太阳能电池研究进展综述论文

目前，太阳能光伏发电市场，主流发电方式多以晶体硅为基础原料。2006年—2008年，全球多晶硅市场的疯狂行情导致光伏发电成本大幅上涨。当时，薄膜电池发电方式以其成本低备受青睐，许多电池生产商也纷纷转投薄膜电池生产，薄膜电池发展将替代晶体硅发展的“替代论”充斥行业内部。随着多晶硅价格回归理性，传统光伏电池价格趋于稳定。未来，多晶硅价格仍将处于下降通道，让已引进薄膜电池生产线的企业有些始料不及。随着多晶硅价格失守，薄膜电池成本低的优势正在消失。据记者了解，计划上薄膜电池的企业其薄膜扩张计划均处于停滞状态，如今仅有部分企业在继续薄膜电池的研发与生产。一时间，薄膜是外资设备商“陷阱”的说法在行业内盛行。到底应该如何看待薄膜电池发展？本报专访多位太阳能专家分析评说薄膜电池的发展。“薄膜电池是做为一种新技术引进的”——访北京交通大学理学院太阳能研究所所长徐征教授“薄膜‘替代论’是不客观的”近日，北京交通大学理学院太阳能研究所所长徐征教授接受了记者的专访，他认为，薄膜电池将替代晶体硅电池之说是不客观的。他表示：“市场上认为薄膜电池将凭借其生产成本低、材料易得等优势，替代传统多晶硅、单晶硅电池这种说法是不客观。”徐征说：“持此种观点的人，大多以其材料易得性来说明薄膜电池的成本优势，但从整体成本考虑，仅产品成本低还不足以说明这个行业的生产成本低。比如同样做一个大型电站，除了考虑生产设备、生产技术，还要把更大的土地成本算进去。目前，晶体硅电池的转换率是薄膜电池的两倍，建一个同规模电站的话，仅土地成本薄膜电池将是晶体硅的两倍。一个行业的成本是多种因素构成的，而非一、两个技术特点决定。同一个电站项目，特别是大型电站项目，多晶硅、单晶硅电池的高转换率决定了其比薄膜电池更具优势。”薄膜电池弱光性优势显现徐征教授介绍说，目前，薄膜电池分很多种类。其中有非晶硅与微晶叠层的薄膜电池，转化率可以达到9%；砷化镓，转化率一般在25%左右；碲化镉是市场比较活跃的投资项目，美国第一太阳能去年在世界的碲化镉产量和装机都是最高的。徐征说，不同薄膜电池各有优势，比如砷化镓，其主要应用在太空，转换率非常高，最高可以到达35%以上，并且具有抗辐射的特性。一般来说，热能对砷化镓的影响不大，而晶硅电池遇极热将大幅降低发电效率。徐征教授表示，薄膜电池的弱光性特性将使其适合做幕墙工程。所谓弱光性指的是电池设备对光子的吸收。对光子的吸收越多，转换率就越大。晶体硅转换率高低由太阳光强度以及其对太阳的角度决定，换言之，阳光强度越强；角度越准确，转换率越高。薄膜就像其他技术一样，也有自身的优势。比如其特有的弱光性就是其它电池材料不具备的。光线强与光线弱的时候，晶体硅转换率差别很大。但薄膜却在光线较暗的情况下，依然能够产生电流。玻璃幕墙一般是垂直的，这样的光照角度必然影响其对光子的吸收，从而影响晶体硅的转换率。而薄膜的弱光性，即有光就可以发电的优势，确定其作为建筑幕墙的最好选择。“薄膜设备本来就是非常贵的”据记者了解，以25兆瓦的非晶硅薄膜电池生产线为例，公开资料显示，其价格在3亿元—4亿元人民币之间，而25兆瓦晶体硅太阳能电池生产线的设备成本则仅有4000万元—5000万元。目前，国内引进一台薄膜电池生产机器花费超过1亿元。由此，国外设备投资商对中国实施的“陷阱论”成为热议。对此，徐征所长表示：“不能这么简单地、主观认为这是美国对中国太阳能企业的一个‘陷阱’。”徐征强调：“薄膜电池的引进首先是一种先进技术的引进。而生产薄膜的设备历来都是非常贵的，并不是单纯生产薄膜电池生产设备贵。”徐征解释，现在常生产的平板显示就可以得以说明。目前，在平板显示生产线上，平板显示也需要用到薄膜产品，其薄膜设备可以达到几十个亿。“生产一台薄膜设备造价本身就很高。如果说用在生产薄膜电池非常贵是不客观的。”徐教授说，“不是美国人卖给我们就贵，而是薄膜设备自身制造成本就比较高。 ”“薄膜电池价格优势渐失”“目前，薄膜电池成本低廉的优势渐失。”徐征分析，这主要缘于晶体硅原材料稳步进入价格下降通道，专家预测，未来多晶硅价格还将继续下跌，薄膜成本优势也随着多晶硅价格下降而减弱。这对部分薄膜电池生产商产生了极大的市场压力，从部分薄膜生产商集体选择缄默也表示其对薄膜电池发展充满忧虑。尽管薄膜电池发展受到冲击和考验，但薄膜电池的确也有其发展的空间。比如薄膜电池在幕墙及屋顶项目应用空间还是很大。徐征说：“政府目前允许薄膜电池与晶体硅电池参与太阳能电站的招标，也表明了政府的态度。意味着政府默认薄膜电池与晶体硅并存发展。未来，薄膜电池仍将得到较大的发展。”尚德电力新闻负责人张建敏在接受采访时也基本同意徐征的观点。“薄膜、晶体硅各有市场。” 张建敏说，“从市场分析，薄膜电池还是有其发展空间的。一些薄膜电池公司技术数据能够提高很快，成本优势尚存。从其用途上来看，薄膜更适用于玻璃幕墙的项目，在光伏建筑一体化项目上更具优势。”薄膜电池至少是一种新选择——访中投顾问能源行业首席研究员姜谦近几年来，随着各国的重视程度愈来愈高，全球太阳能光伏产业的发展可谓日新月异。