（化学工程专业论文）太阳能光电热能系统性能研究.pdf

摘要 随着全球经济的持续高速增长，能源消费不断增加，能源短缺问题日益突出。可再 生能源越来越受到人们的关注，太阳能利用就是其中的一个热门话题。 太阳能主要是通过两种途径来加以利用的：热能和电能。通常人们是通过两个独立 的系统来分别实现这种能量转换的，由太阳能集热器获得热能。由太阳能电池获得电能。 在本课题中，我们将两个系统合二为一，即构成所谓的太阳能光电- 热能( p v t ) 系统。 这个系统是由传统的强制循环式热水器改造而成的，即在热水器的集热面上粘贴太阳能 电池。太阳辐射将使太阳能电池自身的温度升高，从而导致太阳能电池转换效率的下降。 在光电热能系统中这个问题得到很好的解决，即热水器入口处的低温循环水正好对太 阳能电池起到冷却作用，使太阳能电池保持较高的转换效率并同时得到有使用价值的热 水，从而提高了系统的整体转化率。p 系统主要是和居民建筑结合在一起进行设计， 这样就可以为人们的日常生活同时提供热水和电能。 在本课题中我们主要做了以下三方面的工作：一是设计并制造一个实验用太阳能 p v t 系统，该系统是直接将单晶硅太阳能电池板直接粘贴在太阳能热水器的聚合物塑料 集热面上而构成，并由- - + 型水泵强制循环。二是通过修改传统的平板集热器的数学模 型，根据本实验中所用装置的实际结构，并将太阳能电池对热水器性能的影响因素考虑 进去，建立起适用于太阳能光电一热能系统的数学分析模型。三是通过实验来验证所建 数学模型的正确性，同时研究太阳能p w t 系统在不同条件下运行时的一些性能特性。 关键词：太阳能；太阳能热水器；太阳能电池：光电热能系统 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a le c o n o m yd e v e l o p i n gw i t hah i g hs p e e d ，e n e r g ye x p e n d i t u r er a c e su p ，t h e p r o b l e mo fe n e r g ys h o r t a g eb e c o m e si n c r e a s i n g l ye m e r g e n t t h er e g e n e r a t i v ee n e r g yi sm o r e a n dm o r ew i l d l yc o n c e r n e d t h eu s eo f s o l a re n e r g yi so n eo f t h em a i ns u b j e c t s s o l a re n e r g yi sm a i n l yu t i l i z e dv i at w or o u t e s ：t h e r m a la n de l e c t r i c a l t w of o r m so f e n e r g ya r eg e n e r a t e db yt w os e p a r a t es y s t e m s t h ep r e s e n tw o r ki s a b o u tt h es t u d yo fa s y s t e mw h i c hc o m b i n e st h e r m a la n dp h o t o v o l t a i cs y s t e m s i no n eu n i t t h es y s t e mi sb a s i c a l l y ac o n v e n t i o n a lf o r c e dc i r c u l a t i o nt y p ew a t e rh e a t e r i ti sc o n v e r t e di n t oac o m b i n e ds y s t e m m y b r i dp v ts y s t e m ) b yp a s t i n gs o l a rc e l l sd i r e c t l y o n t ot h ea b s o r b e rp l a t e t h es o l a r r a d i a t i o ni n c r e a s e st h et e m p e r a t u r eo fp vm o d u l e s ，r e s u l t i n gi nad r o po ft h e i re l e c t r i c a l e f f i c i e n c y b yp r o p e rc i r c u l a t i o no faf l u i d 、) l r i ml o wi n l e tt e m p e r a t u r e h e a ti se x t r a c t e df r o m t h ep vm o d u l e sk e e p i n gt h ee l e c t r i c a le f f i c i e n c ya ts a t i s f a c t o r yv a l u e s t h ee x t r a c t e dt h e r m a l e n e r g yc a nb eu s e di ns e v e r a lw a y s i n c r e a s i n gt h et o t a le n e r g yo u t p u to ft h es y s t e m h y b r i d p v