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  • 太阳能电池

    太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到,瞬间就可输出电压电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,photo 光线,voltaics 电力,缩写为PV),简称光伏。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

    编辑摘要

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    定义/太阳能电池 编辑

    太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

    发展/太阳能电池 编辑

     
    《中国太阳能电池行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》数据显示2012年,我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势,国际竞争力愈益增强。产量持续增大,预计2012年,我国太阳能电池产能将超过40GW,产量将超过24GW,仍将占据全球半壁江山。
    随着太阳能电池行业的不断发展,内业竞争也在不断加剧,大型太阳能电池企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的太阳能电池生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的太阳能电池品牌迅速崛起,逐渐成为太阳能电池行业中的翘楚!

    发电成本/太阳能电池 编辑

    光伏发电成本随着产业的发展不断降低,其中光伏组件成本30年来几乎降低了2个数量级。随着技术进步,产业规模不断扩大,光伏发电的成本将继续不断降低。    

    据有关资料统计显示,在1991年国外光伏发电价格为40-75美分/kwh,1995年为25-50美分/kwh,2000年为12-20美分/kwh,而光伏系统成本则分别为10-20美元/Wp、7-15美元/Wp、3-7美元/Wp。

    据了解,我国太阳能电池组件目前的价格大约为3.95美元/瓦,并网系统价格为6-7美元/瓦,发电成本为0.25美元/瓦。最近完成的8兆瓦并网光伏系统的前期研究表明,目前太阳光转化成电能的转化率不到15%,光伏发电上网电价4—5元/千瓦时,是目前火电成本的10倍左右。如此高的价格,无论是由用户分摊还是由国家补贴,大规模推广使用太阳能的阻力很大。暂时还无法同火电、风电等竞争。    

    然而世界上近期的大规模市场发展和快速的技术进步正在使光伏系统设备和发电成本有效降低,预计到2010年光伏系统将降到3美元/瓦左右,发电成本将下降到每度0.1美元,也就是人民币1元钱左右。    

    预计到2020年太阳能发电成本将进一步下降,为2010年的一半,到2030年预计为2020年水平的一半。

    并网发电系统/太阳能电池 编辑

     

    可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。
    因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用可再生能源所发出的电力,减小能量损耗,降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源,降低整个系统的负载缺电率。同时,可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。
    太阳能并网发电系统主要产品分类 A、光伏并网逆变器B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器 (双馈变流器,全功率变流器)。

    简介/太阳能电池 编辑

     

    太阳能电池太阳能电池

    太阳能电池发电是根据爱因斯坦光电效应而运用于日常生活。黑体(太阳)辐射出不同波长(频率)的电磁波, 如红、紫外线可见光等等。当这些射线照射在不同导体半导体上,光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高

    ,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能,值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关,譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV,因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 

    太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率,在实验室所研发的硅基太阳能电池中,单晶硅太阳电池的效率为25.0%,多晶硅太阳电池的效率为20.4%,单晶体硅薄膜太阳电池的效率为16.7%,非晶硅薄膜太阳电池的效率为10.1%。[1]

    原理/太阳能电池 编辑

    太阳能电池PN结结构与发电原理太阳能电池PN结结构与发电原理

    太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件,其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”,它是不导电的,但如果在半导体中掺入不同的杂质,就可以做成P型与N型半导体,再利用P型半导体有个电洞(P型半导体少了一个带负电荷的电子,可视为多了一个正电荷),与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流,所以当太阳光照射时,光能将原子中的电子激发出来,而产生电子和空穴的对流,这些电子和空穴均会受到内建电位的影响,分别被N型及P型半导体吸引,而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来,形成一个回路,这就是太阳电池发电的原理。

    简单的说,太阳光电的发电原理,是利用太阳电池吸收0.4μm~1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光,将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。[2]

    发展历史/太阳能电池 编辑

    太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的“光起电力”行为,早在19世纪的时候就已经发现了。 

    1849年术语“光-伏”才出现在英语中。  

    1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。  

    1883年第一块太阳能电池由Charles Fritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。  

    1946年Russell Ohl申请了现代太阳能电池的制造专利。

    到了1950年代,随着半导体物理性质的逐渐了解,以及加工技术的进步,1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳能电池技术的时代终于到来。  

    1960年代开始,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。  

    1970年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

    在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。 

    推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法,推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助再逐年递减。到了1996年,日本有2,600户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。由于环保意识的高涨和政府补助金的制度,日本住家用太阳能电池的需求量,也急速增加。 

    在中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月,财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。[3]

    2010年9月9日《大众科学》报道,科学家利用水母身上提取的绿色荧光蛋白(GFP),该小组制作的装置可用这些“黏黏绿”将紫外光转化为自由电子。该科研小组制造的电池由在二氧化硅基底上被一个小缝隔开的两个简单的铝电极组成,GFP置于两电极中间并起连接作用。当把紫外光放进来的时候,GFP不断将光子抓走,并产生电子进入电路产生电流。同时,GFP非常廉价,不需要昂贵的添加剂或昂贵的加工,此外,它还能被封装成独立的不需要外光源的燃料电池。科学家相信,此能源装置缩小后可用来驱动微小的纳米设备。[4]

    工艺/太阳能电池 编辑

    制造材料

    太阳能电池构造太阳能电池构造

    太阳电池的材料种类非常的多,可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料,简单地说,凡光照后,而产生电能的,就是太阳电池寻找的材料。  

    太阳能光伏电池通常用晶体硅或薄膜材料制造,前者由切割、铸锭或者锻造的方法获得,后者是一层薄膜附着在低价的衬背上。市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制作的,2006年占93%左右;未来发展的重点是薄膜太阳电池,它因用材少、重量小、外表光滑、安装方便而更具发展潜力。

