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              1. 山東新丞華展覽有限公司
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                太陽能電池

                 SUCE

                太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或光電池”,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,縮寫為PV),簡稱光伏。

                太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的晶硅太陽能電池為主流,而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。


                發展

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                數據顯示2012年,我國太陽能電池繼續保持產量和性價比優勢,國際競爭力愈益增強。
                隨著太陽能電池行業的不斷發展,內業競爭也在不斷加劇,大型太陽能電池企業間并購整合與資本運作日趨頻繁,國內優秀的太陽能電池生產企業愈來愈重視對行業市場的研究,特別是對產業發展環境和產品購買者的深入研究。正因為如此,一大批國內優秀的太陽能電池品牌迅速崛起,逐漸成為太陽能電池行業中的翹楚。

                歷史

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                術語“光生伏特(Photovoltaics)”來源于希臘語,意思是、伏特電氣的,來源于意大利物理學家亞歷山德羅·伏特的名字,在亞歷山德羅·伏特以后“伏特”便作為電壓的單位使用
                以太陽能發展的歷史來說,光照射到材料上所引起的“光起電力”行為,早在19世紀的時候就已經發現了。
                1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發現。1849年術語“光-伏”才出現在英語中。
                1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts制備成功。Charles用硒半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結,器件只有1%的效率。
                到了20世紀30年代,照相機曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。
                1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的制造專利。
                到了20世紀50年代,隨著半導體物性的逐漸了解,以及加工技術的進步,1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發現在硅中摻入一定量的雜質后對光更加敏感這一現象后,第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽電池技術的時代終于到來。
                自20世紀58年代起,美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池作為能量的來源。
                20世紀70年代能源危機時,讓世界各國察覺到能源開發的重要性。
                1973年發生了石油危機,人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。
                美國、日本以色列等國家,已經大量使用太陽能裝置,更朝商業化的目標前進。
                在這些國家中,美國于1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠,它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案,鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。
                而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法,推廣每戶3,000瓦特的“市電并聯型太陽光電能系統”。在第一年,政府補助49%的經費,以后的補助再逐年遞減?!笆须姴⒙撔吞柟?a target="_blank" style="color:#136EC2;text-decoration:none;">電能系統”是在日照充足的時候,由太陽能電池提供電能給自家的負載用,若有多余的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候,所需要的電力再由電力公司提供。到了1996年,日本有2,600戶裝置太陽能發電系統,裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年后,已經有9,400戶裝置,裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。隨著環保意識的高漲和政府補助金的制度,預估日本住家用太陽能電池的需求量,也會急速增加。
                在中國,太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月,財政部宣布擬對太陽能光電建筑等大型太陽能工程進行補貼。

                原理


                太陽光照在半導體p-n結上,形成新的空穴-電子對,在p-n結內建電場的作用下,光生空穴流向p區,光生電子流向n區,接通電路后就產生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。
                太陽能發電有兩種方式,一種是光—熱—電轉換方式,另一種是光—電直接轉換方式。
                光—熱—電轉換
                光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣,再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程;后一個過程是熱—電轉換過程,與普通的火力發電一樣。太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高,估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20~25億美元,平均1kW的投資為2000~2500美元。因此,只能小規模地應用于特殊的場合,而大規模利用在經濟上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競爭。
                光—電直接轉換
                太陽能電池發電是根據特定材料的光電性質制成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應于不同頻率)的電磁波, 如紅外線、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上,光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉化為電能,值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關,只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關,譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV,因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產生光電效應。 太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式,發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體,不會對環境造成污染。按照制作材料分為硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。對于太陽電池來說最重要的參數是轉換效率,在實驗室所研發的硅基太陽能電池中,單晶硅電池效率為25.0%,多晶硅電池效率為20.4%,CIGS薄膜電池效率達19.6%,CdTe薄膜電池效率達16.7%,非晶硅(無定形硅)薄膜電池的效率為10.1%
                太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件,其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”,它是不導電的,但如果在半導體中摻入不同的雜質,就可以做成P型與N型半導體,再利用P型半導體有個空穴(P型半導體少了一個帶負電荷的電子,可視為多了一個正電荷),與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流,所以當太陽光照射時,光能將硅原子中的電子激發出來,而產生電子和空穴的對流,這些電子和空穴均會受到內建電位的影響,分別被N型及P型半導體吸引,而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來,形成一個回路,這就是太陽電池發電的原理。
                簡單的說,太陽光電的發電原理,是利用太陽電池吸收0.4μm~1.1μm波長(針對硅晶)的太陽光,將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。
                由于太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器,換成交流電,才能供電至家庭用電或工業用電。
                太陽能電池的充電發展太陽能電池應用在消費性商品上,大多有充電的問題,過去一般的充電對象采用鎳氫或鎳鎘干電池,但是鎳氫干電池無法抗高溫,鎳鎘干電池有環保污染的問題。超級電容發展快速,容量超大,面積反縮小,加上價格低廉,因此有部份太陽能產品開始改采超級電容為充電對象,因而改善了太陽能充電的許多問題:
                1. 充電較快速,
                2. 壽命長5倍以上,
                3. 充電溫度范圍較廣,
                4. 減少太陽能電池用量(可低壓充電) 。