ts y s t e m sc a r lb ea p p l i e dm a i n l yi nb u i l d i n g sf o rt h ep r o d u c t i o no f e l e c t r i c i t ya n dh e a t t h ea i m so ft h ep r e s e n ts t u d yw e r et h r e e f o l d ：f i r s t l yt od e s i g na n db u i l dap v 厂rt e s t c o l l e c t o ru s i n gs i n g l e - c r y s t a ls i l i c o nc e l l s i nc o m b i n a t i o n 丽t l las o l a rh e a ta b s o r b e ri n p o l y m e rp l a s t i c sa n dp u m pc i r c u l a t i o n s e c o n d l yt oe m p l o ya na n a l y t i c a lm o d e lf o rt h e c o m b i n e ds y s t e mb ym o d i f y i n gw e l l - k n o w nm o d e l sf o rf l a t p l a t ec o l l e c t o r st oi n c l u d ee f f e c t s o ft h ea d d i t i o n a ls o l a rc e l l sa n dt h eg e o m e t r yo ft h ep a r t i c u l a ra b s o r b e rt h a tw a su s e d a n d t h i r d l yt oc o n d u c te x p e r i m e n t a lt r i a l so nt h et e s tc o l l e c t o rt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h e a n a l y t i c a lm o d e l a n da l s ot oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep v ，rs y s t e m u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y ；w a t e rh e a t e r ；s o l a rc e l l ；p v 厂rs y s t e m i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：客戊聿末 e i i i i ： p r 年f 月7 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：盘越袜 剔币躲缈：) 譬 日期：护r 年月7 日 e i i i ：o 号年其一o e l 第一章绪论 2 1 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已成为全球热点问题。而能源问题将更为突 出：( 1 ) 能源短缺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2 0 2 0 年，天然气也只能延续到2 0 4 0 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持z - - - 百年“1 。( 2 ) 环境污染由于燃 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。( 3 ) 温室效应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。这一问题己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c o 。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。而太阳能 具有：( 1 ) 储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1 6 x1 0 ”k w ，一年 内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1 8 9 2x 1 0 ”千亿吨，是目前世界 主要能源探明储量的一万倍0 1 。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。( 2 ) 存在的普遍性相对于其他能源来说，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。( 3 ) 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。( 4 ) 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当 重任，成为理想的替代能源”。 1 1 太阳能热利用技术及其产业发展现状 根据可持续发展战略，太阳能热利用在替代高含碳燃料的能源生产和终端利 用中大有用武之地。