太阳能光伏电池及应用研究毕业设计

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1、太阳能光伏电池及应用研究第一章 太阳能光伏电池1、1 太阳能光伏电池的发展背景人类在21世纪面对的最大困难是什么? 答案是不可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重。如何解决这一对难题成为困扰世界经济发展的首要任务。各种可再生能源的优越性日渐突出,于是人们将目光纷纷投向了太阳。太阳时时刻刻都在向地球发送着能量, 并且这种能量是取之不尽, 用之不竭的。如果仅仅将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可以高达1. 77 *1012千瓦，比目前全世界平均消费电力还要大数亿倍。太阳能不但数量巨大, 而且源于太阳的各种绿色能源，如: 风能、潮汐能、生物质能、水力能都属于可再生能源，只要有太阳的存在,

2、能源就像阳光一样源源不断。太阳能的利用有很多种，可以利用光的热效应,将太阳辐射转化成热能；也可以利用光的伏特效应，将太阳辐射直接转换成电能等。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用成为近些年发展最快、最具活力的研究领域。太阳能光伏电池的研究发展也日益迅速起来。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质, 使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此太阳能电池有望成为21世纪的重要新能源。1、2 太阳能光伏电池简介作为太阳能电池工作基本原理的光伏效应( Photovo Itaic E

3、ffect缩写PV) 是1839年被发现的。由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光的能量转换成电能，此种进行能量转化的光电元件称为太阳能电池( Solar Ce ll),也可称之为光伏电池。1、3 太阳能光伏电池的发展1954年Bell实验室研发出第一个太阳能电池，不过由于效率太低，造价太高, 缺乏商业价值。随着航天技术的发展，使太阳能电池的作用不可替代，太阳能电池成为太空飞行器中不可取代的重要部分。1958年3月发射的美国Vanguard 1号上首次装设了太阳能电池。1958年5月苏联发射的第3颗人造卫星上也开始装设太阳能电池。到1969年美国人登陆月球，这使得太阳能电池的发展达

4、到了第1个巅峰期。此后，几乎所有发射的人造天体上都装设太阳能电池。20世纪70年代初期,由于中东战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断，出现了“能源危机”，人们开始认识到不能长期依靠传统能源。特别是近年来地面能源面临的矿物燃料资源的减少与环境污染的问题，于是太阳能电池的应用已被提上了各国政府的议事日程。1990年以后，太阳能的发展开始与民用电相结合，与市电并联型太阳能电池发电系统开始推广，太阳能电池不断有新的结构与制造技术被研发出来。1、4 太阳能光伏电池的分类至今太阳能电池已经发展到了第2代。第1代太阳能电池包括单晶硅和多晶硅2种，工业化产品效率一般为13% 15%，目前可工业化生产、可

5、获得利润的太阳能电池就是指第1代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第2代太阳能电池是薄膜太阳能电池，其成本低于第1代，可大幅度增加电池板制造面积，但是效率不如第1代。在将来的第3代太阳能电池应该具有以下特征: 薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括: 叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。太阳能电池(光伏) 材料主要包括: 产生光伏效应的半导体材料、薄膜用衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、组件封装材料等。其中用来制作太阳能电池所用的半导体材料有元素半导体、化合物半导体和各种固体溶体。从半导

6、体材料使用的形态来看，有晶片、薄膜、外延片。按化学组成及产生电力的方式，太阳能电池可分为无机太阳能电池、有机太阳能电池和光化学电池3大类。按形态分可以分成块状光伏电池和薄膜光伏电池2大类。块状光伏电池一般指晶体硅太阳能电池，主要包括单晶硅、多晶硅。其电池发电层的厚度一般在250450um 之间，其光电转化率一般为13% 15%。目前空间用的太阳能电池中单晶硅电池占重要地位，在今后几十年内仍具有重要地位。薄膜光伏电池，主要包括硅薄膜型、化合物半导体薄膜型以及新材料薄膜型。其薄膜厚度一般在2 3mm。非晶硅太阳能电池是20 世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳能电池，其最大的特点是在降低成本

