淺談太陽能電池

泰偉業

摘 要：本文重點介紹太陽能電池的種類以及太陽能電池的應用現狀，簡述其發展中存在的問題并預測其未來走向的趨勢。

關鍵詞：光電效應； 應用現狀； 存在問題

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.076

0 引言

隨著時代的發展，能耗越來越大，人類面臨著常規能源枯竭和環境嚴重破壞的雙重壓力。近年來，太陽能光伏市場因其核心部件太陽能光伏電池具有不消耗燃料，不受地域限制，規模可靈活組合，具有大規模應用的可能性等優點而得到快速發展。

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”，是利用太陽光直接發電的光電半導體設備。工作原理是光電效應，即陽光照射在PN結上，形成新的電子-空穴對，在PN結本身內建電場的作用下，電子由N區向P區運動，空穴由P區向N區運動，形成了電流。

1 太陽能電池的種類和應用

1.1 種類

依據所用材質不同，將太陽能電池大致分為：硅基電池、化合物電池、納米晶電池、有機電池四類。

1.1.1 硅基電池

硅基電池包括：單晶硅電池、多晶硅電池和硅基薄膜電池。

單晶硅太陽能電池以純度較高的直拉單晶硅棒作為初材料，其光電轉換效率最高，在實驗室條件下可達為24.7%，規模生產時為18%（截至2011年）。當然，當晶硅電池的成本也較高，單晶硅棒的純度一般要求99.999%。

多晶硅太陽能電池成本遠低于單晶硅電池，其轉換效率卻略遜于前者，實驗室最高轉換效率為18%，工業規模生產時為17%（截至2011年）。

硅基薄膜太陽能電池組件成本低，重量輕，組件結構完整，美觀，弱光發電效果好，便于大規模生產，有極大的潛力，除用于大型光伏電站外，還可以安裝于建筑物任何部位并與建筑融為一體，利于推行建筑光伏一體化。

尤其是非晶硅薄膜電池，不僅轉換效率低下，而且存在光致衰退效應，若可以進一步提高其轉換率并使得穩定性問題能夠得到改善，那么，該產品將會是今后太陽能電池的主要發展方向之一。

1.1.2 化合物太陽能電池

以無機鹽作為材料的化合物薄膜太陽能電池，其主要包括Ⅱ-Ⅵ族化合物碲化鎘、銅銦鎵硒電池等；III-V族化合物砷化鎵、磷化銦及砷化鎵電池等。

Ⅱ-Ⅵ族化合物典型代表---碲化鎘，該材質吸光系數很高且可用多種快速成膜技術制作，不僅成本方面廉價于單晶硅電池，而且易于規模化生產，唯一的難題是鎘有劇毒，使用不當會嚴重污染環境，不是晶體硅太陽能電池的理想替代品。

III-V化合物電池的典型代表---砷化鎵（GaAs），其轉換效率可達30%以上，具有十分理想的光學帶隙和較高的光吸收效率，在AM1輻射條件下吸光97%左右，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合制造高效單結電池，適合用于熱光伏特系統、聚光系統及太空領域。

銅銦鎵硒薄膜電池具有高轉換效率（可以達到30%左右）和低材料制造成本等優點，將成為未來最有發展潛力的薄膜電池之一。但該電池面臨的問題是銦和硒稀缺，其發展將無疑會受到一定程度的制約。

1.1.3 納米晶太陽能電池

納米晶體太陽能電池是近年來新發展的，其優點在于成本廉價、生產工藝簡單、性能穩定，其制作成本僅為硅太陽電池的1/10～1/5，光電轉換效率穩定在10%以。

1.1.4 有機太陽能電池

有機太陽能電池的半導體材料為具有光敏性質的有機物，此種有機物作為電池的核心部分，具有光生伏特效應。

1.2 應用

目前，在農業、工業、軍事等領域太陽能電池已廣泛應用，主要分為兩種類型：并網型、離網型。

1.2.1 并網應用

并網發電是指把太陽能轉化為電能，不需要經過中間環節---蓄電池儲能，而直接通過并網逆變器，把電能輸入電網的一個過程。

21世紀以來，全球太陽能光伏并網發電應用大幅推廣，世界各國都在樓宇和家居屋頂上應用了太陽能電池，一半以上可并網，而且并網的發電應用也越來越多。以2008年為例，比2007年增長約72.67%，統計到2000年，年均增長率約60.99%。

