光伏市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

光伏市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

由于人類(lèi)對(duì)可支配能源的不斷需求，人們開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)新型能源。太陽(yáng)在40min內(nèi)照射到地球表面的能量可供全球目前能源消費(fèi)的速度使用1年,合理的利用好太陽(yáng)能將是人類(lèi)解決能源問(wèn)題的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略,是其中最受矚目的研究熱點(diǎn)之一。本文主要就太陽(yáng)能電池及關(guān)鍵材料,以及對(duì)各類(lèi)太陽(yáng)能電池的原理及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)闡述,并對(duì)太陽(yáng)能電池及其關(guān)鍵材料的市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行展望。1世界光伏市場(chǎng)在20年,可持續(xù)發(fā)展以太陽(yáng)能為自1954年在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出來(lái)第1塊單晶硅太陽(yáng)能電池以來(lái),開(kāi)啟了人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)能在發(fā)電方面使用的一扇大門(mén)。1958年太陽(yáng)電池首先在航天器上得到應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初,硅太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面應(yīng)用。從80年代起,太陽(yáng)能電池效率大幅度提高,生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。從1990年到2000年,光伏組件的銷(xiāo)售每年平均以20%的速率增長(zhǎng),特別是從1997年以來(lái),年增長(zhǎng)速度上升到30%。近5年期間,世界光伏市場(chǎng)以平均每年40%的幅度增加,到2010年全球市場(chǎng)容量將增加到400億歐元。到2050年,可再生能源占總一次能源的54%,其中太陽(yáng)能的比例約為13%~15%;到2100年,可再生能源將占86%,太陽(yáng)能占67%。據(jù)美國(guó)華盛頓Worldwatch研究院于2007年5月下旬的評(píng)估:多晶硅太陽(yáng)能工業(yè)的成本將快速下降,這將使其成為今后幾年內(nèi)的主流發(fā)電方,至2010年,成本將下降40%以上,多晶硅太陽(yáng)能行業(yè)極有可能在2008~2009年重新進(jìn)入黃金發(fā)展期。日本從1991年開(kāi)始到2001年在建筑屋頂安裝光伏系統(tǒng)累計(jì)333MW,平均每年增長(zhǎng)20MW。美國(guó)1980年正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃,累計(jì)投資達(dá)8億多美元,1997年宣布“百萬(wàn)屋頂光伏計(jì)劃”,到2010年將安裝1000~3000MW太陽(yáng)電池。德國(guó)從1999年啟動(dòng)“屋頂光伏”計(jì)劃,當(dāng)年安裝7MW,2000年39MW,2001年77MW,到2003年達(dá)到405MW。2002年,我國(guó)國(guó)家計(jì)委啟動(dòng)了“西部省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”,光伏用量達(dá)到16.5MW。2006年我國(guó)產(chǎn)量達(dá)到460MW,比2005年增加280%,可再生能源發(fā)展空間巨大。我國(guó)政府規(guī)劃目標(biāo)是2020年太陽(yáng)能電池安裝要達(dá)到1800MW。2晶體硅能電池2.1雙組分纖維電池模型單晶硅太陽(yáng)能電池是當(dāng)前開(kāi)發(fā)得最快的一種太陽(yáng)能電池,以高純的單晶硅棒為原料,純度要求99.999%,其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型,產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面[11,12,13,14,15,16]。德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過(guò)23%。BPSolar公司采用UNSW開(kāi)發(fā)的激光刻槽埋柵技術(shù)生產(chǎn)出的電池平均效率達(dá)到17%。印度物理研究所提出一種內(nèi)部光陷作用的高效硅太陽(yáng)電池模型可將轉(zhuǎn)換效率提高到28.6%。北京太陽(yáng)能研究所研制的刻槽埋柵電極2cm×2cm晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高,但對(duì)硅的純度要求高,且復(fù)雜工藝和材料價(jià)格等因素致使成本較高。2.2太陽(yáng)能電池的回收利用多晶硅太陽(yáng)能電池材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體,或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成,在結(jié)晶的質(zhì)量及純度等方面較低,所以效率也較低。