21世紀的綠色能源—太陽電池

1.引言

　　在大多數(shù)人的心目中，電力是一種清潔的能源，當使用電燈、電視、電冰箱、空調等電器時，也許我們并沒有意識到電力對環(huán)境造成的破壞，實際燃煤發(fā)電對環(huán)境的破壞是很大的。我國現(xiàn)在是世界上第二號溫室氣體的排放大國，而常規(guī)電力生產使用煤、石油、天然氣發(fā)電，已經成為我國二氧化碳等溫室氣體的主要排放源之一，而且燃煤還大量排放二氧化硫等有害氣體。當我們使用常規(guī)電力時，我們其實是間接的污染者，因為我們對電力的需求才產生了供給，從而間接對環(huán)境造成了污染。同時我們又是污染的受害者。
　　
　　21世紀，人類將面臨實現(xiàn)經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經濟己成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出。能源短缺使世界上大部分國家能源供應不足，不能滿足其經濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到 2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。

　　由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。化石能源的利用產生大量的溫室氣體而導致溫室效應；引起全球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，有關國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。

　　太陽能具有儲量的“無限性”太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023KW，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。利用的清潔性太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產生任何污染。利用的經濟性可以從兩個方面看太陽能利用的經濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源。


2.太陽能電池
　　
　　50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世，揭開了光電技術的序幕，也揭開了人類利用太陽能的新篇章。自60年代太陽電池進入空間、70年代進入地面應用以來，太陽能光電技術發(fā)展迅猛。1990年以來，全球太陽能光伏發(fā)電裝置的市場銷售量以年平均16％的幅度遞增，目前總發(fā)電能力已達800MW，相當于20 萬個美國家庭的年耗電量。1997年全球太陽電池的銷售量增長了40％，已成為全球發(fā)展最快的能源。

2.1影響光電技術應用的問題
　　
　　當前影響光電池大規(guī)模應用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發(fā)電技術中，太陽能光電仍是花費最高的一種形式，因此，發(fā)展陽光發(fā)電技術的主要目標是通過改進現(xiàn)有的制造工藝，設計新的電池結構，開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本，提高光電轉換效率。近年來，光伏工業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，發(fā)展的特點是：產量增加，轉換效率提高，成本降低，應用領域不斷擴大。1998年，世界太陽電池年產量已超過150MW，是1994年產量的兩倍還多。單晶硅太陽電池的平均效率為15％，實驗室效率已達24.4％；多晶硅太陽電池效率也達14％，最大效率為19.8％；非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率，單結6～9％，實驗室最高效率為12％，多結電池為8～10%，實驗室最高效率為11.83%?！?

　　最近，瑞士聯(lián)邦工學院M·格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池，其光電轉換率高達33％，并成功地采用了一種無定形有機材料代替電解液，從而使它的成本比一塊差不多大的玻璃貴不了多少，使用起來也更加簡便?？梢灶A料，隨著技術的進步和市場的拓展，光電池成本將會大幅下降?？梢缘贸?，在2010年以后，由于太陽能電池成本的下降，可望使光伏技術進入大規(guī)模發(fā)展時期。

2.2光伏新技術的開發(fā)
　　
　　近年來，圍繞光電池材料、轉換效率和穩(wěn)定性等問題，光伏技術發(fā)展迅速。晶體硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。限制單晶硅太陽電池轉換效率的主要技術障礙有：電池表面柵線遮光影響；表面光反射損失；光傳導損失；內部復合損失；表面復合損失。

　　針對這些問題，近年來開發(fā)了許多新技術，主要有：單雙層減反射膜；激光刻槽埋藏柵線技術；絨面技術；背點接觸電極克服表面柵線遮光問題；高效背反射器技術；光吸收技術。隨著這些新技術的應用，發(fā)明了不少新的電池種類，極大地提高了太陽能電池的轉換效率，如采用激光刻槽埋藏柵線等新技術將高純化晶體硅太陽能電池的轉換效率提高到24.4％。
　　
　　光伏技術發(fā)展的另一特點是薄膜太陽能電池研究取得重大進展，各種新型太陽能電池的不斷涌現(xiàn)。晶體硅太陽能電池轉換效率雖高，但其成本難以大幅度下降，而薄膜太陽能電池在降低制造成本上有著非常廣闊的誘人前景。早在幾年前，利用多層薄膜結構的低質硅材料已使太陽能電池成本驟降80％，有望1O年內使該項技術商業(yè)化。
　　
　　高效新型太陽能電池技術的發(fā)展是降低光電池成本的另一條切實可行的途徑，近年來，一些新型高效電池不斷問世：
　　
　　硒化銅鋼(CUINSE2，CIS)薄膜太陽能電池：1974年CIS電池在美國問世，1993年美國國家可再生能源實驗室使它的本征轉換效率達 16.7％，由于CIS太陽能電池具有成本低(膜厚只有單晶硅的1／100)、可通過增大禁帶寬度提高轉換效率(理論值為單晶30％，多晶24％)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點，各國都在爭相研究開發(fā)，并積極探索大面積應用的批量生產技術。
　　
　　硅-硅串聯(lián)結構太陽能電池：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉換效率的良好途徑。它具有成本低、耗能少、工序少、價廉高效等優(yōu)點。
　　
　　用化學束外延(CBE)技術生產的多結III-V族化合物太陽能電池：III-V族化合物(如GAAS，INP)具有較高的光電轉換效率，這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉換效率提高到35％以上。而這種多層結構很容易用CBE法制作，并能降低成本獲得超高效率。
　　
　　大面積光伏納米電池：1991年瑞士M．GRATZEL博士領導的研究小組，用納米TIO2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。計算表明，可制造出轉換效率至少為12％的低成本電池。這種電池為大面積應用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。


