增強技術，可使染料敏化太陽能電池的光電轉化效率提升至5.29%，電流密度達到11.7mA/cm2[14]。秦藝穎等人通過對溶膠-水熱法制備轉換TiO2：Sm3+納米粉體的研究，發現TiO2：Sm3+轉換納米粉體不僅將燃料敏化電池的光電轉化效率從4.04%提高到4.99%（效率提高了23.5%），并且拓寬了電池光譜響應范圍，增大了光利用率[15]。

3 太陽能光伏產業發展現狀

大力發展光伏行業是全球能源革命和國家中長期能源戰略的重要部分。部分研究報告顯示，2013年、2014年和2015年上半年，我國分別以11.3GW、10.6GW和7.73GW的新增裝機量，成為世界第一大光伏應用市場。截至2015年9月底，全國光伏發電裝機容量達到3795萬千瓦，其中，光伏電站3170萬千瓦，分布式光伏625萬千瓦。1-9月全國新增光伏發電裝機容量990萬千瓦，其中，新增光伏電站裝機容量832萬千瓦，新增分布式光伏裝機容量158萬千瓦。

在裝機容量不斷上升的情況下，我國光伏產業也呈現出良好的發展態勢。多晶硅工業化水平不斷提升，生產成本持續下降。中國的晶體電池產業鏈完備，產業化技術水平較強。多晶硅提純技術近年來進展較大。生產能耗和物耗不斷下降，全國平均能耗下降到120kWh/kg，部分先進企業降低到80 kWh/kg以下。生產成本持續降低，部分先進企業達到20美元/千克的國際先進水平，進入國際一流企業行列。

4 結束語

綜上所述，我國的光伏太陽能發電仍然具有相當大的潛力。一方面是太陽能電池技術研發活躍，技術不斷成熟導致太陽電池技術競爭性不斷增強，還需加大研發力度，開發新技術新裝備新材料，進一步提高轉換效率。另一方面隨著系統控制技術和電力電子技術的提高，光伏系統的安全性、可靠性將大幅提高，同時，高穿透水平的分布式、微網、智能電網技術的成熟，都將極大的擴展光伏太陽能的應用市場。

參考文獻

[1]張亮.太陽能電池的研發進展[J].科技創業月刊，2011，6：157-158.

[2]游金釧.單晶硅太陽能電池效率進一步提高探索[D].華東師范大學，2010.

[3]張小賓，張中偉，黃侖.N型雙面單晶硅電池生產工藝探索[J].東方電氣評論，2014，2：43-45.

[4]王慶錢.多晶硅太陽能電池片SE工藝優化的研究[D].中國科學院大學，2014.

[5]尹永鑫.基于表面等離子體的非晶硅薄膜太陽能電池吸收性能的研究[D].北京郵電大學，2015.

[6]肖華鵬.基于等離激元結構柔性非晶硅薄膜太陽能電池的研究[D].南京理工大學，2015.

[7]王成龍，范多旺，王成兵，等.太陽能電池用低摻雜率多晶硅薄膜的制備[J]. 中國科學：物理學 力學 天文學，2010，2：219-223.

[8]翟小利.太陽能電池用高質量多晶硅薄膜的鋁誘導晶化研究[D].寧波大學，2013.

[9]童君.銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的研究[D].浙江大學，2014.

[10]白治中.高轉換效率CdTe薄膜太陽電池制備及關鍵科學問題研究[D].中國科學技術大學，2012.

[11]郝宇，孫曉紅，孫 ，等.基于光柵結構的砷化鎵高效率吸收層設計[J].發光學報，2013，6：769-775.

[12]李永璽.新型窄帶隙聚合物太陽能電池材料的合成及性能研究[D].華東理工大學，2014.

[13]徐洋.半透明聚合物太陽能電池的研究[D].吉林大學，2013.

[14]羅軍，廖斌，吳先映，等.基于多功能層TiO2薄膜增強染料敏化太陽能電池性能[J].北京師范大學學報（自然科學版），2015，5：475-479.

[15]秦藝穎，胡志強，張普濤，等.染料敏化太陽能電池Sm3+摻雜TiO2下轉換光陽極的制備及性能[J].發光學報，2015，8：868-874.