目前大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了12%~14%的水平,實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%。到2010年,多晶硅產(chǎn)量將增加1倍,預(yù)計(jì)多晶硅太陽(yáng)能電池在未來(lái)仍然會(huì)很快的發(fā)展。3薄膜太陽(yáng)能電池3.1太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換20世紀(jì)70年代Carlson等就已開(kāi)始對(duì)非晶硅電池的研制,相對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池,材料消耗少、電耗低、成本低。非晶硅的光學(xué)帶隙為1.7eV,對(duì)太陽(yáng)輻射的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感,還存在光致衰退S-W效應(yīng),可通過(guò)制備疊層太陽(yáng)能電池緩解這些問(wèn)題。目前單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)12.5%。Sanyo公司利用非晶硅沉積在絨面單晶硅片的兩面上,制備出100mm×100mm的電池效率可達(dá)21%,800mm×1200mm的電池效率可達(dá)18.4%。日本鐘淵化學(xué)工業(yè)公司開(kāi)發(fā)薄膜多晶硅與薄膜非晶硅疊合的混合型薄膜硅太陽(yáng)能電池,穩(wěn)定效率為11.5%。國(guó)內(nèi)耿新華等采用工業(yè)材料,制備出面積為20cm×20cm的a-Si/a-Si疊層太陽(yáng)能電池,轉(zhuǎn)換效率為8.28%。如能解決其穩(wěn)定性等問(wèn)題,則將在光伏產(chǎn)業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位。3.2電池的轉(zhuǎn)換效率多晶硅薄膜在長(zhǎng)波段具有高光敏性,能有效吸收可見(jiàn)光且光照穩(wěn)定性強(qiáng),是目前公認(rèn)的高效率、低能耗的理想材料。目前,商品多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率約為12%~14%,產(chǎn)量占硅太陽(yáng)能電池的50%左右。德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)域再結(jié)晶技術(shù)在Si襯底上制得的電池轉(zhuǎn)換效率為19%。日本京工陶瓷公司研制的15cm×15cm的電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了17%。澳大利亞新南威爾士大學(xué),采用熱交換法生長(zhǎng)的多晶硅制備的電池,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%?？梢钥闯?多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展很快,將來(lái)可望使得光伏發(fā)電的成本能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。3.3化合物薄膜太陽(yáng)能電池3.3.1中小型光催化機(jī)構(gòu)材料碲化鎘(CdTe)材料成本低、效率高,且光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜十分吻合。薄膜的生長(zhǎng)工藝主要有:絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法、近空間升華法、真空蒸發(fā)法等。碲化鎘半導(dǎo)體光伏材料理論轉(zhuǎn)換效率為30%。CdTe電池實(shí)驗(yàn)室效率16.4%,大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)化電池平均效率8%~10%。四川大學(xué)制備出的電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.6%。以CdTe吸收層,CdS作窗口層的結(jié)構(gòu)為:減反射膜/玻璃/SnO2:F/CdS/P-CdTe/背電極,這種電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%。3.3.2太陽(yáng)能電池材料1954年,首次發(fā)現(xiàn)砷化鎵材料具有光生伏特效應(yīng),1974年砷化鎵電池效率的理論值達(dá)22%~25%。實(shí)驗(yàn)室條件下在GaAs單結(jié)電池效率已超過(guò)25%。目前研究的砷化鎵系列太陽(yáng)能電池有單晶砷化鎵、多晶砷化鎵、鎵鋁砷-砷化鎵異質(zhì)結(jié)、金屬-半導(dǎo)體砷化鎵、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體砷化鎵等。材料的制備類(lèi)似于硅半導(dǎo)體的制備,有晶體生長(zhǎng)法、直接拉制法、氣相生長(zhǎng)法、液相外延法等。另外,III-V族三、四元化合物(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)半導(dǎo)體材料的技術(shù)日益成熟,可通過(guò)設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)來(lái)提高效率和降低成本。雙結(jié)電池的效率最高為30%,三結(jié)電池為38%,四結(jié)電池為41%。目前,國(guó)外已將砷化鎵太陽(yáng)能電池作為航天飛行器空間主電源,而且砷化鎵組件所占比例逐漸增大,目前已占90%。