但即便是这样，太阳能光伏发电5倍于传统火力发电的成本仍然让很多企业望而生畏，这也是到目前为止，太阳能光伏发电不仅难与火力发电，甚至难与同为可再生能源的风力发电相抗衡的主要原因。以目前市场上占主流的硅基太阳能电池为例，2006年电池占太阳能光伏系统总成本的比例超过65%，目前也在50-60%，这也就是说电池占了整个光伏系统成本的一半以上。而要降低整个光伏系统的成本，关键点也就在核心部件光伏电池上。中投顾问能源行业首席研究员姜谦在接受采访时表示，虽然随着全球主流厂家技术突破的进程不断加快，硅基太阳能电池成本下降的趋势很明显，但这显然跟不上整个产业的发展步伐。而薄膜电池这时候作为一种新的选择出现，短期内替代硅基电池的主流地位并不现实，但从长远来看，它对于全球光伏产业的巨大推动作用却毋庸置疑。姜谦说：“成本低是薄膜电池相比于硅基电池的最大优势所在。”以目前市场上最成熟的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池为例，截至2009年，龙头企业First Solar生产成本已经从2008的93美分/瓦降至84美分/瓦，另外，该公司计划到2014年要将成本进一步降至美元，与此同时要将转换效率拉升至。目前在该领域，First Solar还处于独家垄断阶段，随着越来越多竞争者的加入，碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的发展潜力会更加凸显。通用电气近期与PrimeStar太阳能公司的合作，就是致力于碲化镉薄膜太阳能光伏产品的开发。而除了碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池之外，近期硒化铜铟镓电池（CIGS）也成为市场关注的焦点。CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首，接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率，成本却是其1/3。2006年、2007年全球CIGS太阳能电池组件的产能分别仅为17MW、60MW左右，产量更是微乎其微。而2008年全球CIGS电池的产量在40MW左右，2009年则是更进一步，产能超过660MW，实际产量也达到180MW左右，增幅超过300%，显示了良好的发展势头。在政策层面，以我国为例，虽然目前国内市场并未真正开启，但在国家能源局主导的第二轮光伏并网电站招标工作中，招标方案将不再限定技术种类，薄膜电池技术也可以参与竞标，这也从一个侧面反映出国家对薄膜电池的支持。综上所述，目前所存在的种种质疑，不应该是对薄膜发展可行性的质疑，但发展时机、发展速度、发展方向等等应该是整个产业需要谨慎对待的。姜谦说：“从产业的长远布局来看，发展薄膜技术不仅是毋庸置疑的，甚至应该是非常紧迫的。”薄膜电池生产企业：薄膜电池发展应有其必要性在采访中，部分薄膜产品生产商表示，与晶体硅电池相比，薄膜电池的成本下降潜力要大得多，主要得益于薄膜太阳能电池的技术进步日新月异。薄膜太阳能电池预计未来的产能可能会达到整个太阳能行业的20%，发展空间较大。薄膜太阳能电池现在发展面临技术突破，有很多物理方法，比如说离子束方法沉积纳米晶硅薄膜工艺。从成本角度分析，未来的薄膜太阳能电池比晶体硅电池有明显优势，较之火电等常规能源具有明显的替代优势。某薄膜电池生产商表示，随着光伏产业在全球能源中占比例逐步提高，薄膜太阳能电池在大型光伏电站、BIPV等应用需求推动下将迅猛发展。但不同的薄膜太阳能电池还有各自的缺点，或转换效率偏低，或存在环境安全问题，有的存在原材料资源稀缺问题，这些问题也需要产业形成规模后逐步解决。“有理由相信，薄膜太阳能电池即将迎来高速成长。”上述企业人士解释，以硅基薄膜太阳能电池为例，其电池技术发展成熟度高，使用叠层工艺将使转换效率及衰减问题不再突出。其次，研发实力雄厚的半导体设备供应商纷纷切入硅基薄膜太阳能电池设备供应领域，薄膜太阳能电池设备供应商快速崛起，对行业迅猛发展起到了重要的推动作用。从技术路线发展看，目前，硅基薄膜太阳能电池已经发展到第四代——非晶硅/微晶硅双结叠层电池。这种非晶硅与微晶硅叠层的基本结构将成为未来硅薄膜太阳能电池的主流发展趋势。“薄膜电池发展有其必要性。”

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太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳电池发展概况 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。 光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。

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