3.太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀

　　太陽電池的進展情況可以從其性能指標、產量、價格等方面來評價。太陽電池的性能指標有開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉換效率等多頂，其中最主要的指標是光電轉換效率，即將光能轉變?yōu)殡娔艿男省?
　　
　　太陽電池主要可以分為硅太陽電池和化合物半導體太陽電池兩大類。下面分別加以敘述。

3.1硅太陽電池
　　
　　硅是地球上第二位最豐富的元素，而且無毒性，用它制作的太陽電池效率也很高，因此它是最適于制作太陽電池的半導體材料。1997年，世界上太陽電池年產量約為120MW，其中99%以上為硅太陽電池。在硅太陽電池中又可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池三類。
　　
　　1.單晶硅和多晶硅太陽電池

　　單晶硅和多晶硅太陽電池是對P型（或n型）硅基片經過磷（或硼）擴散做成P/N結而制得的。單晶硅太陽電池效率高、壽命長、性能優(yōu)良，但成本高，而且限于單晶的尺寸，單片電池面積難以做得很大，目前比較大的為直徑為10～20cm的圓片．多晶硅電池是用澆鑄的多晶硅錠切片制作而成，成本比單晶硅電池低，單片電池也可以做得比較大（例如30cm×30cm的方片），但由于晶界復合等因素的存在，效率比單晶硅電池低。
　　
　　現(xiàn)在，單晶硅和多晶硅電池的研究工作主要集中在以下幾個方面：
　　
　　(1)用埋層電極、表面鈍化、密柵工藝優(yōu)化背電場及接觸電極等來減少光生載流子的復合損失，提高載流子的收集效率，從而提高太陽電池的效率。澳大利亞親南威爾士大學格林實驗室采用了這些方法，已經創(chuàng)造了目前硅太陽電池世界公認的AM1.5條件下24%的最高效率。
　　
　　(2)用優(yōu)華抗射膜、凹凸表面、高反向背電極等方式減少光的反射及透射損失，以提高太陽電池效率。
　　
　　(3)以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，估化正背電極的銀漿、鋁漿的絲網(wǎng)印制工藝，改進硅片的切、磨、拋光等工藝，千方百計降低成本，提高太陽電池效率。目前最大硅錠重量已達270余公斤。
　　
　　(4)薄膜多晶硅電池還在大力研究和開發(fā)。計算表明，若能在金屬、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制備厚度為30～50μm的大面積的優(yōu)質多晶硅薄膜，則太陽電池制作工藝可進一步簡化，成本可大幅度降低。因此多晶硅薄膜太陽電池正成為研究熱點。
　　
　　現(xiàn)在單晶及多晶硅太陽電池的世界年產量已達到120MW左右。硅太陽電池的最高效率可達18%～24%。航空航天用的高質量太陽電池在AMO條件下的效率約為13.5%～18%,而地面用的大量生產的太陽電池效率在AM1條件下大多在11%～18%左右。
　　
　　2.非晶硅太陽電池

