太陽能與能源

太陽能與能源

專家估計(jì)，經(jīng)過幾十年的能源消耗，可以開采的石油資源將消耗幾十年，自然資源只能為人類提供大約200年的能源。能源問題已成為世界的一個主要問題。同時，隨著污染日益嚴(yán)重，人們希望開發(fā)能源，尤其是可能源能源。風(fēng)能和朝照能是可用的能源，但它們受到地理環(huán)境和其他條件的限制。它們只能輻射于地球的每個角落。它們是21世紀(jì)最大的新能源之一。在中國，幅員遼闊，太陽能豐富。在能源供應(yīng)條件好的地區(qū)，占總面積的2.3%以上。特別是在西部地區(qū)，人口密度低，離主要道路和交通距離遠(yuǎn)。顯然，太陽能是這些地區(qū)能源的最佳選擇。由于內(nèi)部反應(yīng)，太陽溫度達(dá)到1.5.107k，因此產(chǎn)生大量的熱量。地球上的太陽能非常大。大約40分鐘，地球上的太陽能足以滿足世界人類一年的能量需求。此外，利用太陽能可以減少污染?，F(xiàn)在，利用太陽能發(fā)電主要集中在兩個方面：利用太陽能加熱液體并將其轉(zhuǎn)化為氣體并將其驅(qū)動軸壓機(jī)。另一個是太陽能電池。根據(jù)半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)(光伏效應(yīng))制成的太陽能電池即光伏電池,是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件.用這種器件封裝成太陽能電池組件,再按需要將多塊組件組合成一定功率的太陽能電池方陣,經(jīng)與儲能裝置、測量控制裝置及直流-交流變換裝置等相配套,即構(gòu)成太陽能電池發(fā)電系統(tǒng),也稱之為光伏發(fā)電系統(tǒng).它具有不消耗常規(guī)能源、無轉(zhuǎn)動部件、壽命長、維護(hù)簡單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪聲、無污染等優(yōu)點(diǎn).因此,自1954年第一塊太陽能電池問世以來,得到了飛速發(fā)展,僅僅經(jīng)過40多年的時間,目前已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域的重要電源,并將進(jìn)一步發(fā)展成為21世紀(jì)世界能源舞臺上的主要成員之一.1原理1.1太陽光譜的特性太陽輻射能來源于其內(nèi)部的熱核反應(yīng),每s轉(zhuǎn)換的能量約為4×1026J,基本上都是以電磁輻射的形式發(fā)射出來.輻射波長分布在紫外到紅外區(qū)(0.2～0.3μm).所消耗的氫只不過是太陽總質(zhì)量的2.6×10-14,是微不足道的.為了定量描述太陽能,將在太陽-地球平均距離處的自由空間中太陽的輻射強(qiáng)度定義為太陽能常數(shù)(數(shù)值為1353W/m2),將大氣對地球表面接收太陽光的影響程度定義為大氣質(zhì)量(AM).AM數(shù)值不同,太陽光譜會產(chǎn)生不同的變化.當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為太陽能常數(shù)時,大氣質(zhì)量記作AM0.AM0光譜適合于人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的情況.大氣質(zhì)量AM1的光譜對應(yīng)于直射到地球表面的太陽光譜(其入射光功率為925W/m2).圖1是AM0和AM1兩種條件下的太陽光譜,它們之間的差別是由大氣對太陽光的吸收引起的衰減造成的,主要來自臭氧層對紫外光的吸收和水蒸氣對紅外光的吸收,以及空氣中塵埃和懸浮物的散射.太陽光譜對太陽電池材料的選擇是一個很重要的因素.1.2光伏效應(yīng)光電池等效電路圖2為p-n結(jié)太陽能電池示意圖.它由在表面形成的淺p-n結(jié)、正面的梳狀電極、覆蓋整個背面的歐姆接觸和正面的抗反射涂層四部分構(gòu)成.p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散,n區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散,引起p區(qū)荷負(fù)電,n區(qū)荷正電,在p-n交界面附近的一個區(qū)域(結(jié)區(qū),或稱耗盡區(qū))內(nèi)形成一電場,稱為內(nèi)建電場,如圖3(a)所示.圖中左側(cè)為n區(qū),右側(cè)為p區(qū),縱坐標(biāo)為電子能量.電子能量越高,電勢越低.n區(qū)電勢比p區(qū)電勢高,電場方向由n區(qū)指向p區(qū).