                電池組件


                太陽能電池組件構成及各部分功能——
                1)鋼化玻璃其作用為保護發電主體(如電池片),透光其選用是有要求的: 1.透光率必須高(一般91%以上);2.超白鋼化處理。
                2) EVA 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體(如電池片),透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命,暴露在空氣中的EVA易老化發黃,從而影響組件的透光率,從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外,組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的,如EVA膠連度不達標,EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠,都會引起EVA提早老化,影響組件壽命。主要粘結封裝發電主體和背板。
                3)電池片主要作用就是發電,發電主體市場上主流的是晶體硅太陽電池片、薄膜太陽能電池片,兩者各有優劣。晶體硅太陽能電池片,設備成本相對較低,光電轉換效率也高,在室外陽光下發電比較適宜,但消耗及電池片成本很高;薄膜太陽能電池,消耗和電池成本很低,弱光效應非常好,在普通燈光下也能發電,但相對設備成本較高,光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點,如計算器上的太陽能電池。
                4)背板作用,密封、絕緣、防水(一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化,大部分組件廠家都是質保25年,鋼化玻璃,鋁合金一般都沒問題,關鍵就在與背板和硅膠是否能達到要求。)
                5)鋁合金保護層壓件,起一定的密封、支撐作用。
                6)接線盒保護整個發電系統,起到電流中轉站的作用,如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串,防止燒壞整個系統接,線盒中最關鍵的是二極管的選用,根據組件內電池片的類型不同,對應的二極管也不相同。
                7)硅膠密封作用,用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處。有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代硅膠,國內普遍使用硅膠,工藝簡單,方便,易操作,而且成本很低。

                基本特性


                太陽能電池的基本特性有太陽能電池的極性、太陽電池的性能參數、太陽能電環保電池的伏安特性三個基本特性。具體解釋如下
                1、太陽能電池的極性
                硅太陽能電池的一般制成P+/N型結構或N+/P型結構,P+和N+,表示太陽能電池正面光照層半導體材料的導電類型;N和P,表示太陽能電池背面襯底半導體材料的導電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用半導體材料的特性有關。
                2、太陽電池的性能參數
                太陽電池的性能參數由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉換效率等組成。這些參數是衡量太陽能電池性能好壞的標志。
                3 太陽能電池的伏安特性
                P-N結太陽能電池包含一個形成于表面的淺P-N結、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當電池暴露于太陽光譜時,能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻能量Eg,小于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此,在太陽能電池的設計和制造過程中,必須考慮這部分熱量對電池穩定性、壽命等的影響。