太阳能热利用具有广阔的应用领域，但最终可归纳为太阳能 热发电( 能源产出) 和建筑用能( 终端直接用能) ，包括采暖、空调和热水“1 。当前 太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。 1 1 1 太阳能热水器 在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并己形成产业，正在以优良的 性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早， 莲重望王厶誊三耋堡苫喾堡鎏錾 但8 0 年代的石油降价，加之取消对新能源减免税优惠的政策导向，使工业发达国 家太阳能热水器总销售量徘徊在几十万n 1 2 。据报道”1 ，1 9 9 2 年国外太阳能热水器 总量为4 5 万m 2 ，其中日本为2 0 万m 2 ，美国为1 2 万m 2 ，欧洲为8 万m 2 ，其他国 家为5 万m 2 。世界环境发展大会之后，许多国家又开始重视太阳能热水器在节约 常规能源和减少排放c o ：方面的潜力，仅据美国加州首府萨克门托市的计划，到 2 0 1 0 年太阳能热水器将取代该州4 7 0 0 0 套家用电热水器；到2 0 1 0 年日本太阳能 热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能 热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。1 9 9 2 年 销售量为5 0 万m 2 ，为世界其他各国销售量之和：1 9 9 5 年销售量翻番，达l o o 万 m 2 。目前，我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1 0 0 0 余 家，年产值2 0 亿元，从业人数1 5 万人。但从房屋的热水器安装率来说，以色列 已达8 0 ，日本为l l ，台湾达2 7 ，我国在千分之几左右，其太阳能热水器 的推广应用潜力仍很大。国际上，太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全 玻璃真空管式的发展，目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透 明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失；聚脂薄膜的 透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。 随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，太阳能热水器必将逐步 替代电热水器和燃气热水器。虽然太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节 和天气影响的不利因素，但太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势， 而且随着技术的发展其经济性也逐渐显露出来。有关专家对三种热水器的经济指 标比较结果表明”1 ，太阳能热水器在经济上已具有较强的竞争力。 1 1 2 太阳能热发电技术 目前，太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是：( 1 ) 3 0 8 0 m w 线聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术( 简称抛物面槽式) ；( 2 ) 3 0 2 0 0 h i w 点聚焦 中央接收式太阳能热发电技术( 简称塔式) ；( 3 ) 7 5 2 5 k w 的点聚焦抛物面盘式 太阳能热发电技术( 简称抛物面盘式) 。在上述三种技术中，抛物面槽式领先一步， 美国加州的9 座太阳能热发电站可以代表槽式热发电技术的发展现状。塔式太阳 能热发电技术也是集中供电的一种适用技术，目前只有美国巴斯托建的一座叫 “s o l a ri i ”的电站，功率为4 3 m w ，该电站成功运行两年后，两家美国电力公司 计划建两座i o o m w 的电站”3 。为了提高塔式电站的效率，有人提出了一种新想法， 把带有太阳能塔的定日镜阵列附加到先进联合循环电站上作为燃料节省装置，采 用甲烷重整工艺，以太阳能提高天然气等级。抛物面盘式太阳能热发电技术很适 合于分散式发电，可以在偏远地区用作独立系统。作为太阳能供电的一种方式， 太阳能热发电技术在经济上是可行的，而且有较大的市场潜力。在美国加州的太 2 阳能热发电站建造过程中，由于技术进步及容量的增大，电站的装机造价和发电 成本显著下降，抛物面槽式在太阳能丰富的地区，经济上已能与燃油的火力电站 竞争。我国西南电力设计院曾对西藏地区以引进l u z 公司太阳能热电站进行估算， 如果考虑设备的折旧和还贷，太阳能热电站和火力发电站的发电成本均为1 1 元 ( k w h ) ，如果不考虑设备折旧，仅计入运行和维护费用，则太阳能电站的发电成 本为0 1 元( k w h ) ，而火力发电站的成本为o 8 元( k w h ) 。有人估算过1 3 种太 阳热电站在不同日照射条件下的发电成本0 1 ，结果表明，随着年产电量的增加， 主要是随着机组容量的增大、日射强度的增高、部件和系统的进一步改进，发电 成本显著下降。进而对地中海国家的太阳能热发电应用进行过可行性研究，认为 太阳能的热利用在这一地区具有特殊重要性，具有巨大的市场潜力。