7、方面有很大的优势，便于大面积连续生产等优点。其应用市场，一是弱光电池市场，二是功率型应用市场。1、5 太阳能光伏电池在国内外的发展自20世纪80年代以来太阳能光伏产业得到了迅速发展，全球光伏市场每年以30%40% 的速度持续高速增长。我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW，生产能力约为58MW累计用量约为15MW，同国外相比有很大差距，光伏发电产业生产规模小，技术水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其总体水平落后国外约10年。2004 年全世界光伏组件产量为1146 MW，2005 年就已经达到了1656 MW，增长率超过50%。太阳能光伏产业已经成为全球发展最快的新兴行业之一。作为整个光伏产业的

8、核心，太阳能电池得到了快速发展。据2004年数据分析，各种太阳能电池中硅基太阳能电池占总产量的98%，晶体硅太阳能电池占总产量的84.6%，多晶硅太阳能电池占总量的56%。2005年，世界太阳能电池总产量1656MW，其中日本仍居首位，762MW，占世界总产量的46%；欧洲为464MW，占总产量的28%；美国156MW，占总产量的9%；其他274MW，占总产量的17%。2005年，世界光伏市场安装量1460MW，比2004年增长34%，其中德国安装最多，为837MW，比2004年增长53%，占世界总安装量的57%；欧洲为920MW，占总世界安装量的63%，日本安装量292MW，增幅为14%，占

9、世界总安装量的20%；美国安装量为102MW，占世界总安装量的7%，其他安装量为146MW，占世界总安装量的10%。全球光伏电池产量预测如图1所示，其中纵坐标表示光伏发电占总发电的百分比。图2是PV主要生产国近10年来产量变化趋势图。据统计, 20052010年世界太阳能电池平均年增长率在25%。图1 全球光伏电池产量预测图图2 近10年PV 主要生产国家产量变化趋势第二章 太阳能光伏电池的技术原理 目前，制造太阳电池的材料仍以硅为主，主要原因是其原料丰富、工艺成熟、性能稳定、对环境污染较小并且成本低廉。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其他材料为基础的太阳电池也愈来愈显示出诱人的前景

10、，太阳电池的发展方向也逐渐转向薄膜化。气相沉积技术作为一种应用较多的薄膜制备方法在太阳电池薄膜材料的制备中发挥着越来越重要的作用。2、1 太阳能电池工作原理及其种类太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应直接将太阳辐射能转换成电能的装置。当太阳光射入太阳电池并被吸收时，其中能量大于禁带宽度Eg的光子能把价带中电子激发到导带上去，形成自由电子，价带中则留下带正电的自由空穴，即电子-空穴对，通常称它们为光生载流子。电子向n型半导体一侧移动，空穴向p型半导体一侧移动，从而在电池上下两极分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”, 即“光伏效应”( photovoltaic effect )。这时在两个电极

11、间接入负载，太阳能电池就会输出电力，对负载做功，从而得到可利用的电能。这就是太阳能电池的工作原理，如图4所示。薄膜( Thin film ) 光伏电池，其薄膜厚度一般在23um。目前，已经开发的薄膜太阳能电池主要有非晶硅( a-Si: H) 薄膜太阳能电池、微( 多) 晶硅薄膜太阳能电池、铜铟硒基薄膜太阳能电池、碲化镉( CdTe) 薄膜太阳能电池、染料敏化TiO2薄膜太阳能电池以及有机薄膜太阳能电池等。下图是一般太阳能组件结构:图3 一般太阳能组件结构图4 太阳电池工作原理2、1、1 多晶硅薄膜光伏电池典型硅薄膜光伏电池基本结构示意图:图5 典型硅薄膜光伏电池基本结构示意图从70年代中期人们

12、就已经开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成有价值的太阳能电池。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积( LPCVD ) 和等离子增强化学气相沉积( PECVD) 工艺，另外还有液相外延法( LPPE )和溅射沉积法。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4 等。但是， 在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVD 在衬底上沉一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶

