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1、太阳能光电技术及其产业 太阳能光电技术及其产业 2.2.12.2.1 太阳能光电已成为全球发展最快的能源 太阳能光电已成为全球发展最快的能源 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。世界观察研究所在其最近一期研究报告中指出,利用太阳能获取电力已成为全球发展最 快的能量补给方式。报告说,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太阳能。 2.2.22.2.
2、2 提高转换效率、降低成本是光电技术发展的关键 提高转换效率、降低成本是光电技术发展的关键 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。目前,世界太阳电池年产量已超过 150MW,是 1944 年产量的两倍还多, 如表 2 所示。单晶硅太阳电池的平均效率为 15%,澳大利亚新南威尔士大学的实验室效率
3、已 达 24.4%;多晶硅太阳电池效率也达 14%,实验室最大效率为 19.8%;非晶硅太阳电池的稳定效率,单结 69%,实验室最高效率为12%,多结电池为 810%,实验室最高效率为11.83 %.。由于 生产规模的扩大,生产工艺的改进,晶体硅太阳电池组件的制造成本已降至 33.5 美元/W p,售价也相应降到 45 美元/Wp;非晶硅太阳能电池单结售价34 美元,多结售价为45 美元/Wp。 与十年前相比,太阳光电池价格普遍降低 20%。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
4、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,光电池成本及 售价将会大幅下降。表 4 为地面用光伏组件成本/价格的预测结果,表 5为美国 国家可再生能源实验室对太阳电池成本与市场的关系所做的估计。 对比表 4、表 5,可以看出,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。 表 2世界光电组件的产量及年增长率 年份1989199019911992199319941995199619971998年产量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612表 3商品化光伏直流组件效率预测(%) 电池技术19901
5、9952000 2010 单晶硅12151822 浇铸多晶硅11141620 带状硅12141721 聚光器(光电池)17202530 非晶硅(包括叠层电池)56791014 CuInSe-2-8101214 CdTe-8101214 低成本基片硅薄膜-8101215 球粒电池-101214表 4地面用太阳能电池组件成本/价格预测(美元) 电池种类年份 1990199520002010 单晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00 多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00 聚光电池3.00/5.002.00/3.301.2
6、0/2.001.00/1.67 非晶硅3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25 薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25 CIS 2.00/3.331.20/2.000.75/1.25 CdTe 1.50/2.501.20/2.000.75/1.25 表 5太阳能电池成本与市场的关系 太阳能电池成本(美元/峰瓦)可进入的市场 6 少量应用 25 通信、边远地区 12城市屋顶系统1 大规模发电 2 22 23 3光伏新技术发展日新月异 光伏新技术发展日新月异 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,日新月异。晶体 硅太
7、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,如澳大利亚新南威尔士大学的格林教授采用 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%,他在 1994 年5 月表示能用纯度低 100 倍的硅制
8、成高效光电池,约在 10 年后采用该类电池的太阳能发电成 本可降至58 美分/kWh.15.。 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和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,澳大利亚科学家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%,为此, 澳大利亚政府投资6400 万美元支持这项研究,并希望 10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。 专家推断,只要有一二种取得
9、突破,就会使光电池局面得到极大的改观。 (1)硒化铜铟(CuInSe-2,CIS)薄膜太阳能电池.:1974 年 CIS 电池在美国问世,1 993 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。 (2)硅-硅串联结构太阳能电池18: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。研究表明,把 1.3ev
10、 和 1.7ev 光 学禁带度组合起来的薄膜非晶硅与多晶硅串联电池转换效率最高。 它具有成本低、 耗能少、 工序少、价廉高效等优点(3)用化学束外延(CBE)技术生产的多结- 族化合物太阳能电池19:- 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,并能以低于 1美元/Wp的成本获得超高效率。 (4)大面积光伏纳米电池:1991 年瑞士 M.Grtzel 博士领导的研究小组 ,用纳米 TiO-2 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,
11、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。 2.2.42.2.4 各国的光伏计划雄心勃勃 各国的光伏计划雄心勃勃 随着太阳能光电技术的日趋成熟和商业化发展,太阳能光电技术的推广应用有了长足的进展 。目前,已建成多座兆瓦级光伏电站,最大的是位于美国加州的光伏电站,容量为 6.5MWp,现正在希腊克里特岛建造的一座阳光电站,容量为 50MW.p,估计 2003 年可建成供电,总投资1775 万美元新能源,1997,19(2):23。 而在美国准备建造的另一座电站规模将达到 100MW.p,已与太阳能热发电站容量相匹敌。除
12、此之外,一些国家推出的屋顶 计划将更引人注目,显示了阳光发电的广阔应用前景和强大的生命力。1990 年,德国政府率先推出的“千顶计划”,至 1997 年已完成近万套屋顶光伏系统,每套容量 15kW.p,累计安装量已达 33MW.p,远远地超出了当初制定的计划规模。日本政府从 1994 年开始实施“朝日七年计划”,计划到2000 年安装 16.2 万套屋顶系统,总容量达 185MW.p,1997 年又再次宣布实施“七万屋顶计划”,每套容量扩大到 4kW.p,总容量为280MW.p。 印度于 1997年 12 月宣布在2002年前推广 150万套太阳能屋顶系统。意大利 1998 年开始实施“全国太
13、阳能屋顶计划”,总投入 5500 亿里拉,总容量达 50MW.p。而最雄心勃勃的屋顶计划当属1997 年 6 月美国总统克林顿宣布实施的美国“百万屋顶计划”,计划从 1997 年开始至 2010 年,将在百万个屋顶上,安装总容量达到3025MW.p的光伏系统,并使发电成本降到 6美分/kWh。 上述各国屋顶计划的实施,将有力地促进太阳能光电的应用普及,使太阳能光电进入千家万户。 与此相呼应,当前世界上实力雄厚的 10 家光伏公司,虽然目前的生产能力都不大,但都有雄心勃勃的扩展计划。 各公司年产目标为:Kyocera 公司和夏普公司 60MW,BP 太阳能公司 50MW ,西门子公司和 Solarex 公 司 30MW , 壳 牌 /Pilington 公 司 和 ASE 公 司25MW,Photo wott 公司, AP 公司和三洋/Solec 公司 15MW。据美国Spire 公司预测,2003 年世界光电池的生产能力将达 到 350MW,而2010 年的光电池组件交易量将达到 7004000MW/年 。 光伏技术发展的趋势,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 种新型太阳能光电池的发展。应用上将从屋顶系统突破,逐步过渡到与建筑一体化的大型并网光伏电站的发展。
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