一方面，地 中海国家技术水平高、资金雄厚，且有很好的太阳能热发电示范和早期商业化基 础；另一方面，未来几十年里地中海国家能源需求量大，每年要新增5 6 6 w ，加 之该地区太阳能资源丰富，年辐射强度大于1 7 0 0 k i h m 2 的面积达到7 0 0 万k m 2 ， 太阳热可发电容量达1 2 0 0 g w ，是目前全球电力需求的4 倍。所有这一切形成了地 中海地区广阔的太阳能热发电市场“3 。 1 2 太阳能光电技术及其产业发展现状 5 0 年代第一块实用的硅太阳能电池的问世，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6 0 年代太阳能电池进入空间、7 0 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：1 9 9 0 年以来，全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均1 6 的幅度递增，目前 总发电能力已达8 0 0 m w ，相当于2 0 万个美国家庭的年耗电量。1 9 9 7 年全球太阳能 电池的销售量增长了4 0 ，已成为全球发展最快的能源“。 1 2 1 太阳能电池技术 最早问世的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。用硅来制备太阳能电池不存在 原料问题，但提炼单晶硅却不容易。除硅系列外，还有许多半导体化合物，如砷 化镓、铜铟硒、碲化镉等，都可用于制备太阳能电池。以下分别对晶体( 单晶与 多晶) 硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池及化合物半导体太阳能电池进行介绍。 1 2 1 1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是开发得最早、最快的一种太阳能电池，其结构和生产工 艺已定型。产品已广泛应用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的晶体硅棒为 原料，纯度要求极高，应达到9 9 9 9 9 。为了降低生产成本，现在地面应用的太 阳能电池主要采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。目前可使用半 导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅 棒。 硅主要是以s i o 。形式存在于石英和砂子中，它的制备主要是在电弧炉中用碳 还原石英砂而成，该过程能量消耗很高，约为1 4 k w h k g 。典型的半导体硅的制 各过程是采用粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与h c l 气体混合并反应生成三氯 氢硅和氢气。由于s i h c l 。在3 0 。c 以下是液体，因此很容易与氢气分离，接着通过 精馏使s i h c i 。与其他氯化物分离，经过精馏的s i h c i 。的杂质水平可低于1 0 。2 ( 质 量分数) 电子级硅的要求。提纯后的s i h c i 。通过c v d 原理制各出多晶硅锭。 在加工工艺中，要求将单晶硅棒切成硅薄片，薄片厚度一般约为0 3 m m 。硅 薄片经过成形、抛磨和清洗等工序，制成待加工的原料硅片。在加工太阳能电池 薄片时，要在硅片上进行微量掺杂，并进行扩散处理。一般掺杂物为微量的硼、 磷、锑等，而扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行，这样就在硅片是形成p n 结。然后采用丝网印刷法，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同 时制成背电极，并在有栅线的面上涂覆减反射膜，以防止大量的光被光滑的硅片 表面反射掉。至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了“。单体片经过抽查检 验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件( 太阳能电池板) ，用串联和并 联的方法构成一定的输出电压和电流。用户通过系统设计，可将太阳能电池组件 组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。 目前单晶硅太阳能电池的光电池转换效率为1 5 左右，也有可达2 0 以上的 实验室成果。其典型代表是斯坦福大学的背面点触电池( p c c ) ，新南威尔士大学 的钝化发射区电池( p e s c ，p e r c ，p e r l ) 及德国f r a u m h o f e r 太阳能研究所的局域 化背面场电池( l b s f ) 以及埋栅电池( b c s c ) 等“。 1 2 1 2 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料的工 艺复杂，耗电量很大，在太阳能电池的生产总成本中已超过一半。另外，拉制的 单晶硅棒一般呈圆柱状，因而切片制作的太阳能电池也是圆片状，使得制各太阳 能电池组件的平面利用率低。作为单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳 能电池，其中包括非晶硅薄膜太阳能电池、硒铟铜和碲化镉薄膜太阳能电池、多 晶硅薄膜太阳能电池等，。 