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太阳能电池的发展现状及展望

发布人: 浏览 758 次【字号 】 发布时间:2019年9月2日 打印本页

    
太阳能电池的发展现状及展望
农瑞宁
摘要:社会在进步,时代在发展,人们对于物质生活条件的需求也随之提高,但是传统能源的利用已经难以维持发展高速社会的消耗,开发和利用以环保和可再生为特质的新能源已成为世界各国的重点研究课题。作为目前现实可用的新能源之一的太阳能,能够在被我们利用的同时,没有传统化石能源对于环境的影响。本文主要介绍太阳能电池的定义、基本原理和发展现状,分析了太阳能电池发展中存在的问题和发展走向。
关键词:太阳能电池;发展现状及应用;前景展望
1.太阳能电池概况
1.1概念
太阳光的辐射能量我们称之为太阳能。目前利用太阳能的手段主要还是用太阳能电池,将太阳光的光波中携带的辐射能量转换为电能。太阳能电池,就是将太阳光辐射能直接转换为电能的设备。按一定数量将这种器件组装成一定功率的太阳能方阵,再将它与储能装置,测量装置等配件组合,即构成太阳能发电系统,也称为光伏发电系统。
1.2历史
太阳能电池是太阳能光伏发电最核心的器件,经过160多年的研究和发展,生产技术和推广应用已经取得很大进展。经过人们的不懈努力,太阳能电池从早期的以单晶硅和多晶硅为主的硅太阳能电池阶段逐步发展到中期以硅基薄膜电池和碲化镉薄膜电池为主的薄膜太阳能电池阶段,目前已进入以铜铟硒(CIS)等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池为主的第三阶段,更加高效率、低成本,如能推广应用,市场前景极大。
1.3原理
太阳能电池是通过半导体PN结产生光生伏特效应将太阳能转化为电能的。就拿人们熟知的硅太阳能电池来举例。硅太阳能电池的核心结构PN结是通过特殊工艺将硅晶体中的P层和N层结合在一起形成的,其内部空穴与自由电子运动扩散形成内建电场,在物质受到光线照射时,部分光子被吸收,物质内部电荷就会发生变化产生电动势或电流,当PN结接通外部电路时,就会有电流通过电路。
2.发展现状
2.1太阳能电池发展背景
随着时代的发展,工业的不断进步,煤炭、石油、天然气等不可再生资源消耗越来越大,过快的工业化进程带来的负面影响日渐明显,能源枯竭和环境污染已构成人类社会当前最大的威胁,寻找可再生的新能源替代常规能源迫在眉睫。太阳能是一种可再生的绿色能源,清洁环保,取之不尽,用之不竭,太阳能的开发和利用给人们带来新的曙光。太阳能利用的最佳途径是太阳能光伏发电,具有清洁、安全、高效、便利等特点,可以弥补常规能源的不足,因而备受关注。地理位置、气候条件和环境影响对太阳能利用中极为重要的两个指标太阳辐射强度日照时数起着决定作用。我国的太阳能资源相当丰富,大部分地区太阳辐射年总量930~2330千瓦小时/平方米,年平均日照时数大于2600小时,假如能够加以大范围开采利用,则可以一定程度缓解我国电力系统的紧张压力。
许多国家大力支持新能源的发展,出台相应优惠政策,投入大量资金和人力,加快太阳能电池大规模实用化进程,促进太阳能电池产业的大发展。很多国家已实施“阳光计划”,成立可再生能源实验室进行专项研究,如美国制订了“百万屋顶太阳能计划”,日本推出了“新阳光计划”等。
2.2发展现状
2.2.1现在的研究进展
美国贝尔实验室在1954年研制出了世界上第一片硅太阳能电池,随后硅太阳能电池作为电源应用在电信装置上,后来还被人们应用在人造卫星上。经过数十年的努力,太阳能电池技术与产业化大幅度提高,广泛应用于宇宙飞行器和地面发电系统。目前太阳能电池市场的主导产品主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种,约各占1/3的市场份额。目前,在国家政策与资金因素,市场因素等多方面因素的共同作用下光伏产业飞速发展。在出现新生产技术的同时许多高效电池和组件技术都得到了很大的发展。随着现代加工技术水平的不断提高,利用微纳结构、等离激元效应以提高太阳能电池的光电转换效率、降低太阳能电池制造的成本,成为了新的研究热点。