13、硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，这就是再结晶技术，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅光伏电池的技术，这样制得的光伏电池转换效率明显提高。液相外延( LPE ) 法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。由于多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且可以在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池将成为薄膜太阳能中发展速度最快的。第二代太阳能电池中，多晶硅薄膜太阳能电池是近几年来太阳能电池研究的热点。多晶硅薄膜电池

14、是兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为15%左右，稍低于单晶硅太阳电池，没有明显效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池已经在太阳能电池市场上占据重要地位。但是多晶硅电池也有其缺陷，由于多晶硅属于间接带隙材料，不能被看作理想的薄膜太阳电池材料，但是随着陷光技术、钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展，人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳电池。目前主要用2种技术路线来制备多晶硅薄膜：一种是采用非硅衬底；另一种是采用低品质的硅衬底。2、1、2

15、非晶硅薄膜太阳能电池1976年美国RCA实验室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n结工作的基础上利用光生伏特(PV)效应制成世界上第一个a-Si太阳能电池，揭开了a-Si在光电子器件或PV组件中应用的幄幕。目前a-Si多结太阳能电池的最高光电转换效率己达15%。图6为一般单结的非晶硅太阳能电池结构图，图7为非晶硅太阳能电池。 图6 非晶硅太阳能电池结构图 图7 非晶硅柔性太阳能电池第一层，为普通玻璃，是电池载体。第二层为绒面的TCO。所谓TCO就是透明导电膜，一方面光从它穿过被电池吸收，所以要求它的透过率高；另一方面作为电池的一个电极，所以要求它导电。T

16、CO制备成绒面起到减少反射光的作用。太阳能电池就是以这两层为衬底生长的。太阳能电池的第一层为P层，即窗口层。下面是i层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。再下面为n层，起到连接i和背电极的作用。最后是背电极和Al/Ag电极。 目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),或简称AZO。由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n结。掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势，

17、以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。i区是光敏区，光电导暗电导比在105106，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。它对光子的吸收系数很高，对敏感光谱域的吸收系数在1014cm-1以上，通常0.5m左右厚度的a-Si就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。所以，p-i-n结构的a-Si电池的厚度取0.5m左右，而作为死光吸收区的p、n层的厚度在10nm量级。a-Si太阳能电池即PV组件到80年代后期年产量已达世界光伏器件总产量的约30%，即1000MW以上。技术向生产力

18、的高速转化，说明非晶硅太阳能电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：(1) 材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1m，昂贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺(100-300C)，生产的耗电量小，能量回收时间短。(2) 易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现pn结以及相应的叠层结构；生产可全程自动化。(3) 品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳能电池易于实现集成化，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品

19、。由于光吸收系数高，暗电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于a-Si膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池。灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i

20、-n子电池制得的。 叠层型非晶硅太阳能电池的工作原理：由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，

21、让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。2、1、3 聚合物薄膜太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型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P# N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反,并且第1个电极上2种聚合物的还原电位均高于后者的2种聚合物的还原电位。当2个修饰电

22、极放入含有光敏化剂的电解波中时,光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上,还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移,只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液,因此外电路中有光电流产生。聚合物薄膜太阳能电池的制备的关键步骤是聚合物半导体的层的形成。目前主要有3 种技术:( 1) 真空技术是目前制备薄膜普遍采用的方法之一,主要包括真空镀膜溅射和分子束外延生长技术；( 2) 溶液处理成膜技术。常用的溶液成膜技术主要有电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、分子组装技术、印刷技术等；( 3) 单晶技术。制备聚合物半导体单晶的方法有: 电化学法、扩散法和气相法。由于有

23、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。2、2 太阳能电池薄膜沉积技术气相沉积技术包括化学气相沉积( chemical vapor deposition, CVD) 和物理气相沉积( physical vapor deposition, PVD)。化学气相沉积是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。物理气相沉积是利用某种物理过程,如物质的热