由于多晶硅薄膜太阳能电池所使用的硅量远较单晶硅少，又无效率衰减问题， 并有可能在廉价底材上制备，其成本预期要远低于单晶硅太阳能电池。其实验室 效率已达1 8 ，远高于非晶硅薄膜太阳能电池的效率。因此，多晶硅薄膜太阳能 电池被认为是最有可能替代单晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池的下一代 4 太阳能电池。 浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制 过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较节省。浇铸多晶 硅的铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法2 种。 定向凝固法是将硅料放在坩锅中加以熔融，然后将坩锅从热场中逐渐下降或 从坩锅底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩锅底部向上移动而 形成晶锭。 浇铸法的工艺过程是选择电阻率为1 0 0 3 0 0 q c i n 的多晶块料或单晶硅头尾 料，经破碎，用1 ：5 的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲 洗呈中性，并烘干。用石英坩锅装好多晶硅料，加入适量硼硅，放入浇铸炉，在 真空状态下加热熔化，熔化后再保温约2 0 m i n ，然后注入石墨铸模中待慢慢凝固 冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳能电 池片，从而提高材制利用率和方便组装。采用浇铸法进行铸锭时需要解决的主要 问题是：( 1 ) 硅容器的材质因为硅熔体冷凝时会牢固地黏附在坩锅的内壁，若 两者的膨胀系数不同，硅固化时体积增加9 ，会使硅锭产生裂纹或破碎。( 2 ) 晶体结构用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当( 数毫米) 的具有 单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。 硅片加工技术是采用内圆切片机将常规的硅片切割，其切损为0 3 0 3 5 m m ， 使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年用多线切割机，切损只 有0 2 2 m m ，硅片可切薄到0 2 m m ，且切割的损伤小。 目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种“：化学气相沉淀法( c v d 法) 、等离子体增强化学气相沉淀法( p e c v d 法) 、液相外迁法( l p e ) 和等离子 体溅射沉积法( p s i 4 ) 。 化学气相沉淀法就是将衬底加热到适当的温度，然后通以反应气体( 如 s i 2 c iz ，s i h c ia 等) ，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并在衬底表面沉积3 5 u m 厚的硅薄膜。这些反应的温度较高，通常在8 0 0 1 2 0 0 之间。 等离子增强化学气相沉积法是利用p e c v d 技术在非硅衬底上制备晶粒较小的 多晶硅薄膜的一种方法。硅粉在高温等离子体中加以熔化，熔化的粒子沉积在衬 底上，等离子体由a r 和少量的氢构成，沉积多晶薄膜厚度在2 0 0 1 0 0 0 u m 之间有 一层较厚的多晶硅的本征层( i 层) 。该方法的制备温度低( i 0 0 2 0 0 ) ，所 制晶粒小。但是其生长速度太慢以及薄膜极易受损等问题有待今后研究改进。 液相外迁法就是通过将硅熔融在母液里，降低温度使硅析出成膜的一种方法。 l p e 可在平面和非平面衬底上生长，以获得结构完美的材料。 除了上述制备薄膜的方法外，在用多晶硅薄膜制备太阳能电池器件方面，人 们也采取了一系列工艺步骤，以提高效率。这些工艺步骤包括：衬底的制备和选 择、隔离层的制各、籽晶层或匹配层的制备、晶粒的增大、沉积多晶硅薄膜、制 备p n 结、光学限制( 上下表面结构化，上下表面减反射) 、电学限制( 制备背场 和前后电极的欧姆接触) 、制备电极、钝化( 晶粒问界的钝化和表面钝化) 。目 前，几乎所有制各单晶硅高效电池的实验室技术均已用在制备多晶硅薄膜太阳能 电池的工艺上，甚至还包括一些制备集成电路的方法和工艺。 1 2 1 3 非晶硅太阳能电池 由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳能电池可以做得很薄。 通常硅膜厚度仅为l 2 u m ，大约是单晶硅或多晶硅电池厚度的1 5 0 0 ，所以制作 非晶硅电池的资源消耗少。非晶硅太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅 烷( s i h 。) 气体分解沉积而成。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气 或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成氢气或氩气稀释的硅烷， 用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体非晶体硅膜就沉积在被加热的衬底 上。若硅烷中掺入适量的氢化磷或氢化硼，即可得到n 型或p 型的非晶硅薄。