當(dāng)光電池受到太陽光照時,能量大于構(gòu)成p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg的光子將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶,同時在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,它們都稱為光生載流子.在p-n結(jié)的結(jié)區(qū),光生電子和空穴被內(nèi)建電場分別推到勢壘的n、p區(qū)邊沿,然后向各自的內(nèi)部擴(kuò)散,在兩端形成電壓,這就是光伏效應(yīng).若在p-n結(jié)兩端接入外電路,該光生電壓就可形成電流.從外電路來看,發(fā)生光伏效應(yīng)的那個p-n結(jié)就是一個電源,即光電池.從能量轉(zhuǎn)換的角度來看,光伏效應(yīng)是能量大于Eg的光子將其一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?為了導(dǎo)出轉(zhuǎn)換效率,考慮p-n結(jié)被太陽光照射時的等效電路圖3(b).其中左圖為實(shí)際接線線路圖;右圖為等效電路,其中有一恒流源和結(jié)并聯(lián),恒流源電流IL是由太陽光照激發(fā)出來的過剩載流子產(chǎn)生的.流過二極管的電流為I=IS(eqV/kT-1),IS是二極管飽和電流,RL是負(fù)載電阻.流過二極管的電流等于IL與I之和,故這種太陽能電池的理想I-V特性由下式給出:I=IS(eqV/kT-1)-IL(1)按此式和具體器件有關(guān)參數(shù)可算出該器件的I-V特性曲線,如圖4中RS=0的曲線(有關(guān)參數(shù)為:IL=100mA,IS=1nA,器件截面積A=4cm2和T=300K).寫出輸出功率P=IV的具體形式,對之求導(dǎo)數(shù),當(dāng)dP/dV=0時,輸出功率最大.將此時的輸出電壓和電流分別記為Vm和Im,可證明太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率由下式給出:η=ImVmPin=FFILVOCPin(2)η=ΙmVmΡin=FFΙLVΟCΡin(2)式中Pin是入射功率,VOC為開路電壓(電池兩端開路時的路端電壓),占空因子FF定義為FF≡ImVmILVOC(3)FF≡ΙmVmΙLVΟC(3)為使效率達(dá)到最大,應(yīng)使式(2)分子中的三個量FF、IL和VOC都增加到最大.有許多因素可以使太陽能電池的效率降低.其中主要因素之一是歐姆接觸的串聯(lián)電阻RS引起的損耗.計(jì)入RS的等效電路如圖4所示,將I-V特性式(1)變?yōu)閘n(I+ILIS+1)=qkT(V?IRS)(4)ln(Ι+ΙLΙS+1)=qkΤ(V-ΙRS)(4)圖4畫出了RS=5Ω情形的曲線.可以看出:僅僅5Ω的串聯(lián)電阻就使有用功率相對于RS=0時的最大輸出功率減小了70%以上.而串聯(lián)電阻與p-n結(jié)的結(jié)深、p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度及正面歐姆接觸的形狀等因素有關(guān).具有圖2所示幾何形狀的典型硅太陽能電池,n+-p結(jié)(n區(qū)摻雜濃度比p區(qū)摻雜濃度高的p-n結(jié))和p+-n結(jié)(p區(qū)摻雜濃度比n區(qū)摻雜濃度高的p-n結(jié))光電池的串聯(lián)電阻分別約為0.7Ω和0.4Ω.使效率降低的另一個原因是耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流,即光生電子和光生空穴在結(jié)區(qū)擴(kuò)散過程中進(jìn)行復(fù)合而形成的電流.它消耗了部分光生載流子,使它們不能被用來對外電路提供電流,故使光電池的效率降低.有復(fù)合電流情況下的效率比理想情況下低得多,300K時可使硅太陽能電池的效率下降25%.2最佳eg值的確定對于太陽能電池材料的選取,禁帶寬度Eg是一個關(guān)鍵參數(shù).Eg與圖1所示太陽光譜中的主要部分的能量匹配,則有利于對太陽光的吸收.Eg增大時,可吸收的太陽光通量減小,但每個光生電子-空穴對獲得的能量(=Eg)卻有所增大.綜合考慮這兩方面的影響,最佳Eg值約為1.1eV.c-Si(晶態(tài)硅)的Eg=1.1eV,剛好滿足這個要求.但c-Si為間接帶隙材料,吸收系數(shù)小,要完全吸收入射光需要將器件的厚度做得相當(dāng)厚(如大約100μm).再計(jì)入影響光電池轉(zhuǎn)換效率的其他因素,應(yīng)選用具有直接帶隙的材料,Eg的優(yōu)化值大約為1.5eV.a-Si(非晶硅)的有效Eg=1.5eV,且為直接帶隙,極限效率大約為30%,造價(jià)又低,故成為大規(guī)模利用太陽能的一種很有優(yōu)勢的候選材料.