24、蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程，主要包括蒸发法和溅射法。气相沉积技术在太阳能电池薄膜材料的制备中发挥着极其重要的作用。2、2、1 非晶硅( a-Si: H) 太阳能电池制备工艺 (1) 非晶硅( a-Si: H) 薄膜制备工艺非晶硅薄膜太阳能电池是目前公认的环保性能最好的太阳能电池。非晶硅薄膜电池材料是硅和氢( 约10% )的一种合金,是一种资源丰富和环境安全的材料。这种电池制作成本较低，便于实现大面积及连续自动化大量生产，因而受到人们的普遍重视并得到迅速发展。目前，非晶硅薄膜太阳电池的主要研究方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/ 微晶硅异

25、质结太阳能电池，单结非晶硅薄膜太阳能电池的最高转换效率已达16.6% 。非晶硅太阳电池与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗少、电耗低。制造非晶硅太阳能电池最常见的方法有辉光放电法、反应溅射法、等离子增强型化学气相沉积( PECVD ) 法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。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,形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。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，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度的要

26、求也很严格。目前，普遍采用的是PECVD法。在PECVD 法沉积非晶硅薄膜的方法中，一般原料气采用SiH4 和H2 ，制备非晶硅薄膜叠层电池时则采用SiH4和GeH4 ，在沉积过程中，加入B2H5或PH3可实现掺杂，得到N型或P型的非晶硅膜。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe 薄膜。近年来为了提高沉积速率而采用的超高频率RF-PECVD( 70 MHz)沉积工艺制备的三结叠层电池器件的初始光电转换效率已达14%。(2) 上下电极薄膜材料制备工艺太阳能电池电极的主要功能是收集光生电流，并将其输出到负载，故电极薄膜材料性能的好坏对电池输出特性有着至关重要的影响。

27、对于上电极TCO的要求是，具有高的电导率和高的透光率。目前主要采用SnO2 / ITO，也有单独用ITO。ITO 是95%的In2O3 和5%的SnO2 的混合物，可用蒸发法或溅射法制备，也可采用CVD法。其他上电极材料可采用磁控溅射方法制备。Al, Ag等金属下电极一般采用磁控溅射法或真空蒸镀法制备。2、2、2 国产非晶硅薄膜太阳电池生产线介绍思博露公司消化引进国外先进的光伏技术，利用本土资源的优势，在保证先进的技术前提下，思博露的主要技术人员，拥有在美国，英国，和中国等国从事大面积非晶硅薄膜光伏电池的研发和生产25年以上的技术经验积累。2006年，思博露联合北京北仪真空设备公司设计制造的国

28、内非晶硅薄膜太阳电池生产线已经成功投产，整条生产线从设计、制造到调试、投产，历时仅7个月。这在世界范围内也属罕见。同时，除此以外的其他客户，也纷纷与思博露进行洽谈，要求提供非晶硅薄膜太阳电池生产线。目前已有多家公司订货。除了提供生产线及其核心设备和先进生产工艺以外，已经实现并优化了生产线所有配套设备设施整机国产化。思博露也可以向客户提供包括土建，净化车间等基础建设的总体设计技术服务。承担完整非晶硅生产线的交钥匙工程。4年以来，思博露公司努力将生产线的价格大幅度的降低的同时，对核心PECVD与PVD设备的设计与制造水平不断提高，以及器件设计与制备工艺的不断精细化，两者的结合正在使大面积组件的性能

29、与小面积电池的性能的差距向理论极限9-10%靠近，同时良品率也在往理论极限95%靠近。 再加长度超过2.5米的半透明玻璃组件和质轻可弯曲的柔性组件的示范制造都在按计划顺利进行。再加上非晶硅光伏组件最优秀的高温性能与低光照性能，制造过程最优秀的低耗能，低耗材，低排放，使得非晶硅光伏组件显示出在在各种光伏技术中的核心竞争力。思博露可以根据在业界多年的经验积累，给客户在建厂或立项初期，给予科学的指导，避免客户在该领域走不必要的弯路。并且可以根据用户的需求提供个性化生产线的设计。目前思博露提供的规模最小非晶硅太阳电池生产线的产能为2.5MW，便于刚起步的企业。 而大规模生产线则可根据用户需要设计建造，