衬 底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺，要严格控制气压、 流速和射频功率，而衬底温度的影响也很重要。由于分解沉积温度低( 2 0 0 c 左右) ， 因此制作时能量消耗少，成本比较低。这种方法比较适合于大规模生产，且单片 电池面积可以做得很大( 例如0 5 m x1 o m ) ，整齐美观。非晶硅电池的另一特点 是它可以做在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、甚至柔性塑料片等基板上，还可以制成 建筑屋顶用的瓦状太阳能电池，应用前景广阔”。 由于非晶硅中的原子排列缺少结晶硅中的规则性，因而在单纯的非晶硅p n 结中缺陷多，使得隧道电流往往占主导地位。这种材料一般呈电阻特征，而无整 流特性，也就不能制作太阳能电池。为此要在p 层与n 层之间加入较厚的本征层 i ，以扼制其隧道电流，因此非晶硅太阳能电池一般具有p i n 结构。为了提高效率 和改善稳定性，有时还制成p i n p i n p i n 等多层结构式的叠层电池，或是插入一 些过渡层。 非晶硅太阳能电池是在玻璃、不锈钢片或塑料等衬底上沉积透明导电膜 ( t o c ) ，然后依次用等离子体反应沉积p 型、i 型、n 型三层非晶硅，接着再蒸 镀金属电极铝。太阳光从玻璃面入射，电池电流则从透明导电膜和铝中引出。在 非晶硅太阳能电池中可采用非晶硅窗口层、梯度界面层、微晶硅p 层等来来明显 改善电池的短波光谱响应，以增加光在层的吸收以及分段吸收太阳光，达到拓宽 光谱响应，提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设 计、隧道结中的微晶化掺杂等，以改善对载流子的收集。 自1 9 8 0 年日本三洋电气公司利用非晶硅太阳能电池制成袖珍计算器后，非晶 硅太阳能电池产量连续增长，电池成本也逐年下降。随着非晶硅电池性能的不断 6 提高，成本不断下降，其应用领域亦在不断扩大，已由计算器扩展到其它领域， 如太阳能收音机、路灯、微波中继站、交通道口信号灯、气象监测以及光伏水泵、 户用独立电源等。非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有 光疲劳效应，经过长期光照后，效率会变低，特别是在强光光照下长期稳定性存 在问题。近l o 年来努力研究，这些问题虽有所改善，但尚未彻底解决，作为电力 电源，尚未大量推广。 目前，非晶硅太阳能电池的研究主要着重于提高非晶硅薄膜本身的性能，特 别集中于减少缺陷密度，控制各层厚度，改善各层之间的界面状态以及精确设计 电池结构等方面，以获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1 4 6 左右，大量生产的可达到8 1 0 左右。叠层电池的最高效率可 达到2 1 0 。 1 2 1 4 化合物半导体太阳能电池 化合物半导体太阳能电池是另一大类太阳能电池。研究、应用较多的有砷化 镓( g a a s ) ，铜铟硒( c u i n s n 。) ，碲化镉，磷化铟等太阳能电池。由于多数化合物 半导体有毒性，易对环境造成污染，目前它们只用在一些特殊场合“。 1 砷化镓( g a a s ) 太阳能电池 g a a s 太阳能电池于1 9 5 6 年出现，紧接着开展了同质结g a a s 太阳能电池的研 究。但由于它在效率和成本上都无法与硅太阳能电池竞争，其应用和发展受到限 制。到2 0 世纪7 0 年代初，异质结g a a s 太阳能电池的研制引起人们的普遍关注。 目前，g a a s 太阳能电池可以得到较高的效率，实验室最高效率已达到2 4 以上， 一般航天用的太阳能电池效率也在1 8 1 9 5 之间。在单晶衬底上生长的单结 电池效率为g a i n p ：g a a s 级联电池理论效率的3 6 ，实验室中已制出了面积4 m 2 、 转换效率3 0 2 8 的i n 。g a 。p g a a s 叠层电池。1 9 7 7 年，由w o o d a l l 和h o v e l 设 计研制的p a l x g a l x a s p g a a s 三层结构异质结太阳能电池，效率达2 1 9 。这一 性能使g a a s 太阳能电池在效率方面超过同质结硅太阳能电池，但其材料成本比硅 昂贵。由于g a a s 禁带宽度适中，耐辐射，且高温性能比硅强，学者对它的研究兴 趣不减。砷化镓太阳能电池目前大多用液相外延法或金属有机化学气相沉积技术 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。 砷化镓太阳能电池目前主要用在航天器上“。 2 。铜铟硒( c i s ) 太阳能电池 c i s 是最重要的多元化合物半导体光伏材料。由于它具有高的转换效率、低 的制造成本以及性能稳定而成为国际光伏界研究热点之一，很有可能成为下一代 的商品化薄膜太阳能电池。c i s 是一种三元i ib 族化合物半导体，为直接带隙 半导体材料，7 7 k 时的带隙结合能为1 0 4 e v ，3 0 0 k 时为1 0 2 e v 。其带隙对温度的 变化不敏感，吸收系数高达i 0 5 c m 。c i s 的电子亲和势为4 5 8 e v ，与c d s 的电子 亲和势( 4 5 0 e v ) 相差很小( 0 0 8 e v ) 。这使得它们形成的异质结没有导带尖峰， 降低了光生载流子的势垒。