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今日主题： 太阳能光电转换 第2章 太阳能 引言 n早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel） 就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间 产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效 应”，简称“光伏效应”。 n1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔 实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶 硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的 实用光伏发电技术。 2.3 太阳能光电转换 n太阳能的光电转换：是指太阳的辐射能光子通 过半导体物质转变为电能的过程，称为光伏效 应。 n太阳能电池：利用这种效应制成的一种发电器 件，也叫光伏电池。 2.3.1 太阳能电池 太阳能电池片太阳能电池片 一、太阳电池工作原理 n原理光生伏特效应 实质光能转换成电能 光生伏特效应光生伏特效应 太阳光照在半导体PN 结上，形成新的空穴- 电子对，在PN结电场 的作用下，空穴由N区 流向P区，电子由P区 流向N区，接通电路后 就形成电流。这就是光 生伏特效应太阳能电池 的工作原理。 一、太阳电池工作原理 由于半导体不是电的良 导体，电子在通过PN结 后如果在半导体中流动 ，电阻非常大，损耗也 就非常大。但如果在上 层全部涂上金属，阳光 就不能通过，电流就不 能产生，因此一般用金 属网格覆盖PN结，以增 加入射光的面积。 N区 P区 一、太阳电池工作原理 另外，硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光， 不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反 射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5甚至更 小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是 人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用 ，形成有比较大输出功率的太阳能光电板。 多晶硅 晶锭 晶片 太阳能电池 太阳能电池板 应用 二、太阳能电池分类 太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：晶硅太阳 能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、新型太阳能电 池等。 二、太阳能电池分类 1.晶硅太阳能电池 晶硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太 阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 （1）单晶硅太阳能电池 优点：光电转换效率19%左右，最高的达到24，是目 前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的技术， 也最为成熟。制作工艺一般采用钢化玻璃以及防水树脂 进行封装，坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可 达25年。 缺点：制作成本很大，还不能被大量普遍地使用。 应用：构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和 地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。 二、太阳能电池分类 （2）多晶硅太阳能电池 优点：制作工艺与单晶硅太阳电池差不多。制作成本 比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，总 的生产成本较低，得到大量发展。 缺点：光电转换效率约17左右，较低。使用寿命也 要比单晶硅太阳能电池短。 多晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材 料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳能 电池生产总成本中己超二分之一。 二、太阳能电池分类 （3）非晶硅薄膜太阳能电池 优点：制作方法与单晶硅和多晶硅太阳电池完全不 同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低 ，成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产。 在弱光条件也能发电，有极大的潜力。 缺点：光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10 左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率 衰减，直接影响了它的实际应用。 