30、单线产能最大可达36MW。这类国产生产线在保持世界最低价格同时，生产的非晶硅组件不但性能优秀，而且合格率高，产能达标。针对国内不少已建成或在建的非晶硅生产线存在组件性能与良品率上不去的实际情况，思博露的技术骨干认为大部分问题出在核心设备的设计制造存在严重缺陷，但大部分问题是可以通过设备技术改造与工艺优化解决的。思博露公司有能力和有意向承担这些线的技术改造任务。2、3 薄膜太阳能电池的发展前景以薄膜太阳电池为代表的太阳能光伏技术能够利用太阳能为人类提供大规模、安全、环保的电能资源，具有很大的发展前景。但是目前太阳电池的成本偏高，难以批量规模化生产。同时，太阳电池的大规模地面应用，还有很多技术问题

31、亟待解决。气相沉积技术作为一种促进材料科学发展的新兴技术，在降低成本和提高薄膜太阳电池薄膜材料性能方面发挥着越来越重要的作用。随着人们对能源和环境问题的日益关注，薄膜太阳电池材料及其气相沉积技术的研发越来越受到各国政府的关注和支持。相信在不久的将来，新的更先进的气相沉积技术将不断涌现，太阳能光伏电池以其自身独特的优势将可能超越煤炭、石油等常规能源， 成为未来电力供应的主要支柱。第三章 太阳能电池的应用太阳能的光伏利用是解决能源危机的一种有效方法。进入21 世纪,太阳能光伏产业快速发展，市场应用规模迅速扩大，已广泛应用于航天、通讯、交通以及偏远沙漠地区居民的供电等领域，近年来又开辟了太阳能路灯、

32、草坪灯以及建筑物太阳能电池幕墙和生态屋顶等新的应用领域。太阳能光伏发电有可能在不远的将来从根本上改变能源生产、供应和消费方式，给能源发展带来革命性的变化。3、1 太阳能光伏电池的应用实例（1）太阳能路灯太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。（2）暖房太阳能暖房系

33、统（spaceheateng）利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳幅射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，在供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，在加热房间，或透过冷暖房的热（he

34、at pump）装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，在把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。（3） 用户太阳能电源：1 小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；2 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；3 光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。（4） 交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、

35、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。（5） 通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。（6）石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。（7）光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等。（8） 太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给。（9） 其他领域包括：1 与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；

36、2 太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；3 海水淡化设备供电；4 卫星、航天器、空间太阳能电站等。3、2 太阳能光伏组件在建筑上的应用比较太阳能光伏组件按太阳能电池的类型可分为晶体硅太阳能光伏组件和非晶硅太阳能光伏组件。晶体硅太阳能光伏组件主要应用在建筑屋顶和不需要采光的外墙面。晶体硅在光泽度，颜色及质感上有着视觉效果上的明显缺陷。同时，由于晶体硅电池片不透光，颜色单一，为了采光需要将电池片呈方阵排列，让电池片之间留一定间隙，然而效果就如同立面上打了很多小补丁，严重影响建筑立面的视觉效果。但当晶体硅光伏组件应用于建筑屋顶及采光顶时，就能发挥其独特的优势。由于太阳运行轨迹及太阳入射角的变化，建筑

37、的屋顶便于更大范围的接受日照，提高光伏电池的转换效率。而晶体硅光伏组件在采光顶的应用，则是在遮阳与采光的功能中取得了一种平衡。非晶硅电池片具有可多样性加工的优点。即可通过激光加工成点状、布纹状等，还可根据透光率高低，来确定点状密度、布纹状疏稀度。另外非晶硅电池片具有可切片的特性，可将非晶硅电池片裁成一条条窄片，通过加工嵌入中空玻璃内腔中，形成百叶窗状，还可将百叶角度调整以适应不同纬度地区的太阳入射角，从而提高太阳能电池片的转换率。中空玻璃本身具有保温节能作用，而搭载了非晶硅电池片的百叶片即能吸收太阳光直射而产生的大量辐射热，进一步扩大节能效果，又不影响室内采光以及建筑外立面装饰效果。通过对比两

