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21世纪的绿色能源——太阳电池

助工
2007-08-11 07:35:49    评分

1.引言

  在大多数人的心目中,电力是一种清洁的能源,当使用电灯、电视、电冰箱、空调等电器时,也许我们并没有意识到电力对环境造成的破坏,实际燃煤发电对环境的破坏是很大的。我国现在是世界上第二号温室气体的排放大国,而常规电力生产使用煤、石油、天然气发电,已经成为我国二氧化碳等温室气体的主要排放源之一,而且燃煤还大量排放二氧化硫等有害气体。当我们使用常规电力时,我们其实是间接的污染者,因为我们对电力的需求才产生了供给,从而间接对环境造成了污染。同时我们又是污染的受害者。

  21世纪,人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己成为全球热点问题。而能源问题将更为突出。能源短缺使世界上大部分国家能源供应不足,不能满足其经济发展的需要。从长远来看,全球已探明的石油储量只能用到 2020年,天然气也只能延续到2040年左右,即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

  由于燃烧煤、石油等化石燃料,每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空,使大气环境遭到严重污染,直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨,严重污染水土。化石能 
源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应;引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程,有关国际组织已召开多次会议,限制各国CO2等温室气体的排放量。因此,人类在解决上述能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源。

  太阳能具有储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023KW,一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨,是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的“无限性”,取之不尽,用之不竭。对于其他能源来说,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样,其开发利用时几乎不产生任何污染。利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽,用之不竭,而且在接收太阳能时不征收任何“税”,可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下,太阳能利用不仅可能而且可行。鉴于此,太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任,成为理想的替代能源。

  2.太阳能电池

  50年代第一块实用的硅太阳电池的问世,揭开了光电技术的序幕,也揭开了人类利用太阳能的新篇章。自60年代太阳电池进入空间、70年代进入地面应用以来,太阳能光电技术发展迅猛。1990年以来,全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均16%的幅度递增,目前总发电能力已达800MW,相当于20 万个美国家庭的年耗电量。1997年全球太阳电池的销售量增长了40%,已成为全球发展最快的能源。

  2.1影响光电技术应用的问题

  当前影响光电池大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高。在众多发电技术中,太阳能光电仍是花费最高的一种形式,因此,发展阳光发电技术的主要目标是通过改进现有的制造工艺,设计新的电池结构,开发新颖电池材料等方式降低制造成本,提高光电转换效率。近年来,光伏工业呈现稳定发展的趋势,发展的特点是:产量增加,转换效率提高,成本降低,应用领域不断扩大。1998年,世界太阳电池年产量已超过150MW,是1994年产量的两倍还多。单晶硅太阳电池的平均效率为15%,实验室效率已达24.4%;多晶硅太阳电池效率也达14%,最大效率为19.8%;非晶硅太阳电池的稳定效率,单结6~9%,实验室最高效率为12%,多结电池为8~10%,实验室最高效率为11.83%。 

  最近,瑞士联邦工学院M·格雷策尔研制出一种二氧化钛太阳能电池,其光电转换率高达33%,并成功地采用了一种无定形有机材料代替电解液,从而使它的成本比一块差不多大的玻璃贵不了多少,使用起来也更加简便。可以预料,随着技术的进步和市场的拓展,光电池成本将会大幅下降。可以得出,在2010年以后,由于太阳能电池成本的下降,可望使光伏技术进入大规模发展时期。

  2.2光伏新技术的开发

  近年来,围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题,光伏技术发展迅速。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转换效率的主要技术障碍有:电池表面栅线遮光影响;表面光反射损失;光传导损失;内部复合损失;表面复合损失。

 针对这些问题,近年来开发了许多新技术,主要有:单双层减反射膜;激光刻槽埋藏栅线技术;绒面技术;背点接触电极克服表面栅线遮光问题;高效背反射器技术;光吸收技术。随着这些新技术的应用,发明了不少新的电池种类,极大地提高了太阳能电池的转换效率,如采用激光刻槽埋藏栅线等新技术将高纯化晶体硅太阳能电池的转换效率提高到24.4%。


