光伏技術技術展望

國內自1958年起研究光伏技術，正加速發(fā)展光伏技術，完善、提高及應用開發(fā)a-Si 制備技術，約有30個科研單位和10個生產廠，生產能力超過5.5MW/a。由于受市場及材料問題的困擾，生產成本高，實際產量只有1.5-2MW/a。在2001-2020年，擬實施光伏電源推動計劃，發(fā)展戶用光伏（50W）、小型光伏（10-0KW）、特種光伏系統(tǒng)和聯網光伏電站規(guī)劃，以市場帶動技術發(fā)展。

人類生活的衣、食、住、行都離不開能源，開發(fā)新能源的光伏技術已成為國際上熱門課題，每年都有大型國際性會議研討光伏技術，MW級中、大型光伏電站正在全球建設和發(fā)展，10MW級的也已建成投產。展望21世紀，效率高、成本低的薄膜化光電池將占光伏技術的主導地位，附有太陽光發(fā)電系統(tǒng)的住宅將會逐漸普及，二十年代有望在空間建造太陽能電站，用微波或激光等電能傳輸技術將電能送到地面供電。有專家建議在各大洲建立大型光伏發(fā)電站，用超導電纜連接成全球性太陽能發(fā)電廠超導聯網系統(tǒng)，使供電不受晝夜變化影響，迎來一個光伏技術的新時代。

以下按其材料分類，展示光伏技術、產業(yè)及市場發(fā)展動向。

光伏技術晶體硅光電池

晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴散形成Pn結而制作成的，生產技術成熟，是光伏市場上的主導產品。采用埋層電極、表面鈍化、強化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，比較大的為Φ10至20cm的圓片，年產能力46MW/a。主要課題是繼續(xù)擴大產業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術，提高材料利用率。國際公認最高效率在AM1.5條件下為24%，空間用高質量的效率在AM0條件約為13.5-18%，地面用大量生產的在AM1條件下多在11-18%之間。以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網印刷，切磨拋工藝，千方百計進一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉換效率最高達18.6%。

光伏技術非晶硅光電池

a-Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化 （0.5m×1.0m），成本較低，多采用p in結構。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時還制成三層p in 等多層疊層式結構，或是插入一些過渡層。其商品化產量連續(xù)增長，年產能力45MW/a，10MW生產線已投入生產，全球市場用量每月在1千萬片左右，居薄膜電池首位。發(fā)展集成型a-Si光電池組 件，激光切割的使用有效面積達90%以上，小面積轉換效率提高到14.6%，大面積大量生產的為8-10%，疊層結構的最高效率為21%。研發(fā)動向是改善薄膜特性，精確設計光電池結構和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。

光伏技術多晶硅光電池

p-Si（多晶硅，包括微晶）光電池沒有光致衰退效應，材料質量有所下降時也不會導致光電池受影響，是國際上正掀起的前沿性研究熱點。在單晶硅襯底上用液相外延制備的p-Si光電池轉 換效率為15.3%，經減薄襯底，加強陷光等加工，可提高到23.7%，用CVD法制備的轉換效率約為12.6-17.3%。采用廉價襯底的p-Si薄膜生長方法有PECVD和熱絲法，或對a-Si：H材料膜進行后退火，達到低溫固相晶化，可分別制出效率9.8%和9.2%的無退化電池。微晶硅薄膜生長與a-Si工藝相容，光電性能和穩(wěn)定性很高，研究受到很大重視，但效率僅為7.7%。大面積低溫p-Si膜與-Si組成疊層電池結構，是提高a-S光電池穩(wěn)定性和轉換效率的重要途徑，可更充分利用太陽光譜，理論計算表明其效率可在28%以上，將使硅基薄膜光電池性能產生突破性進展。