38、种不同类型电池片组件视觉效果，我们不难得出硅晶体电池片的光电幕墙很难在建筑立面推广以及BIPV（光伏与建筑一体化）工程很难在建筑幕墙大面积应用的原因。内置百叶式太阳能电池片中空玻璃的出现为太阳能光伏发电与建筑幕墙一体化工程大面积应用提供了一种行之有效的方法。不同类型的太阳能建筑光伏组件在建筑物上的发展各具优势。如何既能达到功率最大化，又能满足建筑外形美观和功能实用要求，是建筑师及技术研发人员共同追逐的目标。随着太阳能光伏发电产业技术的不断成熟及商业化市场增长，促使光伏发电产业成本的不断降低，太阳能光伏发电与建筑一体化工程前景将十分广阔。第四章 太阳能电池的发展状况目前，太阳能电池产业发展的瓶颈

39、主要有两个方面的问题: 第一个是价格问题。首先要研制能稳定获得高效率且低成本的半导体材料，其次是能用低成本的工艺路线生产这种光伏电池。从成本上讲，太阳能电池仍然是目前常规能源中成本最高的。当前的成本对比如下(表1)表1 常规能源成本对比电力形式煤天然气石油风能核能太阳能成本( f/KW h)1- 42. 3- 56- 85- 76- 725- 50另一个是效率问题。在光电转换的过程中，并不是所有的入射光谱都能被电池所吸收，并完全转成电流。有一半的光谱因能量小于半导体的能隙，对电池的输出没有贡献。而另一半被吸收的光子中，除了产生电子-空穴对所需要的能量外，大概有一半左右的能量以热量的形式浪费掉。

40、所以，单一电池的最高效率约在25%左右，目前实验室所研发出来的电池的效率几乎可以达到理论的最高值。但是因为制造工艺过程复杂，产量太低，造成价格偏高，不符合经济效益，所以这成为光伏电池发展的最大瓶颈。薄膜光伏电池不但存在块状光伏电池产业化发展中遇到的普遍问题，还存在着现有薄膜技术无法达到的要求: 沉积薄膜的速率在每分钟1um以上；沉积的温度在600以下；薄膜的厚度在10um 以下；成长的晶粒大小在1um 以下；少数载子的扩散长度超过10um。所以虽然电池的薄膜技术已经被人们广泛接受，被认为是最具有潜力的方式。但是目前为止仍然没有任何一种技术可以进入产业化。另外，由材料来源看，由于III- V 族

41、化合物及CIS等系由稀有元素所制备，即使它们所制备的太阳能电池转换效率很高，将来也不可能占据主导地位。而另外2类电池，纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这2类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是硅薄膜电池。参考文献 1 陈振兴.高分子电池材料书籍.北京: 化学工业出版社, 2003. 10. 2 何艳荣. 世界太阳能行业发展趋势. 太阳能信息光伏专刊, 总第138期, 2006. 5. 3 非晶硅太阳电池的发展机遇凸显. 阳光能源,2006, 8. 4 杨金焕, 邹乾林, 谈蓓月, 等. 各国光伏路线图与光伏发电的进展. 阳光能源, 2006. 5 王福贞, 马文存. 气相沉积应用技术. 北京: 机械工业出版社, 2007. 6 郭志球, 沈辉, 刘正义, 等. 太阳电池研究进展. 材料导报, 2006. 7 赵玉文. 太阳电池新进展. 物理学与新能源材料专题, 2004, 33 ( 2) : 99 - 100. 8 钟伯强. 薄膜太阳电池. 上海电力, 2006, ( 4) : 364- 371. 9 唐伟忠. 薄膜材料制备原理、技术及应用. 北京: 冶金工业出版社,2003.