                性能參數


                1、開路電壓
                開路電壓UOC:即將太陽能電池置于AM1.5光譜條件、100 mW/cm2的光源強度照射下,在兩端開路時,太陽能電池的輸出電壓值。
                2、短路電流
                短路電流ISC:就是將太陽能電池置于AM1.5光譜條件、100 mW/cm2的光源強度照射下,在輸出端短路時,流過太陽能電池兩端的電流值。
                3、最大輸出功率
                太陽能電池的工作電壓和電流是隨負載電阻而變化的,將不同阻值所對應的工作電壓和電流值做成曲線就得到太陽能電池的伏安特性曲線。如果選擇的負載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大,即可獲得最大輸出功率,用符號Pm表示。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流,分別用符號Um和Im表示。
                4、填充因子
                太陽能電池的另一個重要參數是填充因子FF(fill factor),它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。
                FF: 是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標, 是代表太陽能電池在帶最佳負載時, 能輸出的最大功率的特性,其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。FF 的值始終小于1。串、并聯電阻對填充因子有較大影響。串聯電阻越大,短路電流下降越多,填充因子也隨之減少的越多;并聯電阻越小,其分電流就越大,導致開路電壓就下降的越多,填充因子隨之也下降的越多。
                5、轉換效率
                太陽能電池的轉換效率指在外部回路上連接最佳負載電阻時的最大能量轉換效率,等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比。太陽能電池的光電轉換效率是衡量電池質量和技術水平的重要參數,它與電池的結構、結特性、材料性質、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環境變化等有關。

                功率計算


                太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽能直流發電系統則不包括逆變器。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源,就要根據用電器的功率,合理選擇各部件。下面以100W輸出功率,每天使用6個小時為例,介紹一下計算方法:
                  1.首先應計算出每天消耗的瓦時數(包括逆變器的損耗):
                若逆變器的轉換效率為90%,則當輸出功率為100W時,則實際需要輸出功率應為100W/90%≈111W;若按每天使用5小時,則耗電量為111W×5h=555Wh。
                1. 計算太陽能電池板:
                按每日有效日照時間為6小時計算,再考慮到充電效率和充電過程中的損耗,太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中,太陽能電池板的實際使用功率。

                產業現狀


                太陽能電池主要是以半導體材料為基礎,其工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電于轉換反應,根據所用材料的不同,太陽能電池可分為:1、硅太陽能電池;2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料制備的太陽能電池;4、納米晶太陽能電池等。

                應用現狀

                據Dataquest的統計資料顯示,全世界共有136 個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中,其中有95 個國家正在大規模地進行太陽能電池的研制開發,積極生產各種相關的節能新產品。1998年,全世界生產的太陽能電池,其總的發電量達100
                光伏發電光伏發電
                0兆瓦,1999年達 2850兆瓦。根據歐洲光伏工業協會EPIA2008年的預測,如果按照2007年全球裝機容量為2.4GW來計算,2010年全球的年裝機容量將達到6.9GW,2020年和2030年將分別達到56GW和281GW,2010年全球累計裝機容量為25.4GW,預計2020年達到278GW,2030年達到1864GW。全球太陽能電池產量以年均復合增長率47%的速度迅猛增長,2008年產量達到6.9GW。
                許多國家正在制訂中長期太陽能開發計劃,準備在21世紀大規模開發太陽能,美國能源部推出的是國家光伏計劃,日本推出的是陽光計劃。NREL光伏計劃是美國國家光伏計劃的一項重要的內容,該計劃在單晶硅和高級器件、薄膜光伏技術、PVMaT、光伏組件以及系統性能
                太陽能電池汽車太陽能電池汽車
                和工程、 光伏應用和市場開發等5個領域開展研究工作。
                美國還推出了"太陽能路燈計劃",旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據計劃,每盞路燈每年可節電800 度。日本也正在實施太陽能"7萬套工程計劃", 日本準備普及的太陽能住宅發電系統,主要是裝設在住宅屋頂上的太陽能電池發電設備,家庭用剩余的電量還可以賣給電力公司。一個標準家庭可安裝一部發電3000瓦的系統。歐洲則將研究開發太陽能電池列入著名的"尤里卡"高科技計劃,推出了10萬套工程計劃"。這些以普及應用光電池為主要內容的"太陽能工程"計劃是推動太陽能光電池產業大發展的重要動力之一。
                日本、韓國以及歐洲地區總共8個國家決定攜手合作,在亞洲內陸及非洲沙漠地區建設世界上規模最大的太陽能發電站,他們的目標是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區的長時間日照資源有效地利用起來,為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計劃將從2001年開始,花4年時間完成。
                美國和日本在世界光伏市場上占有最大的市場份額。美國擁有世界上最大的光伏發電廠,其功率為7MW,日本也建成了發電功率達1MW的光伏發電廠。全世界總共有23萬座光伏發電設備,以色列、澳大利亞、新西蘭居于領先地位。
                20世紀90年代以來,全球太陽能電池行業以每年15%的增幅持續不斷地發展。據Dataquest發布的最新統計和預測報告顯示,美國、日本和西歐工業發達國家在研究開發太陽能方面的總投資,1998年達570億美元;1999年646億美元;2000年700億美元;2001年將達820億美元;2002年有望突破1000億美元。