2.2.2当前应用现状
太阳能电池的应用主要有作为电源和作为传感器两大途径。太阳能电池最早是应用在航天领域,主要作用于空间站的能源供应。目前已广泛应用于农业、工业、军事、通信等领域,在荒漠,海岛,深山等不利架设电网的地方,太阳能电池更是有着无可比拟的优势。太阳能电池可广泛应用于各种设备和各种系统中。例如由太阳能电池板、蓄电池、控制器和逆变器组成太阳能发电站供应电能,用于高原、牧区、边防哨所等边远无电地区的生活用电,如照明、电视、收音机等,太阳能光伏水泵解决了无电地区的深水井饮用和灌溉问题。此外还有家用太阳能热水器,太阳能计算器,路边常见的太阳能路灯、太阳能交通信号灯、太阳能标志牌、为工业用电提供电能的太阳能发电站等等。
2.2.3产业市场概况
未来的能源市场必将是以太阳能为代表的可再生清洁能源为主。太阳能电池具有真正替代化石能源的可能性,很有可能在未来10--30年后成为全球最大产业。目前,全球太阳能市场已初具规模,随着技术的不断发展,太阳能电池成本也随之下降,太阳能光伏发电走入百姓家成为未来的趋势。1994-2003年的十年内平均年增长率达30%,而近十年来甚至达到了40%左右,且目前光伏发电装置装机量保持良好的上升势头。我国对新能源产业大力扶持,十几年来太阳能产业发展迅猛,技术进步显著,已跃居全球太阳能电池生产第一大国,但也面临着严峻的形势。我国光伏产业国内市场需求不足,产能过剩危机凸显,过度依赖国际市场,严重制约了我国太阳能产业的健康发展,去产能将是我国太阳能行业发展未来几年内的主要课题。目前我国的能源主要以煤炭为主,太阳能只占5%-10%,光伏产品大量出口国外,贸易摩擦就不可避免。受“双反”影响,中国光伏产业在世界市场的发展受到一定影响,前景仍然可观。
2.3存在的问题
2.3.1发展的瓶颈
太阳能虽然是清洁环保无污染的新能源,可在太阳能电池的制作过程中排放的废水,废渣等污染物却对环境造成了严重的影响,因此如何优化生产工艺,用更为环保清洁的方式生产太阳能电就成为了一个难点。提高光电转化效率、降低制造成本和实现能量的有效储存以及减少污染仍然是太阳能电池应用推广的巨大阻碍。如何通过技术结构调整引导产业结构,如何用更加质优价廉的产品打开市场取得消费者的认可都是迄待解决的问题。在日益严峻的能源替代形势和人类生态环境的压力下,如何最大程度的利用太阳能来解决能源和环境问题,将会越来越迫切。由此可见,太阳能今后的发展方向一是研究和发展光电效率高的材料,二是寻取富含太阳能电池材料的原料应用于发展未来的太阳能电池事业。谁先研发出高效率,低成本,污染少,工艺简单的太阳能电池并注重规模化的生产,定能在新能源市场上抢战一席之地。
2.3.2政策的完善
我国对太阳能电池大力扶持的同时,也存在政策没有顾及或新政策与原有一些政策相冲突的情况。譬如存在一些土地利用与增加收费的问题。政府应借鉴发达国家经验,发展公用设施与光电利用进行有机结合,促进“光伏+”的发展。
2.3.3产业与市场
我国光伏企业取得傲人成绩的同时整个光伏产业的发展却不尽人意。存在产业发展不均衡,利益分配不均,产品附加值低等问题。中游的硅晶片生产份额较大,下游的组件生产和安装占据的份额较少。而下游的组件生产因为技术门槛和资金门槛低,厂商竟相进入,争抢市场。政府还需要加强规范光伏产业市场,引导其健康发展。
我国光伏产业生产在内而市场却在外,同时一些原料依赖于国外进口,这种形态抗风险性弱,严重制约了发展。科学技术与现实生活相结合才能长足发展,推动“光伏+的发展,促进光伏发电与更多产品的结合有利于为光伏产业打开市场。
 
3.发展趋势
3.1新方向
    薄膜电池将器件的厚度降低、规格减小,减小了光生载流子的传输距离,减少复合或湮灭的现象,进一步提升了太阳能的转换效率。与常规电池相比,薄膜电池节省原料,制作工艺简单,转化效率高,在某些特定场合使用优势明显,将成为太阳能研究领域的主流。
