太阳能光伏发电的现状与发展

太阳能光伏发电的现状与发展 摘要：太阳能光伏发电以其充分的清洁性促进了环境的可持续发展．成为近年来发展迅速的一种可再生能源发电项目。本文总结近5-10年，国内外研究者在太阳能光伏发电领域的研究成果，从技术和经济两方面进行对比分析，并指出其优缺点，最后对太阳能光伏发电给予评价和展望。

前言：传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。人们对新能源大肆追求，最热的领域当属太阳能。太阳照射地球一个小时产生的能源，足够目前世界全年的能源需求。因此世界各国纷纷将太阳能光伏发电产业作为破解人类日益凸显的能源和环境问题的战略产业来予以大力支持，推动全球太阳能光伏发电产业迅猛发展。

进入新世纪以来，太阳能光伏产业已成为当今世界最受关注的新兴产业之一。光伏发电不需要燃料，无气体排放，属于“绿色”产业，具有无污染、安全、长寿命、维护简单、资永不枯竭和资源分布广泛等特点，被认为是21 世纪最重要的新能源，可广泛应用于航天、通讯、能源、农业、办公设施、交通以及民宅等领域。许多国家政府都在加大对该产业的政策支持力度，将太阳能光伏等新能源产业作为引领经济发展的重要举措。中国的光伏产业通过技术引进和创新，产业规模迅速壮大，目前已发展成为全球最大的光伏产业制造基地之一。未来中国光伏并网电站主力市场将主要聚集在中国西部，这里具备承载带动中国光伏产业发展的地域优势。 光伏发电是太阳能光伏发电系统的核心是太阳能电池，又称为光伏电池。光伏发电是利用太阳能和半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今主流的太阳能发电方式。1839年，法国物理学家贝克勒尔发现了光生伏特效应，奠定了人类利用太阳能发电的物理学基础。1954年，美国贝尔实验室的科学家皮尔松首次制成了光电转换效率为6%的单晶硅太阳能电池，标志着太阳能电池进入实用阶段。我国从1958年开始研究太阳能电池，并于1971年首次将太阳能电池应用在我国发射的第二颗人造卫星上，1973年我国开始将太阳能电池用于地面装置。 太阳能电池，是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，它的原料是硅晶。所以虽然太阳能是绿色能源, 但太阳能上游的组件和硅原料却是一个高污染行业。产品的制造过程中，会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。特别是四氯化硅，如果不做处理，就会溶解变为盐酸等物质，将污染土壤。目前普遍采用的是碳还原法，生成的物质既有硅，同时还伴随着大量的二氧化碳。 在耗费大量电能之外，二氧化碳的生成直接带来了温室气体的排放，这与目前国家所提倡的低碳经济发展宗旨明显相悖。根据我们测算，每生产 1kg 工业硅需要 2kg 的碳，相应生成2 kg 的二氧化碳。以前用西门子法生产多晶硅，副产物四氯化硅这一剧毒物质没有得到有效处理，要么生成后被就地掩埋，要么卖给下游企业作为生产原料。 近年已有重大突破，目前较先进的单晶硅太阳电池生产工艺有美国斯坦福大学的扩散点接触工艺，喷气推进研究所的钝化发射区工艺, 橡树岭实验室的激光退火扩散炉钝化工艺；旧本的计算机模拟优选工艺, 澳大利亚的钝化发射区背电池工艺等。非晶太阳电池最新技术主要集中在组件的生产。在生产技术方面主要实施了绒面氧化锡正面电极，高反射率的背面金属化，组件的全激光划线圈形以及低成本的喷徐密封技术等。另外，采用箔本征层，多结器件结构等使a 一si 备件效率衰减低于1%。通过采用异质结和凸凹透明导膜基板控制技术，使电池效率大大提高。研究认为，采用多结组件，可提高电池效率。据预测, 利用各种合金制造的双结组件效率可达到17 % ，三结组件可达到24 %。多晶箔膜太阳电池是近年研究最多的一种新型高效化合物半导体太阳电池。主要有栖锢铜(CIS )、啼化福(CdTe )、砷化稼(GaA)、磷化锢(InS) 等。CIS 太阳电池是仅次于非晶硅的新型电池, 其性能稳定, 吸收系数大,, 其效率比非晶太阳电池高。近年对CIS 与非晶硅配对的两种子组件研究, 已从技术研究转向大面积工艺。目前, 以CIS 为基础的多晶信膜户一, 异质结太阳电池效率已达到14.1%。美国A R (为太阳能公司通过改善器件的蓝响应, 改进电池设计, 用一个箱层ds 层和一个宽带隙ZO窗层取代2.4e V 带隙的Cd 层, 使效率提高。 当前, CIS 太阳电池的主要课题是改进晶格匹配和提高电池效率, 发展多元化合物光伏材料及盈层多结太阳电池, 同时解决大规模生产的有关间题。啼化福也是一种有前途的箔膜太阳电池材料, 美国光子公司已成功地用喷射法制造了高效太阳电池和效率为7.3% 的组件。