3.3.3半導(dǎo)體薄膜cigs銅銦硒太陽(yáng)能電池是以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽(yáng)能電池,是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積若干層金屬化合物的半導(dǎo)體薄膜,其厚度大約為2~3μm,具有成本低、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等特性。日本昭和石油公司開(kāi)發(fā)的面積為864cm2的電池轉(zhuǎn)換效率為14.3%。美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室研制出的CIGS電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)19.2%。盡管化合物半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但是其所用的材料中大多有毒,且有的是稀元素,所以其發(fā)展已受到很大限制。3.4聚乙炔共混摻雜聚噻吩共混法以聚合物為材料的太陽(yáng)能電池是近些年開(kāi)始的研究方向,具有分子結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)合成、易加工、毒性小、成本低等特點(diǎn)。目前制作聚合物半導(dǎo)體層主要是:真空技術(shù),主要包括真空鍍膜濺射和分子束外延生長(zhǎng)技術(shù);溶液處理成膜技術(shù),主要有電化學(xué)沉積技術(shù)、鑄膜技術(shù)、分子組裝技術(shù)、印刷技術(shù)等;單晶技術(shù),主要有電化學(xué)法、擴(kuò)散法和氣相法。Heeger等發(fā)現(xiàn),聚乙炔用I2、AsF5摻雜后電導(dǎo)率明顯增高。目前P3HT/PCBM體系最高的光電轉(zhuǎn)化效率為4.0%。李永舫等使帶雙噻嗯乙烯撐邊鏈的二維共軛聚噻吩與PCBM共混時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)3.18%。雖然聚合物電池有著眾多優(yōu)點(diǎn),但性能無(wú)法與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比。使其性能降低的因素很多,如水和氧對(duì)光敏層組分的氧化作用、共軛聚合物和鋁電極之間所起的光致還原反應(yīng)、光輻照所引起的聚合物降解等。需要解決的問(wèn)題:遷移率低、吸光率低,給體與受體材料界面的合適度等。未來(lái)研究應(yīng)該是:提高材料的電導(dǎo)率,提高成膜技術(shù)、器件制作工藝水平和開(kāi)發(fā)新型的材料等。3.5復(fù)合電解質(zhì)的制備染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池是利用具有高比表面積多孔特性的薄膜來(lái)吸附染料敏化劑,吸收未被半導(dǎo)體吸收的光而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而對(duì)半導(dǎo)體電極的光電動(dòng)勢(shì)顯示敏化作用。目前,大多采用液態(tài)電解質(zhì),但會(huì)出現(xiàn)溶劑的泄漏和揮發(fā)等問(wèn)題,因此準(zhǔn)固態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)已成為研究熱點(diǎn)。瑞士Gr?tzel教授1991年研制成功納米TiO2大陽(yáng)能電池。1998年用多孔的有機(jī)空穴材料組裝的高效的固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池,光電轉(zhuǎn)換效率為0.74%。2002年,Krüger等對(duì)有機(jī)空穴材料電解質(zhì)進(jìn)行研究,獲得了3.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。2005年,孟慶波和陳立泉等研制的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)的電池效率達(dá)5.48%。染料敏化太陽(yáng)能電池具有較高的轉(zhuǎn)化效率,制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5~1/10,壽命能達(dá)到20年以上。今后的改進(jìn)方向?yàn)樾滦?、合適敏化劑的探索及制備工藝的改進(jìn)與薄膜化的研究。3.6“塑料”太陽(yáng)電池隨著科技的進(jìn)步,人們對(duì)太陽(yáng)能電池的要求也會(huì)越來(lái)越高,塑料太陽(yáng)能電池成為比較活躍的研究領(lǐng)域之一。BertramBatlogg等制作了一種“塑料”太陽(yáng)電池,材料是半導(dǎo)體有機(jī)分子并五苯,效率為2.4%。加拿大多倫多大學(xué)2005年發(fā)明了一種柔性塑料太陽(yáng)電池,可將30%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能,而最好的塑料太陽(yáng)能電池僅是6%。2007年4月底,美國(guó)WakeForest大學(xué)的納米技術(shù)與分子材料中心的研究小組已使塑料太陽(yáng)能電池的效率超過(guò)6%。使用透明導(dǎo)電塑料襯底的柔性太陽(yáng)能電池近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注,預(yù)計(jì)柔性襯底的使用將成為薄膜光伏器件的發(fā)展趨勢(shì)。4太陽(yáng)能電池的制備工藝隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,新材料制成的太陽(yáng)能電池層出不窮,其中雖然多