叠层电池可以让电池性能显著叠加,可使用同种器件叠层,也可用不同种器件叠层。由于叠层电池每一层器件感光部分的光响应性能不同,每层吸收到的太阳光也不一样,通过叠层可以有效吸收不同波段的太阳光。同时,器件间产生的耦合效应可以使叠层电池整体的光电转换效率达到更高水平,产生1+1﹥2的效果。因为薄层化太阳能电池的推广,叠层电池可以变得更薄,适用于更多地方。
柔性电池因其独特的柔软性和低成本使之对产业具有很大的吸引力。柔性电池轻、薄、可卷曲折叠,便于携带,可广泛用于汽车,帐篷或者建筑的特殊曲面上,更有人另辟蹊径提出了“太阳衣”的想法。目前的技术柔性电池的光电效率还不高,若柔性电池的光电效率得到提高,凭借其独特的柔软性必将在太阳能市场占重要地位。
3.2新材料
新近发展的染料敏化纳米晶太阳能电池成本低、寿命高,加工难度低,光电转换效率在11%以上,是光电领域研究的热点。其优点在于原材料丰富,制作成本低,比硅基太阳能电池低30%左右,生产工艺简单,可以分别制作电池的不同部分,对材料纯度要求不高,也无需高真空和高温处理,具有较大的产业化优势,采用的原料环保,此外可进行柔化和叠层处理,可根据所需绘制成各种图案,还可制成无色或多彩的样式,以及诸多贴近生活所需的特点。
3.3新技术
高效MWT背接触组件技术是金属缠绕穿透技术(metal Wrap Through),是正面无主栅的背接触电极技术。MWT组件正面没有主栅线,进一步降低了银浆的使用量;减少了遮光使光电转化效率进一步提升;MWT电池采用无焊带连接方式比之传统的焊接方式避免了可能因焊接不全导致的微裂纹,使电池的可靠性大大提升。
3.4新应用
太阳能在建筑行业主要应用于供暖、制冷和发电,人们常见的有太阳能屋顶、光伏幕墙等。汽车厂家可以将太阳能电池与汽车的动力系统和充电系统相结合,制成太阳能汽车,以太阳能作为汽车驱动力,还可作为汽车辅助设备的能源,如用作汽车蓄电池的辅助充电能源,用于驱动车载风扇、空调、冰箱、GPS导航和电台等系统。目前我国积极拓展太阳能电池消费市场,大力推广新能源汽车,并配套建设光伏发电充电站。太阳能电池也可以与地理观测设备结合,在吸收光能供电的同时记录下光照等数据,通过计算机处理分析可得出一天的光照长短,光照强度等相关地理数据并进行相关预测。在光控遥控和自动控制的电路中使用太阳能电池作为光传感器,可降低能耗。例如根据这一原理制做出来的光控自动窗帘,天亮窗帘自动拉开,天黑窗帘自动闭合,省去人工操作实现了智能化,给人们带来了便利,增添了生活情趣。
4.前景展望
随着技术不断革新,太阳能电池生产成本持续降低,光伏、光热发电产业日趋成熟,应用领域逐步扩大,太阳能已成为许多国家重要的新兴产业,太阳能技术的发展与应用前景非常广阔。我国太阳能资源丰富,政策支持相当给力,虽然在太阳能的开发和利用领域起步较晚,但根基稳固,基本形成了比较完善的产业体系,尤其最近几年太阳能电池发展迅速,在改善太阳能电池的性能方面也有较大进展。科研人员致力于研制出成本低、光电转化效率高、工艺简单、稳定性高的有机太阳能电池,加快太阳能电池的推广应用,我们展望太阳能电池能加速大规模实用化的进程,为节能环保、低碳经济作出应有的贡献。
5.参考文献
[1]赵桐.新型电池发展现状及展望[J].当代化工研究,2016(09):121-122.
[2]何焕全,伍祥武,陈进中.铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池发展现状及展望[J].企业科技与发展,2012(15):38-39+51.
[3]张维清,程亮.太阳能电池发展现状与展望[J].科技创新与生产力,2011(08):26-28.
[4]梁昌鑫,陈孝祺.太阳能电池现状及其发展前景[J].上海电机学院学报,2010,13(03):182-186.
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