　　由于非晶硅對太陽光的吸收系數(shù)大，因而非昌硅太陽電池可以做得很薄，通常硅膜厚度僅為1-2μm，是單晶硅或多晶硅電池厚度（0.5mm左右）的1/500，所以制作非晶硅電池資源消耗少。
　　
　　非晶硅太陽電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷（SiH4）氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低（200℃左右），因此制作時能量消耗少，成本比較低，且這種方法適于大規(guī)模生產，單片電池面積可以做得很大（例如0.5mX1.0m），整齊美觀。非晶硅電池的另一特點是對藍光響應好，在一般地熒光燈下也能工作，因此被廣泛用作電子計算器和手掌電腦的電源，估計全世界使用量達到每月1千萬片左右。以上這些優(yōu)點，使非晶硅太陽電池在近10余年來得到大踏步的發(fā)展，1997年全世界的產量估計已達到30MW以上。
　　
　　非晶硅由于其內部結構的不穩(wěn)定性和大量氫原子的存，具有光疲勞效應（Staebler Wronski效應），故非晶硅太陽電池經過長期穩(wěn)定性存在問題。近10年來經努力研究，雖有所改善，但尚未徹底解決問題，故作為電力電源，尚未大量推廣。
　　　　
　　非晶硅中由于原子排列缺少結晶硅中的規(guī)則性，缺陷多。因此單純的非晶硅p/n結中，隧道電流往往占主導地位，使其呈現(xiàn)電陰特性，而無整流特性，也就不能制作太陽電池。為得到好的二極管整流特性，一定要在p層與n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以非晶硅太陽電池一般具有pin結構。為了提高效率和改善穩(wěn)定性，有時還制作成pin/pin/pin等多層結構式的疊層電池，或是插入一些過渡層。
　　
　　非晶硅太陽電池的研究，現(xiàn)在主要著重于改善非晶硅膜本身性質，以減少缺陷密度，精確設計電池結構和控制各層厚度，改善各層之間的界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。
　　
　　目前非晶硅單結電池的最高效率已可達到14.6%左右，大量生產的可達到8%～10%左右。疊層電池的最高效率可達到21.0%。

3.2化合物半導體太陽電池
　　
　　在化合物半導體太陽電池中，目前研究應用較多的有CaAs、InP、CuInSe2和CdTe太陽電池。由于化合物半導體或多或少有毒性，容易造成環(huán)境污染，因此產量少，常常使用在一些特殊場合。
　　
　　1.砷化鉀太陽電池

　　砷化鉀（GaAs）太陽電池可以得到較高的效率，實驗室最高效率已達到24%以上，一般航天用的太陽電池效率也在18%～19.5%之間。砷化鉀太陽電池目前大多用液相外延方法或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術制備，因此成本高、產量受到限制，降低成本和提高生產效率已成為研究重點。砷化鉀太陽電池目前主要用在航天器上。
　　
　　現(xiàn)在，硅單晶片制備技術成熟，成本低，因此以硅片為襯底，以MOCVD技術用異質外延方法制造GaAs太陽電池降低GaAs太陽電池成本的很有希望的辦法。目前，這種電池的效率也已達到20%以上。但GaAs和Si晶體的晶格常數(shù)相關較大，在進行導質外延生長時，外延層晶格失配嚴重，難以獲得優(yōu)質外延層。 為此常Si襯底上首先生長一層晶格常數(shù)與GaAs 相差較少的Ge 晶體作為過渡層，然后再生長GaAs外延層，這種Si/Ge/GaAs結構的異質外延電池正在不斷發(fā)展中?？刂聘鲗雍穸?，適當變化結構，可使太陽光中各種波長的光子能量都得到有效利用，目前以GaAs為基的多層結構太陽電池的效率已接近40%。
　　
　　2.磷化銦太陽電池:磷化銦太陽電池具有特別好的抗輻照性能，因此在航天應用方面受到重視，目前這種電池的效率也已達到17%～19%。
　　
　　3.CuInSe2 多晶薄膜太陽電池:這種電池的效率也達到17.6%左右，而且性能穩(wěn)定，作為多晶薄膜電池是很有發(fā)展前途的。但因成分較復雜，制作工藝重復性差，影響了它的發(fā)展。
　　
　　此外，Cds/CdTe太陽電池的效率也已達到15.8%，但這種電池毒性大，易造成對環(huán)境的污染。


4.太陽電池的應用

　　通信衛(wèi)星通常采用太陽電池方陣給各系統(tǒng)供電，并為蓄電池充電，在星食期間，蓄電池給衛(wèi)星供電。過去，太陽電池方陣廣泛采用硅光電池。目前較先進的硅光電池轉換效率可達15％，但這種電池已不能滿足大型平臺的要求，現(xiàn)在正在發(fā)展和使用砷化鉀太陽電池。目前單結砷化鉀太陽電池轉換效率一般達18％，雙結砷化鉀太陽電池可達21－23％。這種電池不僅效率高，而且耐高溫，耐空間輻射?，F(xiàn)在正在研制多結砷化鉀太陽電池，其轉換效率可望達到30％以上。為了再進一步提高太陽電池方陣的效率，現(xiàn)在正研究使用太陽能聚光板，以提高太陽能量，使太陽常數(shù)提高到1以上。過去通信衛(wèi)星蓄電池普遍采用鎳鎘電池，隨著衛(wèi)星功率不斷增加，現(xiàn)正發(fā)展使用鎳氫電池。鎳氫電池比鎳鎘電池放電深度深，比容量大。