此外,GaAs、InP和CdTe的Eg也很接近此優(yōu)化值,但前兩者對于大規(guī)模地面應(yīng)用價(jià)格太高,而CdTe有毒,除用于一些特殊環(huán)境(如太空)中的太陽能電池外,難以廣泛使用.2.1生產(chǎn)設(shè)備前提由于c-Si具有工藝成熟等優(yōu)勢,因而是目前的民用太陽能電池的主要使用材料,80%以上的太陽能電池都由c-Si制成,幾乎所有的峰值功率大于1kW的都是c-Si電池,所用原料還都是硅片.商用組件的效率在12%～16%,有很好的穩(wěn)定性和可靠性,戶外連續(xù)操作幾十年性能也不會退化.它的主要缺點(diǎn)是價(jià)格高,原因是:1)目前的制造設(shè)備產(chǎn)量低.如產(chǎn)量能增大一個量級,價(jià)格可降低一半;2)加工步驟復(fù)雜;3)需要大量高純Si原料.而原料問題限制了太陽能電池的降價(jià).目前,工業(yè)上主要使用微電子工業(yè)的廢料,要解決這個“瓶頸”問題,有待建立直接供應(yīng)“太陽能級Si”的生產(chǎn)廠.實(shí)驗(yàn)室中已制成效率為25%的電池.由小尺寸、昂貴的實(shí)驗(yàn)室電池到大面積、廉價(jià)的商業(yè)組件,還需計(jì)入各種附加的損耗.兼顧性能和價(jià)格,目前通常認(rèn)為最佳效率大約為15%.最近的發(fā)展表明:薄膜c-Si(特別是微晶Si)正在成為將來PV材料的另一種候選材料.日本已研制成功一種“棒狀”太陽能電池,并將在近期開始批量生產(chǎn).這種電池是由直徑僅1.5mm的球狀單晶硅在無重力狀態(tài)下制成的.這些小球按照縱16個、橫30個直線排列,用導(dǎo)電性的粘接劑硬化后用透明玻璃覆蓋,其光電轉(zhuǎn)換效率為16%.與現(xiàn)有的平面型太陽能電池相比,其優(yōu)點(diǎn)是受光面積大,對太陽能的利用率高,在制作過程中硅材料用量和廢料都少.2.2太陽能電池tkia-SiPV技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:低淀積溫度(典型溫度為200～300℃)允許使用低成本的襯底;容易將組件集成安裝于建筑物的正面、樓板或其他結(jié)構(gòu)上;在太陽能電池本身實(shí)現(xiàn)單片集成串聯(lián);較低的生產(chǎn)能耗和加工組件中所需材料的質(zhì)量;原材料豐富以及具有實(shí)現(xiàn)符合良好生態(tài)平衡要求的大尺寸加工操作的優(yōu)勢.另外,a-Si的Eg大約為1.75eV,在可見光區(qū)比c-Si有較高的吸收系數(shù),光電池中的半導(dǎo)體層厚度可?1μm.在小規(guī)模的能源供應(yīng)方面,a-Si占據(jù)著支配地位.a-Si太陽能電池和器件商品化的主要障礙是效率低(實(shí)際商用組件的穩(wěn)定效率在4%～8%之間).限制穩(wěn)定效率的主要原因是由于某些缺陷的產(chǎn)生,成為附加的復(fù)合中心,光生載流子通過這些缺陷復(fù)合,降低了有效的PV效應(yīng).20世紀(jì)70年代中期在半導(dǎo)體器件中引入的氫化a-Si(a-Si:H),使薄膜太陽電池材料達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)(現(xiàn)在每年大約為20MW).a-Si:H太陽能電池是由一薄p型摻雜層、一中間i層(這是光伏效應(yīng)的活性層)和一薄n型層組成(p-i-n)結(jié)構(gòu).a-Si的開發(fā)利用歷史較短,有關(guān)工藝還不成熟.目前a-Si層淀積一般用等離子體輔助化學(xué)氣相淀積(PECVD),一般可淀積1m2或更大的面積.將a-Si:H太陽電池淀積在覆蓋有透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的玻璃上.TCO層是SnO2或ZnO,用作前接觸.目前,由于淀積速率很低(0.1nm/s),造成了很長的淀積時間(大約1h),限制了a-Si的工藝過程,使得a-Si太陽能電池的價(jià)格只比c-Si電池稍低.用甚高頻等離子體淀積(VHF),淀積速率可提高5倍.生產(chǎn)高質(zhì)量的TCO是另一個瓶頸,使用ZnO代替SnO2和使整個TCO加工過程合理化,TCO價(jià)格可以降低.用等離子體提高化學(xué)氣相淀積(PECVD)制造的c-Si太陽能電池很容易和a-Si電池組合,二者的帶隙值與理論上的理想組合值很接近.已報(bào)道這種電池效率大約為12%.從第一塊平面結(jié)、c-Si太陽能電池發(fā)展到今天,太陽能電池所用材料涉及到幾乎所有的半導(dǎo)體材料,包括硅、無機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體甚至一些金屬材料.