    工艺形式

    太阳电池型式上也分有,基板式或是薄膜式,基板在制程上可分拉单晶式的、或相溶后冷却结成多晶的块材,薄膜式是可和建筑物有较佳结合,如有曲度或可挠式、折叠型,材料上较常用非晶硅。另外还有一种有机或纳米材料研发,仍属于前瞻研发。因此,也就是不同世代的太阳电池:第一代基板硅晶(Silicon Based)、第二代为薄膜(Thin Film)、第三代新观念研发(New Concept)、第四代复合薄膜材料。[3]

    [3]

    光合太阳能电池

    光合作用是通过将光能转化为电能,继而将电能转化为活跃的化学能,最终将其转化为稳定的化学能的过程,这一过程也就为利用光合作用发电提供了基础。由于光合作用能够相对高效地将太阳能转化成电能,而且在转化的过程中仅消耗水,对环境没有丝毫的污染,所以在其它自然能源日益匮乏,环境污染严重的今天,利用光合作用解决人类的能源需求问题已经成为科学家研究的热点问题。[5]

    产业链/太阳能电池 编辑

    太阳能电池太阳能电池

    产业链最上游是太阳能晶硅制备,这个环节技术门槛高(尤其是多晶硅),具有一定垄断性,Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi和Sumitomo等公司掌握晶硅制备技术,占据全球太阳能多晶硅总产量的95%以上。

    第二个环节是硅片(Wafer)生产。这一环节的主要技术流程包括铸锭(或单晶生长)、切方滚磨、用多线切割机切片、化学腐蚀抛光,其中铸锭(或单晶生长)环节属于高能耗,切割机等的投资规模相对较大,具有工艺、资金方面的壁垒。在这个环节中Sharp、Q-cells、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等公司占据较大的市场份额。中国的天威英利是这个领域的竞争者之一,具备生产单晶硅片的能力,技术难度仅次于多晶硅的制造。

    第三个层次是太阳能电池制造,中国的代表企业是宏威集团、无锡尚德和天威英利,产能、产量都属于全球主流的太阳能电池制造商。第四个环节是组件封装,技术含量相对较低,进入门槛低,属于劳动力密集型产业,国内有较多企业参与这个市场。[6]

    应用/太阳能电池 编辑

    1.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。 

    2. 交通领域:如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、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。 

    3. 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。 

    4. 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。 

    5.家庭灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。 

    6.光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。 

    7.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,是未来一大发展方向。 

    8.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;(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。

    太阳能电池产业/太阳能电池 编辑

    据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。

    日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。

    中国

    2003年10月,国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划,发改委"光明工程"将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。

    新型产品/太阳能电池 编辑

    据了解,用于供电的太阳能电池板会占据屋顶的大部分空间,为太阳能加热系统留下的空间很少。为了解决这一问题,美国科学家制造出了一种新的太阳能电池系统,其不仅供电能力更强,并且也能捕获更多热量来加热房间和水。

    太阳能光伏热能系统指利用太阳电池的光生伏特效应,将太阳能直接转换成电能的发电系统。但迄今为止,与独立式太阳能集热器相比,其生热能力要略逊一筹。那是因为,它们需要在低温下操作,以冷却晶体硅太阳能电池,这就会让硅发电更多,但集热能力就乏善可陈了。

    相关信息/太阳能电池 编辑

    太阳能电池始终要在有很多阳光的城市才能发挥更大的作用,然而,在很多雾霾连天的地方,比如伦敦和西雅图,这些城市怎么实现太阳能发电?最近,科学家们已经找到了方法。
    这个解决的方案可以归结为有机太阳能电池。不同于传统的硅基太阳能电池,这种被称之为OPV的有机太阳能电池,可以通过3D打印或者是涂敷覆盖相当大的面积。
    比起传统硅基电池,OPV的光电转换效率并没有优势。但是在光线有限的时候,OPV的发电能力明显要比硅基电池更高。而且,这种电池的效率一直在进步,从2008年的5%,到现在已经有了12%效率了。而普通的硅基电池15%-20%的效率比起OPV来,成本不占优势。
    硅基电池需要阳光直射才能有效率,有机太阳能电池则无这方面的缺点。任意角度、即使是较弱的光线,都能发挥作用。白天阳光强烈的时候效率固然很高,总体而言,还是光线不足的时间更长。而且即使是阴天,仍然有一定的光线穿过云层。因此,OPV可以在一天中的大部分时间发挥作用。
    OPV电池在目前的评级中尚被定位为“低效率”品牌,这对于潜在的投资者们来说不得不考虑。但是,OPV电池更薄、更灵活、更便宜。颜色、形状、透明度也更为多样。因此,只要证明了他们的工作效率,OPV将会获得广阔的商业发展空间!
    事实上,这也正是卡斯特罗和他的团队在做的事情。让有机电池在实际操作过程中证明它们的价值,而不仅仅是在实验室中提高它们的效率。寻找国际合作者的进展虽然很慢,但他预计3年内将取得进展。[7]


     

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2011-12-05
    [2]^引用日期:2011-12-05
    [3]^引用日期:2011-12-05
    [4]^引用日期:2010-09-10
    [5]^引用日期:2010-10-05
    [6]^引用日期:2010-04-30
    [7]^引用日期:2014-04-22
    扩展阅读
    1光伏组件材料对太阳能电池组件功率的影响
    2塑料太阳能电池性能新研究
    3http://www.qianzhan.com/report/detail/f02beb95292943d0.html
    4太阳能电池的工作原理及其三种特性

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