c i s 太阳能电池是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积 多层薄膜而构成的光伏器件，其结构为：光金属栅状电极减反射膜窗1 2 1 层( z n o ) i 立渡层( c d s ) 光吸收层( c i s ) 金属背电极( m o ) 衬底。c i s 太阳能电池有 不同结构，主要差别在于窗口材料的选择。最早是用c d s 作窗口，其禁带宽度为 2 4 2 e v 。c d s 薄膜广泛应用于太阳能电池窗1 2 1 层，并作为n 型层，与p 型材料形 成p n 结，从而构成太阳能电池。一般而言，本征c d s 薄膜的串联电阻很高，不利 于作窗口层。在3 0 0 3 5 0 c 之间，将i n 扩散入c d s 中，把本征c d s 变成n - c d s 以改变电阻性能。近年来窗口层改用z n o ，其带宽可达到3 3 e v ，而c d s 只作为过 渡层，其厚度大约几十纳米。为了增加光的入射率，在电池表面做一层减反膜m g f ：， 有益于电池效率的提高“。 c l s 薄膜生长工艺可采用真空蒸发法、c u i n 合金膜的硒化处理法( 包括电沉 积法和化学热还原法) 、封闭空间的气相输运法、喷涂热解法、射频溅射法等。 n c u s p c u i n s n ：太阳能电池般由低阻的n 型c d s 和高阻的p 型c u i n s n z 组成。 这种结构的电池一般有较高的短路电流、中等的开路电压和较低的填充因子。为 了获得性能较好的c d s c u i n s n 。电池，需要形成低阻c u l n s n 。层。实验发现，低阻 c u l n s n ：材料与c d s 接触时，在界面会处产生大量铜结核，使得电池的效率大为降 低。而p i n 型c d s c u l n s n 。电池则解决了这一问题。 为了进一步提高电池的性能参数，以z n 。c d 一。代替c d 制成z n x c d 。一。s c u i n s n 。 太阳能电池( x 在0 1 0 3 之间) 。z n s 的掺入可减少电子亲和势差，从而提高 了开路电压，并提高了窗口材料的带隙结合能。这样就改善了晶格匹配，从而提 高短路电流。 我国的c u l n s n 。薄膜太阳能电池研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，该技术已在 实验室研究中获得可喜的进展。 3 碲化镉( c d t e ) 太阳能电池 c d t e 是公认的高效廉价的薄膜电池材料。c d t e 是i ib 一族化合物，是直接带 隙材料，其带隙结合能为1 4 5 e v 。c d t e 的光谱响应与太阳光谱十分吻合。由于 c d t e 膜具有直接带隙结构，其光吸收系数极大，如厚度为l u m 的薄膜可以吸收大 于9 9 的c d t e 禁带辐射能量，因而降低了对材料扩散长度的要求。c d t e 的制备 方法主要有：丝网印刷烧结法、周期性电脉冲沉积法、高温喷涂法、真空蒸发、 c v d 和原子层外延等技术。以c d t e 吸收层、c d s 作窗口层的n - c d s p c d t e 半导体 异质结电池的典型结构为：减反射膜( m g f ：) 玻璃( s n o 。：f ) c d s p c d t e 背电 极。 另外还有c d s c u ：s 和磷化铟( i n p ) 太阳能电池。c d s c u 。s 太阳能电池理论 转换效率达1 5 左右，实际电池效率约为9 。一度因其廉价、制备工艺简单而 受到人们的注意，但由于其稳定性差，效率低下，人们对这类电池已逐渐失去兴 趣。磷化铟( i n p ) 太阳能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 1 9 。 1 2 2 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，丌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。1 9 9 8 年， 世界太阳能电池年产量已超过1 5 0 m w ，是1 9 9 4 年产量的两倍还多，如表卜1 所示。 单晶硅太阳能电池的平均效率为1 5 ，澳大利亚新南威尔士大学的实验室效率已 达2 4 4 ；多晶硅太阳能电池效率也达1 4 ，实验室最大效率为1 9 8 ；非晶 硅太阳能电池的稳定效率，单结6 9 ，实验室最高效率为1 2 ，多结电池为8 1 0 ，实验室最高效率为1 1 8 3 “”。表i - 2 0 ”为有关研究人员所做的太阳能电 池组件的效率预测。由于生产规模的扩大，生产工艺的改进，晶体硅太阳能电池 组件的制造成本已降至3 3 5 美元w 。售价也相应降到4 5 美元w ；非晶硅太阳 能电池单结售价3 4 美元，多结售价为4 5 美元w 。3 。与十年前相比，太阳光电 池价格普遍降低了2 0 。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，其光电转换效率高达3 3 ，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，光电池成本及售价将会大幅下 降。表i - 3 ”为地面用光伏组件成本价格的预测结果，表卜4 为美国国家可再生 能源实验室对太阳能电池成本与市场的关系所做的估计“。对比表1 3 ，表1 4 ， 可以看出2 0 0 1 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。 