結(jié)構(gòu)上也豐富多樣,有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié).平面結(jié)、垂直結(jié)、疊層、集成、薄膜等.最近有報(bào)道:使用自組織液晶和晶態(tài)共軛有機(jī)材料制成的薄膜,光伏響應(yīng)的外量子效率達(dá)到了34%.現(xiàn)在,c-Si太陽能電池在市場上的占有率大約為86%,a-Si太陽能電池的占有率為13%.3太陽能電池件具有高效低能耗、更容易利用與城市太陽能組1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一塊實(shí)用型半導(dǎo)體太陽能電池,開辟了太陽能發(fā)電的新紀(jì)元.經(jīng)過40多年的努力,人們?yōu)樘柲茈姵氐难芯?、發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化做出了巨大的努力.從本世紀(jì)70年代中期開始地面用太陽能電池商品化以來,全世界太陽能電池年產(chǎn)量以每年平均18%的速度增加,而同時其生產(chǎn)成本卻以每年平均7.5%的速度下降.由于晶體生長工藝的改進(jìn)、對缺陷和雜質(zhì)的深入研究、應(yīng)用吸雜等技術(shù),使得鑄造多晶硅的效率得到了顯著的提高.表1給出了地面用太陽能電池組件的成本與價(jià)格和商品太陽能電池組件效率的進(jìn)展情況(其中2010年為預(yù)計(jì)值).在民用方面,近有報(bào)道:荷蘭一家電力公司投資1300萬美元,要建造500套裝有PV嵌板的住房.2001年完工時,可從太陽得到1.3MW的功率,足以供給該住房區(qū)能量需求的60%,其余部分由電網(wǎng)承擔(dān).當(dāng)?shù)氐娜照毡仁澜缙骄照者€短,由上述PV裝置提供的電比電網(wǎng)供電約貴4倍.該公司和地方當(dāng)局承諾對差額給予補(bǔ)貼,旨在促進(jìn)太陽能應(yīng)用的發(fā)展.隨著技術(shù)的進(jìn)步,PV發(fā)電的價(jià)格可望降低,太陽能的利用也將加速.有人預(yù)計(jì)在下5～10年有可能將PV發(fā)電商業(yè)化.我國太陽能發(fā)電的工作還處于開發(fā)初期,特別是在西部大開發(fā)中,一些太陽能發(fā)電的開發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)啟動.一種有效利用太陽能充電的新一代手機(jī)電池板已經(jīng)在上海問世.它既可用一般電源充電,也能在缺乏電源或充電器的情況下通過太陽電池充電.在太空應(yīng)用方面,美國的“赫利俄斯”號太陽能飛行器創(chuàng)下目前非火箭驅(qū)動飛行器飛行高度的新記錄,達(dá)到28.95km.它實(shí)際上是一個翼長75m、利用太陽能動力的單翼飛行器.它裝有14個由1491.4W的發(fā)動機(jī)推動的小螺旋槳,發(fā)動機(jī)的動力來自飛翼上6.5×104個c-Si太陽能電池.研制它的目的主要是為了幫助設(shè)計(jì)未來用于火星場合的飛行器,有助于對火星進(jìn)行勘測.由于太陽能飛行器可以連續(xù)飛行,無須補(bǔ)充燃料,即使是在地球環(huán)境中也可用作廣播和通信中繼或氣象預(yù)測.4pv太陽能電池與其他太陽能裝置的能量回收效率自90年代開始,溫室效應(yīng)使全球變熱問題日趨尖銳,促使新能源(特別是PV太陽能)的開發(fā)大大加速.過去20年,PV裝置領(lǐng)域的持續(xù)而明顯的進(jìn)展,預(yù)期在近期將繼續(xù)下去,但要使PV裝置能對電力生產(chǎn)有明顯的貢獻(xiàn),恐怕還需要幾十年時間.PV裝置隨著產(chǎn)量的增加而降價(jià),將很快達(dá)到一個地球上的有關(guān)原材料存量對進(jìn)一步降價(jià)起限制作用的階段.到那時,使用用量較少、價(jià)格便宜和對純度要求不高的原材料的PV技術(shù)將顯示出明顯優(yōu)勢.現(xiàn)在由PV裝置提供的電價(jià)一般(除邊遠(yuǎn)地區(qū)外)比通常的水電、核電和燃煤發(fā)電的電價(jià)大約高一個數(shù)量級.由于種種原因,目前似乎很難將低價(jià)的PV裝置的能量轉(zhuǎn)換效率增大至超過15%.這樣,為了發(fā)電需要保持PV器件有大的表面,這意味著襯底、接線和支撐結(jié)構(gòu)等的價(jià)格是PV太陽設(shè)備價(jià)格的決定性因素.雖然太陽能電池和PV設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生CO2,但在加工這些設(shè)備的過程中還是要消