光伏技術銅銦硒光電池

CIS（銅銦硒）薄膜光電池已成為國際光伏界研究開發(fā)的熱門課題，它具有轉換效率高（已達到17.7%），性能穩(wěn)定，制造成本低的特點。CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價襯底上分別沉積多層膜而構成的，厚度可做到2-3μm，吸收層CIS膜對電池性能起著決定性作用?，F已開發(fā)出反應共蒸法和硒化法（濺射、蒸發(fā)、電沉積等）兩大類多種制備方法，其它外層通常采用真空蒸發(fā)或 濺射成膜。阻礙其發(fā)展的原因是工藝重復性差，高效電池成品率低，材料組分較復雜，缺乏控制薄膜生長的分析儀器。CIS光電池正受到產業(yè)界重視，一些知名公司意識到它在未來能源市場中的前景和所處地位，積極擴大開發(fā)規(guī)模，著手組建中試線及制造廠。

光伏技術碲化鎘光電池

CdTe（碲化鎘）也很適合制作薄膜光電池，其理論轉換效率達30%，是非常理想的光伏材料?？刹捎蒙A法、電沉積、噴涂、絲網印刷等10種較簡便的加工技術，在低襯底溫度下制造出效率12%以上的CdTe光電池，小面積CdTe光電池的國際先進水平光電轉換率為15.8%，一些公司正深入研究與產業(yè)化中試，優(yōu)化薄膜制備工藝，提高組件穩(wěn)定性，防范Cd對環(huán)境污染和操作者的健康危害。

光伏技術砷化鎵光電池

GaAs（砷化鎵）光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高 達29.5%（一般在19.5%左右），產品耐高溫和輻射，但生產成本高，產量受限，主要作空間電源用。以硅片作襯底，用MOCVD技術異質外延方法制造GaAs電池是降低成本很有希望的方法。

光伏技術其它光電池

InP（磷化銦）光電池的抗輻射性能特別好，效率達17-19%，多用于空間方面。采用SiGe單晶襯底，研制出在AM0條件下效率大于20%的GaAs/Si異質結外延光電池，最高效率23.3%。Si/Ge/GaAs結構的異質外延光電池在不斷開發(fā)中，控制各層厚度，適當變化結構，可使太陽光中各 種波長的光子能量都得到有效利用，GaAs基多層結構光電池效率已接近40%。

作為光伏技術的重要組成部分，光伏測試和質量認證日益為光伏技術開發(fā)人員關注。

光伏測試技術主要是針對IEC、UL以及各國家行業(yè)標準的要求對特定的光伏產品性能做相應的測試，以證明其滿足性能和安全要求。主要的測試標準有晶體硅類的IEC 61215，薄膜組件的IEC 61646，聚光光伏的IEC 62108，美國標準UL 1703，中國標準GB 9535。主要的測試項目包括電性能測試、環(huán)境老化測試、機械性能測試、防火等安全測試等。

中國光伏測試網針對光伏產品及原材料的測試、認證領域的資料查詢和測試分析、測試方法有專門的版塊。

由西班牙加泰羅尼亞能源研究所(IREC)科研人員領導的，由歐盟7個成員國西班牙、法國、德國、匈牙利、意大利、盧森堡和英國，以及瑞士科研機構科技人員廣泛參與的研發(fā)團隊，并積極吸引歐盟太陽能光伏電池工業(yè)企業(yè)如設備制造、工業(yè)生產、安裝服務和運營管理等，整個生產應用價值鏈工程技術人員的加入。組成的太陽能光伏電池技術SCALENANO研發(fā)團隊，旨在利用新型納米材料技術，提高光伏電池的能效和光電轉換效率，開發(fā)出低生產成本、高性價比和適應市場需求的新型太陽能光伏電池技術。 2100433B

《光伏技術基礎與技能》主要介紹光伏產業(yè)的發(fā)展現狀、硅材料基礎、多晶硅生產工藝、太陽能電池生產工藝、光伏組件生產工藝、光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與安裝等內容，大部分章節(jié)后附有視野拓展知識和閱讀材料內容，以幫助讀者全面、系統(tǒng)地掌握《光伏技術基礎與技能》內容?！豆夥夹g基礎與技能》每節(jié)后都附有相應的練習與思考題目，讀者可以及時掌握和鞏固相關的知識點。

《光伏技術基礎與技能》層次分明、深入淺出、圖文并茂、內容新穎且實用性強。

《光伏技術基礎與技能》可作為高等職業(yè)院校及中等職業(yè)學校光伏技術及相關專業(yè)的教材。也可作為從事光伏產業(yè)生產和維修人員的培訓及自學用書。