  光伏技术发展的另一特点是薄膜太阳能电池研究取得重大进展,各种新型太阳能电池的不断涌现。晶体硅太阳能电池转换效率虽高,但其成本难以大幅度下降,而薄膜太阳能电池在降低制造成本上有着非常广阔的诱人前景。早在几年前,利用多层薄膜结构的低质硅材料已使太阳能电池成本骤降80%,有望1O年内使该项技术商业化。

  高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的另一条切实可行的途径,近年来,一些新型高效电池不断问世:

  硒化铜钢(CUINSE2,CIS)薄膜太阳能电池:1974年CIS电池在美国问世,1993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达 16.7%,由于CIS太阳能电池具有成本低(膜厚只有单晶硅的1/100)、可通过增大禁带宽度提高转换效率(理论值为单晶30%,多晶24%)、没有光致衰降、抗放射性能好等优点,各国都在争相研究开发,并积极探索大面积应用的批量生产技术。

  硅-硅串联结构太阳能电池:通过非晶硅与窄禁带材料的层叠,是有效利用长波太阳光,提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径。它具有成  
本低、耗能少、工序少、价廉高效等优点。

  用化学束外延(CBE)技术生产的多结III-V族化合物太阳能电池:III-V族化合物(如GAAS,INP)具有较高的光电转换效率,这些材料的多层匹配可将太阳能电池转换效率提高到35%以上。而这种多层结构很容易用CBE法制作,并能降低成本获得超高效率。

  大面积光伏纳米电池:1991年瑞士M.GRATZEL博士领导的研究小组,用纳米TIO2粉水溶液作涂料,和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶颜料敏感太阳能电池,简称纳米电池。计算表明,可制造出转换效率至少为12%的低成本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的前景。

  3.太阳电池的发展现状

  太阳电池的进展情况可以从其性能指标、产量、价格等方面来评价。太阳电池的性能指标有开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等多顶,其中最主要的指标是光电转换效率,即将光能转变为电能的效率。

  太阳电池主要可以分为硅太阳电池和化合物半导体太阳电池两大类。下面分别加以叙述。

  3.1硅太阳电池

  硅是地球上第二位最丰富的元素,而且无毒性,用它制作的太阳电池效率也很高,因此它是最适于制作太阳电池的半导体材料。1997年,世界上太阳电池年产量约为120MW,其中99%以上为硅太阳电池。在硅太阳电池中又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池三类。

  1.单晶硅和多晶硅太阳电池

  单晶硅和多晶硅太阳电池是对P型(或n型)硅基片经过磷(或硼)扩散做成P/N结而制得的。单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良,但成本高,而且限于单晶的尺寸,单片电池面积难以做得很大,目前比较大的为直径为10~20cm的圆片.多晶硅电池是用浇铸的多晶硅锭切片制作而成,成本比单晶硅电池低,单片电池也可以做得比较大(例如30cm×30cm的方片),但由于晶界复合等因素的存在,效率比单晶硅电池低。

  现在,单晶硅和多晶硅电池的研究工作主要集中在以下几个方面:

  (1)用埋层电极、表面钝化、密栅工艺优化背电场及接触电极等来减少光生载流子的复合损失,提高载流子的收集效率,从而提高太阳电池的效率。澳大利亚亲南威尔士大学格林实验室采用了这些方法,已经创造了目前硅太阳电池世界公认的AM1.5条件下24%的最高效率。

  (2)用优华抗射膜、凹凸表面、高反向背电极等方式减少光的反射及透射损失,以提高太阳电池效率。

  (3)以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅,估化正背电极的银浆、铝浆的丝网印制工艺,改进硅片的切、磨、抛光等工艺,千方百计降低成本,提高太阳电池效率。目前最大硅锭重量已达270余公斤。

  (4)薄膜多晶硅电池还在大力研究和开发。计算表明,若能在金属、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制备厚度为30~50μm的大面积的优质多晶硅薄膜,则太阳电池制作工艺可进一步简化,成本可大幅度降低。因此多晶硅薄膜太阳电池正成为研究热点。

  现在单晶及多晶硅太阳电池的世界年产量已达到120MW左右。硅太阳电池的最高效率可达18%~24%。航空航天用的高质量太阳电池在AMO条件下的效率约为13.5%~18%,而地面用的大量生产的太阳电池效率在AM1条件下大多在11%~18%左右。