　　為使“深空1號”星際探測器成為現(xiàn)實，美國空軍研究實驗室提出6項關鍵技術，它們是：

　　1.輕型太陽電池方陣。未來的太陽帆板采用復合結構，連接各部分的電纜線將被淘汰，太陽帆板采用塑性鉸接。使用薄膜太陽電池，每公斤重量供能116瓦，而現(xiàn)有系統(tǒng)為40－50瓦。多結薄膜光電池使電池太陽方陣在軌道上易于展開。輕型“智能”結構可自動消除振動和熱效應。

　　2.柔性集成供電和信號系統(tǒng)。通過真空鍍膜技術，使薄膜蓄電池組和柔性電池部件與阻擋層光電池連接，形成多層衛(wèi)星總線。柔性電池組安裝在其它子系統(tǒng)周圍。

　　3.多功能結構。

　　4.超高密度電路。

　　5.微機電系統(tǒng)。

　　6.輕型大光學系統(tǒng)。

　　美國1998年10月24日發(fā)射了“深空1號”星際探測器。采用集光器型太陽電池進行試驗。這種太陽電池方陣實際只有13％的面積被覆以太陽電池片，另外還帶有720面菲列爾透鏡，利用線性排列的菲列爾透鏡把所有陽光都聚集到這些電池上。由于電池少，而透鏡又比玻璃罩的電池輕，所以太陽電池方陣的重量減輕了，價格也變便宜了。“深空1號”2.6千瓦的太陽電池方陣有4塊帆板，大小為1.1mx1.6m，總重58公斤。為增強輻射防護能力，電池區(qū)上的玻璃罩可做得厚一些。太陽電池本身有兩種，它們疊在一起，可在0.4μm～0.85μm的寬頻譜范圍內進行能量轉換，預計效率在22％以上。這種太陽電池方陣的缺點是指向稍有一點點誤差，能力就會大大降低。


5.太陽能開發(fā)利用的發(fā)展趨勢

　　人類利用太陽能已有幾千年的歷史，但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個世紀的事情。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池，從此揭開了太陽能開發(fā)利用的新篇章，之后，太陽能開發(fā)利用技術發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力地促進了太陽能的開發(fā)利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內的實施，太陽能的開發(fā)利用又被推到新高度。 21世紀初至中葉將是太陽能開發(fā)利用技術的重要發(fā)展時期。世界范圍內的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。
　　
　　光伏技術的發(fā)展，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各種新型太陽電池的發(fā)展。如前所述，晶體硅太陽電池具有轉換效率高、性能穩(wěn)定、商業(yè)化程度高等優(yōu)點，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問題。而薄膜太陽能電池以及各種新硅太陽能電池都具有生產材料廉價、生產成本低等特點，隨著研發(fā)投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專家斷言，只要有一、二種新型電池取得突破，就會使光電池局面得到極大的改善。
　　
　　隨著光電化學及光伏技術和各種半導體電極試驗的發(fā)展，使得太陽能制氫成為氫能產業(yè)的最佳選擇。20世紀90年代在太陽能制氫方面獲得了較大進展， 1990年德國建成一座500KW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350KW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資 4800萬美元，在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500KW太陽能電站制氫，用光伏—電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來，保證運輸?shù)陌踩?。氫能具有重量輕、熱值高、爆發(fā)力強、品質純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點。隨著太陽能制氫技術的發(fā)展。用氫能取代碳氫化合物能源將是21世紀的一個重要發(fā)展趨勢。
　　
　　隨著世界范圍內的環(huán)境意識和節(jié)能意識的普遍提高，太陽能熱利用領域將得到最大限度的擴展，其普及程度將會有較大的提高。隨著太陽能熱水器性能的改善，太陽能熱水器將逐步取代電熱水器和燃氣熱水器。與此同時，光伏技術將逐步由農村、偏遠地區(qū)以及其它特殊應用場合向城市推進，伴隨著更多國家屋頂計劃的實施，光伏發(fā)電將走進城市的千家萬戶。
　　
　　隨著人類航天技術以及微波輸電技術的進一步發(fā)展，空間太陽能電站的設想可望得到實現(xiàn)。由于空間太陽能電站不受天氣、氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出美好的前景，是人類大規(guī)模利用太陽能的另一條有效途徑。


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