如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题， 那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发 展产品之一。 二、太阳能电池分类 2多元化合物薄膜太阳能电池 材料：无机盐，其主要包括砷化镓、硫化镉、碲化镉 及铜铟硒薄膜电池等。 砷化镓（GaAs）化合物电池：转换效率可达28%。 GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的 吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效 单结电池。 但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程 度上限制了用GaAs电池的普及。 二、太阳能电池分类 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池：效率比非晶硅薄膜 太阳能电池效率高，成本比单晶硅电池低，并且也易 于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重 的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替 代产品。 CIS 铜铟硒薄膜电池：适合光电转换，不存在光致 衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、 性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能 电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由 于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发 展又必然受到限制。 二、太阳能电池分类 3新型太阳能电池 以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电 池制作的研究方向。 原理：利用聚合物的不同氧化还原电势，在导电材 料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机PN结 的单向导电装置。 由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛， 成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价 电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的 研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都 不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具 有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 CIS：铜铟硒 CIGS：铜铟镓硒 CdTe：碲化镉 GaAs：砷化镓 各种太阳能电池特性对比各种太阳能电池特性对比 太阳能光电转换两大核心技术，一是半导体转换，包括单晶 硅、多晶硅、非晶硅三种，他们占了94%的市场；二是多种合 金薄膜涂层技术，包括CIGS（铜铟硒化镓），碲化镉（CdTe） 半导体晶体，占6%市场份额。实验室转化效率上，单晶硅 24.5%，多晶硅20%，CIGS（铜铟硒化镓）19%，碲化镉（ CdTe）16%，非晶硅13%。 两类电池主要差异：晶体硅电池光转换率高（15-17%），但 是生产成本高，原料不易取得。 合金薄膜电池生产成本低，但光转换率低下（13-14%）。 太阳能光伏发电系统成本中，电池片成本约占总成本70。 三、太阳电池应用 应用 通信卫星供电、太阳能庭院灯、太阳能用户 发电系统、光伏水泵、通信电源、石油输油 管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡 化系统 、城镇中路标、高速公路路标； 发达国家光伏发电并入城市用电系统； 太阳电池与建筑一体化 。 人造卫星 光伏航标灯 民用：如手表、计算器等，利用太 阳能来充电镍镉电池。 太阳电池与建筑 汽车、交通运输等 四、太阳电池发展情况 n国际：日本、欧洲、美国、澳大利亚等发达 国家，十分重视太阳电池发电在未来能源供 应中的重要作用，制定光伏产业发展的长期 规划。 n国内：起步晚，发展快，规模小，技术低， 成本高，市场发展迟缓。 四、太阳电池发展情况 太阳电池产业瓶颈 n价格昂贵 比常规能源价格高出1020倍 n转换效率低 标准太阳电池的理论效率极限为33% 太阳电池的转换效率一般可达到10%15% 四、太阳电池发展情况 2.3.2光伏水泵系统 一、光伏水泵系统的基本原理 “光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”。 基本原理是：利用太阳电池将太阳能直接转换 为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、 江、河、湖、塘等水源提水。 优点： 无噪声、 全自动（日出而 作，日落而停） 、高可靠、供水 量与蒸发量适配 性好（“天大旱， 它大干”）等 二、光伏水泵系统的组成 光伏水泵系统大致由四部分组成：光伏阵列， 控制器、电机和水泵。 二、光伏水泵系统的组成 光伏阵列 光伏阵列由众多的太阳 电池串、并联构成，其作用 是直接把太阳能转换为直流 形式的电能。 