                中國現狀

                中國對太陽能電池的研究開發工作高度重視,早在七五期間,非晶硅半導體的研究工作已經列入國家重大課題;八五和九五期間,中國把研究開發的重點放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月,國家發改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發計劃,發改委"光明工程"將籌資100億元用于推進太陽能發電技術的應用,計劃到2015年全國太陽能發電系統總裝機容量達到300兆瓦。中國已成為全球光伏產品最大制造國,中國即將出臺的《新能源振興規劃》,中國光伏發電的裝機容量規劃為2020年達到20GW,是原來《可再生能源中長期規劃》中1.8GW的10多倍。
                2002年,國家有關部委啟動了"西部省區無電鄉通電計劃",通過太陽能和小型風力發電解決西部七省區無電鄉的
                多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池
                用電問題。這一項目的啟動大大刺激了太陽能發電產業,國內建起了幾條太陽能電池的封裝線,使太陽能電池的年生產量迅速增加。據專家預測,中國光伏市場需求量為每年5MW,2001~2010年,年需求量將達10MW,從2011年開始,中國光伏市場年需求量將大于20MW。
                2009年,國務院根據工信提供的報告指出多晶硅產能過剩,實際業界人并不認可,科技部已經表態,多晶硅產能并不過剩。

                發展前景

                太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、 通信、家用電器以及公用設施等部門,尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用,以節省造價很貴的輸電線路。但是在現階段,它的成本還很高,發出1kW電需要投資上萬美元,因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。
                市場上銷售的光伏電池主要是單晶硅為原料生產的。由于單晶硅電池生產能耗大,一些專家認為現有單晶硅電池生產能耗大于其生命周期內捕獲的太陽能,是沒有價值的。最樂觀的估計是需要10年左右時間,使用單晶硅電池所獲得的太陽能才能大于其生產所消耗的能量。而單晶硅是石英砂經還原,融化后拉單晶得到的。生產過程能耗大,產生的有毒有害物質多,環境污染嚴重。國外紛紛將其轉移到中國生產。我國各地大上單晶硅及單晶硅電池生產線。
                然而,我們不掌握光伏電池生產技術。單晶硅光伏電池生產技術雖然很成熟,然而還在不斷發展,其他各種光伏電池技術也在不斷涌現。光伏電池的成本和光電轉換效率離真正市場化還有很大差距,光伏電池市場主要靠各國政府財政補貼。歐洲市場光伏發電補貼高達每度電1元以上。今后,要使光伏電池大規模應用,必須不斷改進光伏電池效率和生產成本,在這個過程中,生產技術和產品會不斷更新換代。其更新換代周期短,僅3-5年。光伏電池生產企業投資大,回收周期長,由于技術更新快,國內企業,如果不掌握技術,及時更新技術,就會很快被淘汰,很可能不能收回投資。
                但是,從長遠來看,隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明,各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求,太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法,可為人類未來大規模地利用太陽能開辟廣闊的前景。

                分類


                太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類,而前者又分為單結晶形和多結晶形。
                按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形,而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。
                太陽能電池根據所用材料的不同,太陽能電池還可分為:硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池,其中硅太陽能電池是發展最成熟的,在應用中居主導地位。

                硅太陽能

                國際空間站太陽能電池板國際空間站太陽能電池板
                硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。
                單晶硅太陽能電池轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%,規模生產時的效率為15%(截止2011,為18%)。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位,但由于單晶硅成本價格高,大幅度降低其成本很困難,為了節省硅材料,發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽能電池的替代產品。
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