相對離網太陽能發電系統而言，并網發電系統的優點如下：可再資源太生陽能清潔干凈，符合當前經濟社會可持續發展的環境要求；減少了蓄電池的二次污染，所發電直輸入電網，不再需要蓄電池，投資約是獨立太陽能光伏系統建設的60%，成本大大降低；調節能力強，進出電網系統方便靈活，不僅有利于改善電力系統負荷平衡的問題，而且有利于增強電力系統的抗外界干擾能力。

1.2.2 離網應用

與并網發電相比，離網發電使用起來更加靈活。已廣泛應用于邊遠山區的農場、山場、莊園等小功率的生活用電場所。

2 太陽能電池的現狀

2.1 國外現狀

20世紀80年代以來太陽能光伏產業是飛速發展，截止2006年底，世界裝機總容量達到4961.69MW。在國際市場上，太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元，世界光伏總發電量的80%來自日本、歐盟和美國。

今后，光伏發電系統將主要向高效率、低成本、長壽命、美觀實用的方向發展。到2050年，太陽能光伏發電將占總發電量的14%左右，由于曾一度時期國外相當一部分發達國家光伏發電系統補助相當多，產業發展迅猛，歐美部分發達國家從2013年始相繼采取降低光伏發電補助的措施，旨在進行市場自動調節，當光伏組件價格降低到一定程度時，達到商業發電的經濟指標，光伏發電規模還會有所增加。

2.2 國內現狀

我國首個光伏“領跑者”計劃示范基地于2015年6月正式落戶山西省大同市。總裝機容量3GW，分三年實施，一期計劃1GW。分成13個項目，其中7個100MW，5個50MW，另外一個50MW為基地公共光伏實證平臺，包括30MW的基地野外光伏測試平臺、10MW的光伏電站與大同土壤植被研究示范項目、10MW的光伏電站景觀規劃研究示范項目。

總體來講，國內太陽能光伏發電產業起步晚，尤其在太陽能電池的新項目開發、新工藝推廣方面的技術不成熟，整體上仍處于產量小、產品單一、技術落后的初級階段。

而國外不少企業已把目標制定在光電轉換效率可高達18.3%，新一代技術先進的薄膜晶體太陽能電池的研發以及規模化生產上，此類電池的轉換率比目前平均轉換效率提高了3個百分點。

3 太陽能電池存在的問題

光伏產業數十年的發展已取得了系列驚人的可喜成就，但與此同時也迎來了新產業前所未有的機遇和挑戰。

3.1 原材料及產品問題

我國太陽能電池產業表現出了“兩頭在外”的問題。全球約60%的晶體硅由我國生產，但與歐美國家相比，我國硅材料的生產成本依然居高不下，核心的技術依然掌握在歐美人手中，我國所需上游硅料、硅片還擺脫不了歐美國家的控制，就連下游的拉棒、切片設備也大部分來自于歐美國家，比較簡單的附加值較低的電池片組裝工序由我國企業主要完成，最終成品又主要用于出口國外。

我國太陽能電池專用材料國產化程度較低，如基板玻璃市場仍不能滿足當前技術要求，封裝玻璃還擺脫不了進口，科研成果不能及時轉化為產業優勢，諸如系列問題導致我國太陽能電池平均轉換效率偏低。

3.2 環境污染和能耗問題

多晶硅的生產提純過程中會產生包括氯硅烷低沸物、氯化氫等大量的廢水，在破碎、細磨等工序會產生的大量工業粉塵。其中，副產物有毒有害四氯化硅液體的問題最為突出，每生產1t多晶硅將產生約8t的四氯化硅，其具有強腐蝕性的，對環境危害極大。隨著多晶硅產量的逐年增加，對四氯化硅的安全環保處理措施在某種程度上已成為限制多晶硅制造業健康快速發展的關鍵性因素。

4 未來發展趨勢

在太陽能與建筑一體化方面行業內某些知名企業已取得可喜成果，行業發展方向也日漸明朗。傳統的熱水器市場需繼續穩固，太陽能與建筑一體化領域也要不斷拓展，逐漸穩步邁進工業領域。

到21世紀末，太陽能發電將在能源結構占到60%以上。太陽能光伏產業因其在能源領域重要的戰略地位而具有廣闊的市場發展前景。

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