同时也制造了四方底板Cd Te组件样品。 A 耐成和BP so la r 公司采用电沉积法, 并采用新颖的n 一„一户电池设计解决了电极稳定性间题, 并获得了高效率。砷化稼是目前唯一能以单晶箔膜太阳电池形式加以利用的材料。美国有公司已研制出A 16 A s / G a A : 异质结电池, 取n/ P 和户/n 结构时, 效率超过27 % , 改进金属—有机化学气相沉积条件的控制, 改进电他格网规定和电缘钝化, 预计效率可达到30 %。在Ga A 基片上施以为陌屹v 。技术制成的单结In G a A : 聚光太阳电池效率大大提升, 试验证明, 提高In Ga A: 电流集流量可大大提高效率, 这种技术也可用在多结太阳电池上。磷化铜太阳电池具有效率高耐辐射性强的特点, 可用于航天飞机。不少科研机构在研究结的制造和电池的加工方法。美国SP „rs 公司研制的InP 太阳电池效率已达到19.5 铸, 太阳能研究所用半导体工艺制造的上部为In 下层为In Ga A的多层申联电池效率高达31.8 % , 可聚集50 倍太阳光。 我国在光伏发电方面的技术基本上被国外垄断，在光热发电方面的研究进展缓慢，同时世界上只有美国、日本、德国等只有不到10个国家掌握太阳能电池原料硅晶的技术，而且由于硅材料严重短缺的制约，我国95％的高纯多晶硅材料依赖进口，因此太阳能电池价格高昂，使太阳能发电价格很难有所下降。另外，太阳能电池中组件成本占整套系统的比例达到了70％。要降低太阳能发电的成本，就得不断提高光电转换率，而目前的光电转换率多在15％左右，短时间很难大有突破。所以要使太阳能发电得到大规模推广,科学家必须降低太阳能电池材料的成本,或找到更廉价的太阳能电池新材料,或提高光电转化效率,当然方向是多元的。可见制约太阳能光伏产业发展的主要原因是太阳能发电的高额成本，而高成本主要来自太阳能组件的生产——规模化生产是降低成本的主要途径。而在规模化生产形成过程中，促进技术进步和政府的法规政策支持将起到举足轻重的作用。要达到这样的目标，政府采用完整、有效的激励政策是关键。政府政策拉动产业发展、推动技术进步，依赖技术进步和规模生产降低生产成本，通过提高质量和降低价格赢得更大市场，这样形成良性循环。 这几年国内企业开始大量引进国外通用的改良西门子法，开始对四氯化硅进行工业处理。一般是采用热氢化技术和氯氢化技术生成三氯氢硅，进行循环利用再次生产多晶硅。但无论是热氢化还是氯氢化，四氯化硅单次循环生成三氯氢硅的转化率只能达到 20%—30%之间。按照目前的生产水平，制成一吨的多晶硅要伴随 10 至 15 吨的四氯化硅副产物的生成，副产物要比主要产品多的多。有一种说法可以进行多次循环， 最终达到 100%的处理效果。 单次循环过程要耗费 10 度电，这占整个多晶硅过程能耗的近 1/10。 并且在最近十年的时间，成功地研究出光伏电站的并网技术，在北京建立了50KW的示范站，并实现了光伏发电和建筑房顶一体化的双功效屋顶。该示范电站集中展示了国内现在多种太阳能光伏发电技术，如：半透明和不透明的多结非晶硅薄膜光伏电池、光电转换效率高的硒铟铜(CIS)薄膜光伏电池，以及国际上最新开发出的与建筑材料相结合的建筑一体化光伏电池组件。2006年2月，山东力诺光伏高科技有限公司已建成江北最大的30KW太阳能光伏发电站，并成功接人国家电网，年发电量为3万千瓦时。按照电站25年运营期计算，累计发电量将达到75万千瓦时。示范站和实际的并网成功，是我国光伏产业与建筑结合的良好开端。尤其是力诺光伏发电并网这个项目，它的意义不在于建成的发电站本身的有多大发电量，关键是将来可为其他电站、大型企业提供太阳能发电的平台、为太阳能发电产业提供技术支持。 光伏发电在研究上取得的巨大成功也加速了各国在日常生活生产中的推广。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲。“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦，太阳能光热发电装机容量100万千瓦，分布式光伏发电系统约1000万千瓦，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。 世界光伏产业发展的突出特点是：起步晚，发展快。其中光伏发电发展最快。2000年以来，世界并网光伏发电年增长率达60%，超过了光伏应用的50%。2007年太阳电池/组件的年增长率达到56.2%，世界太阳电池产量达到了4000MWp(兆瓦)，其中亚洲太阳电池产量约占世界的65%。 2008年世界并网光伏发电份额超过85%以上。全球太阳能安装总量已累计达15GW，其中，按地区排名西班牙名列首位，德国第二。2008年， 西班牙新装量为2.5GW，约占2008年新增安