  2.非晶硅太阳电池

  由于非晶硅对太阳光的吸收系数大,因而非昌硅太阳电池可以做得很薄,通常硅膜厚度仅为1-2μm,是单晶硅或多晶硅电池厚度(0.5mm左右)的1/500,所以制作非晶硅电池资源消耗少。

非晶硅太阳电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷(SiH4)气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低(200℃左右),因此制作时能量消耗少,成本比较低,且这种方法适于大规模生产,单片电池面积可以做得很大(例如0.5mX1.0m),整齐美观。非晶硅电池的另一特点是对蓝光响应好,在一般地荧光灯下也能工作,因此被广泛用作电子计算器和手掌电脑的电源,估计全世界使用量达到每月1千万片左右。以上这些优点,使非晶硅太阳电池在近10余年来得到大踏步的发展,1997年全世界的产量估计已达到30MW以上。


  非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存,具有光疲劳效应(Staebler Wronski效应),故非晶硅太阳电池经过长期稳定性存在问题。近10年来经努力研究,虽有所改善,但尚未彻底解决问题,故作为电力电源,尚未大量推广。

  非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性,缺陷多。因此单纯的非晶硅p/n结中,隧道电流往往占主导地位,使其呈现电阴特性,而无整流特性,也就不能制作太阳电池。为得到好的二极管整流特性,一定要在p层与n层之间加入较厚的本征层i,以扼制其隧道电流,所以非晶硅太阳电池一般具有pin结构。为了提高  
效率和改善稳定性,有时还制作成pin/pin/pin等多层结构式的叠层电池,或是插入一些过渡层。

  非晶硅太阳电池的研究,现在主要着重于改善非晶硅膜本身性质,以减少缺陷密度,精确设计电池结构和控制各层厚度,改善各层之间的界面状态,以求得高效率和高稳定性。

  目前非晶硅单结电池的最高效率已可达到14.6%左右,大量生产的可达到8%~10%左右。叠层电池的最高效率可达到21.0%。

  3.2化合物半导体太阳电池

  在化合物半导体太阳电池中,目前研究应用较多的有CaAs、InP、CuInSe2和CdTe太阳电池。由于化合物半导体或多或少有毒性,容易造成环境污染,因此产量少,常常使用在一些特殊场合。

  1.砷化钾太阳电池

  砷化钾(GaAs)太阳电池可以得到较高的效率,实验室最高效率已达到24%以上,一般航天用的太阳电池效率也在18%~19.5%之间。砷化钾太阳电池目前大多用液相外延方法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备,因此成本高、产量受到限制,降低成本和提高生产效率已成为研究重点。砷化钾太阳电池目前主要用在航天器上。

  现在,硅单晶片制备技术成熟,成本低,因此以硅片为衬底,以MOCVD技术用异质外延方法制造GaAs太阳电池降低GaAs太阳电池成本的很有希望的办法。目前,这种电池的效率也已达到20%以上。但GaAs和Si晶体的晶格常数相关较大,在进行导质外延生长时,外延层晶格失配严重,难以获得优质外延层。 为此常Si衬底上首先生长一层晶格常数与GaAs 相差较少的Ge 晶体作为过渡层,然后再生长GaAs外延层,这种Si/Ge/GaAs结构的异质外延电池正在不断发展中。控制各层厚度,适当变化结构,可使太阳光中各种波长的光子能量都得到有效利用,目前以GaAs为基的多层结构太阳电池的效率已接近40%。

  2.磷化铟太阳电池:磷化铟太阳电池具有特别好的抗辐照性能,因此在航天应用方面受到重视,目前这种电池的效率也已达到17%~19%。

  3.CuInSe2 多晶薄膜太阳电池:这种电池的效率也达到17.6%左右,而且性能稳定,作为多晶薄膜电池是很有发展前途的。但因成分较复杂,制作工艺重复性差,影响了它的发展。