《光伏技術應用》（第二版）是“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材，從太陽發(fā)光的基本過程出發(fā)，講述了太陽輻射的特性，半導體與PN結基礎，太陽能電池的原理、特性及設計，太陽能電池片和組件的裝配，光伏系統(tǒng)的設計及其應用。

《光伏技術應用》（第二版）不僅可以作為職業(yè)院校太陽能光伏等新能源相關專業(yè)的教材，同時也可作為新能源光伏工程技術人員和技術工人的培訓教材和參考用書。

學習情境一太陽光特性與應用1

1.1光及其特性的認識1

1.2熱輻射與波的認識2

1.3到達地面的熱輻射3

1.4影響太陽輻射的因素4

1.5人類活動與溫室效應6

1.6地球運動與逐日系統(tǒng)6

1.7計算日照數據10

1.8光伏技術與量子力學19

習題1 20

學習情境二硅半導體與非晶硅材料21

2.1半導體材料21

2.2半導體的種類24

2.3光能的轉換吸收26

2.4電子空穴對的產生與復合27

2.5光生伏打與PN結27

習題2 29

學習情境三太陽能電池性能30

3.1光照的影響31

3.2光譜響應32

3.3溫度的影響33

3.4寄生電阻的影響33

習題3 34

學習情境四太陽能電池技術指標和設計35

4.1光電轉換效率36

4.2光學損失36

4.3復合損失384.4上電極設計39

4.5實驗室電池與工業(yè)要求的對比41

4.6激光刻槽埋柵太陽能電池（BCSC）42

習題4 43

學習情境五光伏電池片和組件裝配44

5.1場地條件和要求45

5.2電池片制造工藝與檢測技術46

5.3光伏電池組件設計50

5.4光伏電池分選56

5.5光伏電池塊互連64

5.6光伏電池組件疊層69

5.7玻璃清洗70

5.8光伏電池組件層壓71

5.9光伏電池組件組框74

5.10光伏電池組件測試79

5.11光伏電池組件成品完善80

習題5 81

學習情境六獨立光伏系統(tǒng)的結構設計83

6.1獨立光伏系統(tǒng)組成84

6.2電池組件84

6.3選擇蓄電池86

6.4鉛酸蓄電池86

6.5其他蓄電池設備88

6.6功率調節(jié)與控制89

6.7系統(tǒng)平衡器件91

習題6 94

學習情境七獨立光伏系統(tǒng)設計95

7.1獨立系統(tǒng)96

7.2系統(tǒng)利用率97

7.3混合系統(tǒng)97

7.4光伏系統(tǒng)的簡易設計方法98

7.5圣第亞國家實驗室的方法102

7.6《澳大利亞標準AS4509.2》102

7.7系統(tǒng)設計軟件103

習題7 103

學習情境八特殊環(huán)境下的光伏應用104

8.1特殊環(huán)境要求105

8.2照明105

8.3太陽能汽車107

8.4人造衛(wèi)星上的應用108

8.5輔助海洋航行109

8.6通信110

8.7陰極保護111

8.8供水系統(tǒng)113

8.9室內使用的光伏消費產品114

8.10電池充電器115

8.11制冷與冷藏115

8.12遠程監(jiān)測及氣象監(jiān)測117

習題8 117

學習情境九偏遠地區(qū)供電系統(tǒng)118

9.1偏遠地區(qū)的供電策略119

9.2偏遠地區(qū)用電負荷特點及事故性質125

9.3國外新技術127

9.4中國對于偏遠地區(qū)供電的相關政策129

9.5中國偏遠地區(qū)供電案例129

習題9 133

學習情境十光伏并網系統(tǒng)134

10.1光伏并網系統(tǒng)現狀134

10.2光伏電站接入電網技術規(guī)定135

10.3光伏系統(tǒng)在建筑上的應用142

10.4最大功率跟蹤MPPT148

10.5小規(guī)模分散光伏并網系統(tǒng)的應用153

10.6大容量集中光伏發(fā)電站154

10.7安全156

10.8光伏發(fā)電的價值158

10.9國際光伏市場162

習題10 166

參考文獻167