9 表卜1 世界光电组件的产量及年增长率 t a b l e l 一1o u t p u ta n da n n u a lg r o w t hr a t e o fw o r l d wj d ep h o t o e l e c t r j cm a t e r i a l 表卜2 商品化光伏直流组件效率预测( ) t a b l e l 2e f f i c i e n c yp r e d ic t i o no fc o m m e r c i a lp h o t o v o t a i cd c c o m p o n e n t 电池技术 1 9 9 01 9 9 5 2 0 0 02 0 1 0 单晶硅 1 2 1 51 8 2 2 浇涛多晶硅 l l1 4162 0 带状硅 1 2 1 41 72 1 聚光器( 光电池) 1 72 0 2 53 0 非晶硅( 包括叠层电池) 5 67 9 1 01 4 c u i n s e 2 8 1 01 2 1 4 c d t e 一 8 1 0 1 21 4 低成本 一 8 1 0 1 21 5 球粒电池 一 1 01 21 4 电池种类 1 9 9 01 9 9 5 2 0 0 02 0 1 0 1 0 表卜4 太阳能电池成本与市场的关系 t a b l e l 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l a re e l lc o s ta n dm a r k e t 太阳能电池成本( 美元峰瓦)可进入的市场 6 2 5 l 2 1 少量应用 通信、边远地区 城市屋枯 大规模发电 1 2 3 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， 日新月异。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。限制单晶硅太阳能电池转换效率的主要技术障碍有”：( 1 ) 电池表面栅线遮 光影响；( 2 ) 表面光反射损失：( 3 ) 光传导损失；( 4 ) 内部复合损失；( 5 ) 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：( 1 ) 单双层减反 射膜；( 2 ) 激光刻槽埋藏栅线技术：( 3 ) 绒面技术；( 4 ) 背点接触电极克服表面 栅线遮光问题；( 5 ) 高效背反射器技术；( 6 ) 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2 4 4 ，他在1 9 9 4 年5 月表示能用纯度低1 0 0 倍的 硅制成高效光电池，约在1 0 年后采用该类电池的太阳能发电成本可降至5 8 美 分k w h 1 。 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己使太阳能电池成本骤降8 0 ， 为此，澳大利亚政府投资6 4 0 0 万美元支持这项研究，并希望1 0 年内使该项技术 商业化3 。 表1 - 5 中国各种太阳能电池实验室研究的最高效率 t a b l e l 5p e a ke f f i c i e n c yo fv a r i o u ss o l a rc e l lsi nc h i n a 类型最高效率( )面积( e m 2 ) 单晶硅电池 g a a s 电池 多晶硅电池 2 0 4 1 4 1 5 2 0 i 1 4 5 1 2 1 3 2 x 2 l o 1 0 ( 实用型) 1 l 2 x2 1 0 1 0 ( 实用型) 聚光硅电池 c d s c u 。s 电池 c u i n s e2 电池 c d t e 电池 多晶硅薄膜电池 非晶硅电池 1 7 1 2 8 7 5 7 1 3 6 1 1 2 ( 单结) 1 1 4 ( 双结) 8 6 7 9 6 2 l 1 ，非活性硅衬底上 几个m m 几个m m 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 3 0 二氧化钛纳米有机电池 1 0 1 1 注：* 8 0 元r m b w ，木 6 0 元r m b w ，料 4 0 元r m b w ，料 3 0 元r m b w 。 1 2 2 l n拟价揿 1 2 4 各国的光伏计划 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，己建成多座兆瓦级光伏电站，最大的是位于美国加卅l 的 光伏电站，容量为6 5 m w ，现正在希腊克里特岛建造的一座阳光电站，容量为5 0 m w ， 总投资1 7 7 5 万美元。而在美国准备建造的另一座电站规模将达到i o o m w ，已与太 阳能热发电站容量相匹敌。除此之外，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。1 9 9 0 年，德国政府率先推出的 “于顶计划”，至1 9 9 7 年己完成近万套屋顶光伏系统，每套容量l 5 k w ，累计安 装量已达3 3 m w ，远远地超出了当初制定的计划规模。日本政府从1 9 9 4 年开始实 施“朝日七年计划”，计划到2 0 0 0 年安装1 6 2 万套屋顶系统，总容量达1 8 5 m w ，1 9 9 7 年又再次宣布实施“七万屋顶计划”，每套容量扩大到4 k w ，总容量为2 8 0 m w 。印 度于1 9 9 7 年1 2 月宣布在2 0 0 2 年前推广1 5 0 万套太阳能屋顶系统。意大利1 9 9 8 年开始实施