  此外,Cds/CdTe太阳电池的效率也已达到15.8%,但这种电池毒性大,易造成对环境的污染。

  4.太阳电池的应用

  通信卫星通常采用太阳电池方阵给各系统供电,并为蓄电池充电,在星食期间,蓄电池给卫星供电。过去,太阳电池方阵广泛采用硅光电池。目前较先进的硅光电池转换效率可达15%,但这种电池已不能满足大型平台的要求,现在正在发展和使用砷化钾太阳电池。目前单结砷化钾太阳电池转换效率一般达18%,双结砷化钾太阳电池可达21-23%。这种电池不仅效率高,而且耐高温,耐空间辐射。现在正在研制多结砷化钾太阳电池,其转换效率可望达到30%以上。为了再进一步提高太阳电池方阵的效率,现在正研究使用太阳能聚光板,以提高太阳能量,使太阳常数提高到1以上。过去通信卫星蓄电池普遍采用镍镉电池,随着卫星功率不断增加,现正发展使用镍氢电池。镍氢电池比镍镉电池放电深度深,比容量大。

 为使“深空1号”星际探测器成为现实,美国空军研究实验室提出6项关键技术,它们是:

  1.轻型太阳电池方阵。未来的太阳帆板采用复合结构,连接各部分的电缆线将被淘汰,太阳帆板采用塑性铰接。使用薄膜太阳电池,每公斤重量供能116瓦,而现有系统为40-50瓦。多结薄膜光电池使电池太阳方阵在轨道上易于展开。轻型“智能”结构可自动消除振动和热效应。


  2.柔性集成供电和信号系统。通过真空镀膜技术,使薄膜蓄电池组和柔性电池部件与阻挡层光电池连接,形成多层卫星总线。柔性电池组安装在其它子系统周围。

  3.多功能结构。

  4.超高密度电路。

  5.微机电系统。

  6.轻型大光学系统。

  美国1998年10月24日发射了“深空1号”星际探测器。采用集光器型太阳电池进行试验。这种太阳电池方阵实际只有13%的面积被覆以太阳电池片,另外还带有720面菲列尔透镜,利用线性排列的菲列尔透镜把所有阳光都聚集到这些电池上。由于电池少,而透镜又比玻璃罩的电池轻,所以太阳电池方阵的重量减轻了,价格也变便宜了。“深空1号”2.6千瓦的太阳电池方阵有4块帆板,大小为1.1mx1.6m,总重58公斤。为增强辐射防护能力,电池区上的玻璃罩可做得厚一些。太阳电池本身有两种,它们叠在一起,可在0.4μm~0.85μm的宽频谱范围内进行能量转换,预计效率在22%以上。这种太阳电池方阵的缺点是指向稍有一点点误差,能力就会大大降低。

  5.太阳能开发利用的发展趋势

  人类利用太阳能已有几千年的历史, 
但发展一直很缓慢,现代意义上的开发利用只是近半个世纪的事情。1954年,美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池,从此揭开了太阳能开发利用的新篇章,之后,太阳能开发利用技术发展很快,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的开发利用。随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用又被推到新高度。 21世纪初至中叶将是太阳能开发利用技术的重要发展时期。世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。

  光伏技术的发展,近期将以高效晶体硅电池为主,然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳电池的发展。如前所述,晶体硅太阳电池具有转换效率高、性能稳定、商业化程度高等优点,但也存在硅材料紧缺、制造成本高等问题。而薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能电池都具有生产材料廉价、生产成本低等特点,随着研发投入的加大,必将促使其中一、二种获得突破,正如专家断言,只要有一、二种新型电池取得突破,就会使光电池局面得到极大的改善。

  随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展,使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择。20世纪90年代在太阳能制氢方面获得了较大进展, 1990年德国建成一座500KW太阳能制氢示范厂,沙特阿拉伯已建成发电能力为350KW的太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划,投资 4800万美元,在每年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500KW太阳能电站制氢,用光伏—电解系统制得的氢,以金属氢化物的形式贮存起来,保证运输的安全。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展。用氢能取代碳氢化合物能源将是21世纪的一个重要发展趋势。

  随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高,太阳能热利用领域将得到最大限度的扩展,其普及程度将会有较大的提高。随着太阳能热水器性能的改善,太阳能热水器将逐步取代电热水器和燃气热水器。与此同时,光伏技术将逐步由农村、偏远地区以及其它特殊应用场合向城市推进,伴随着更多国家屋顶计划的实施,光伏发电将走进城市的千家万户。

  随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展,空间太阳能电站的设想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约,其发展显示出美好的前景,是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。

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