目前用于光伏水泵系统 的太阳电池多为硅太阳电池 ，其中包括单晶硅、多晶硅 及非晶硅太阳电池。 二、光伏水泵系统的组成 控制器 光伏水泵的驱动电机有时是直 流电机，有时是交流电机，要使光 伏泵系统工作在较理想的工况，而 且适于任何日照，都要发挥光伏阵 列输出功率的最大潜力，就要有一 个适配器，使电源和负载之间能达 到高效、稳定的工作状态。 适配器的内容主要是最大功率 点跟踪器、逆变器以及一些保护设 施等。 二、光伏水泵系统的组成 电机和水泵 电机、水泵往往构成一个总成件 ，要求有最大限度的可靠性及高效 率。 对于光伏水泵而言，由于电机的 功率等级、电压等级受到太阳电池 阵列的电压等级和功率等级的制约 ，因此对水泵扬程、流量的要求被 反映到电机上时，往往必须在兼顾 阵列结构的条件下专门进行设计。 二、光伏水泵系统的组成 我国研制的光伏水泵有漂浮式和潜水式两种 。 漂浮式光伏水泵可以浮在水面，即使水池很 浅，也能泵水，对于庭院花草浇灌十分方便 。 2.3.3 太阳能光伏技术发展现状 一、世界能源储备状况一、世界能源储备状况 n目前，完全商业化运作的并网光伏发电上网电价成本 高达3-4元/KWh，约为国内火力发电价格的11-14倍， 短期内由于价格因素在商业化运作上无法与火电竞争 。 n光伏发电市场现阶段仍然是一个政策性很强的市场。 对太阳能扶持的政策主要集中在：立法指引、购电补 偿、税收抵扣或投资补贴等方面。 二、光伏产业特征二、光伏产业特征 二、光伏产业特征二、光伏产业特征 德、美、日等政府具体政策与激励方式德、美、日等政府具体政策与激励方式 据世界能源统计回顾2011数据显示： n2010年末，世界光伏电力装机容量达到39777兆瓦 。 n欧洲是太阳能利用最多的地区，2010年末累计安装 光伏(PV)29617兆瓦，占世界光伏发电装机总容量 的74.5%。 n亚太地区光伏发电装机容量虽仅次于欧洲，但仅占 世界总量的14.7%； n北美地区装机容量为2747.2兆瓦，占世界份额为 6.9%。 三、国内外产业现状三、国内外产业现状 n德国是世界最大的光伏发电国家，2010年末装 机容量高达17320兆瓦，占世界份额高达43.5% 。 n西班牙和日本光伏发电仅次于德国，2010年末 装机容量分别为3892兆瓦和3617兆瓦，占世界 的份额为9.8%和9.1%。此三国就占据了世界光 伏发电装机容量的62.4%。 n意大利、美国分居世界第四和第五位，年装机 容量为3502.3兆瓦和2519.6兆瓦，占世界的份 额为8.8%和6.3%。 三、国内外产业现状三、国内外产业现状 n中国1996年末光伏发电装机容量仅为1.0兆 瓦，1998年突破5兆瓦，1999年突破10兆瓦 ，2003年突破55兆瓦，2007年突破100兆瓦 。2010年末达到893兆瓦，占世界的份额从 1996年末的0.2%上升到2.2%。 三、国内外产业现状三、国内外产业现状 中国光伏产业的尴尬 50%的全球产量，2.2%的全球装机量。这一巨大反差既预示 着巨大的市场风险，也与我国发展光伏发电新能源的初衷南辕 北辙。 n凭借海外市场的旺盛需求，我国的光伏产业得以迅猛发展。中 国目前从事光伏产业的企业数量接近600家，涌现出无锡尚德、 保定英利、济南力诺等知名企业；从业人数约为万人，形 成了包括高纯多晶硅制造、硅锭和硅片生产、电池制造、光伏 组件封装以及光伏系统应用等较为完整的产业链，生产工艺和 相关技术得到大幅提升。但是，“出口为主”的格局导致中国光 伏产业发展严重依赖国际市场。 n2010年，我国的光伏电池产量约占全球总产量的50%，我国生 产的光伏电池出口比例约95%，真正在国内安装并提供绿色电 力的少之又少。九成以上的光伏电池出口国外，形成了“产品出 口国外、碳排放留在国内”的节能减排倒挂现象。 2.4 其他形式的太阳能转换 1、太阳能电解水制氢 电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，效率 较高（75-85），但耗电大，用常规电制氢，从能 量利用而言得不偿失。所以，只有当太阳能发电的成 本大幅度下降后，才能实现大规模电解水制氢。 2、太阳能热分解水制氢 将水或水蒸汽加热到3000K以上，水中的氢和氧便能 分解。这种方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能 获得如此高的温度，一般不采用这种方法制氢。 2.4.1 太阳能-氢能转换 3、太阳能热化学循环制氢 为了降低太阳能直接热分解水制氢要求的高温，发展 了一种热化学循环制氢方法，即在水中加入一种或几种 中间物，然后加热到较低温度，经历不同的反应阶段， 最终将水分解成氢和氧，而中间物不消耗，可循环使用 。存在的问题是中间物的还原，将造成环境污染。 4、太阳能光化学分解水制氢 与热化学循环制氢有相似之处，在水中添加某种光敏 物质作催化剂，增加对阳光中长 波光能的吸收，利用光 化学反应制氢。 日本有人利用碘对光的敏感性，设计了一套包括光化 学、热电反应的综 合制氢流程，每小时可产氢97升，效 率达10左右。 2.4.1 太阳能-氢能转换 5、太阳能光电化学电池分解水制氢 利用N型二氧化钛半导体电极作阳极，而以铂作阴 极，制成太阳能光电化学电池，在太阳光照射下，阴极 产生氢气，阳极产生氧气，实现了分解水制氢、制氧和 获得电能。光电化学电池制氢效率很低，仅04，只 能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，且电极易受腐蚀 ，性能不稳定，所以至今尚未达到实用要求。