发展太阳能电池的必要性及要解决的问题.docx

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发展太阳能电池的必要性及要解决的问题

发展太阳能电池的必要性及要解决的问题

摘要：

对我国使用太阳能电池发电的必要性以及制备过程中遇到的一些问题进行了讨论。

在分析太阳能电池制备的基础上，提出了发展我国太阳能光伏发电的必要性和可行性，分析了制备太阳能电池过程中遇到的技术和环境问题。

发展太阳能电池是发展光伏发电的前提，是解决目前我国面临的能源问题和环境问题的一个有效途径。

关键词：

太阳能电池；光伏发电；能源；环境

0引言

当传统的燃料能源正在一天天减少时，所产生的排放物对环境造成的危害问题也变得日益突出。

并且全球大约还有20亿人已得不到正常的能源供应。

在这个时候，整个世界都把目光投向了可再生资源，希望可以通过可再生能源来改变人类的能源供给结构，以维持今后的可持续发展。

在这些可再生资源中太阳能以其独有的优势而成为人们关注的焦点[1]。

这主要因为丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染并且人类能够自由利用的天然资源。

太阳辐射出的能量非常巨大，太阳能一般指太阳光的辐射能量：

在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。

其表面温度大概在6000K左右，接近于一个黑体。

太阳向宇宙空间发射的辐射功率为kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球表面，其功率为800000亿kW，就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量，这些太阳能如果可以尽可能地被转换为电能，可以成功为最佳的替代能量来源之一。

太阳能的利用有被动式利用和光电转换两种方式，主要包括：

利用太阳能电池，通过光电转换把太阳光包含的能量转化为电能；使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水；利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电；利用太阳能与化学能之间的转换，将水分解成氢和氧，再用氢来发电。

近年来，由于世界上一些主要国家积极研发清洁能源，从而使得太阳能技术发展十分迅速，太阳能电池技术的进展使其制造成本逐渐降低，逐步具备了普及的条件，极有可能成为21世纪最有发展潜力的光电技术之一。

虽然太阳能电池呈现出良好的发展前景，但是仍然面临许多短期难以克服的问题，比如制备过程中对环境的影响，提高效率遇到的技术瓶颈，电流转换时的能量损失，电能的贮藏等[2]。

1什么是太阳能电池

太阳能电池：

通过光生伏特效应直接把光能转化成电能的装置。

光伏材料：

又称太阳电池材料，是能将太阳能直接转换成电能的材料。

只有半导体材料具有这种功能。

可做太阳电池材料的材料有单晶硅、非晶硅、GaAs、CdTe、InP等[3]。

太阳能电池种类繁多，常有以下几种分类：

太阳能发电的优点：

太阳能取之不尽，用之不竭；太阳能可以免费随地取得，没有运输的成本；太阳能发电不会产生环境污染，环保，清洁，且不会消耗其他地球资源或导致地球温室效应；太阳能发电的使用安全性高于其他的发电方式，且发电设施的维修较为简单；在一些取电困难的地区（例如太空或偏远落后地区），太阳能发电的成本反而较低。

太阳能发电的缺点：

发电密度低，太阳能发电的设施，必须具有相当大的安装面积；太阳能受气候、昼夜的影响很大，在晚上无法发电，必须配有贮存装置。

在高纬度和多云少日照的地区，较不易推广太阳能发电；太阳能电池产生直流电，若要转换为交流电，会损失4-12%的能量。

太阳电池的效率是有理论上限的，对于硅太阳电池，能利用的光能只有44%左右，由于电池表面的反射、光生电子－空穴对的复合、串并联电阻的影响等，也会损失部分能量。

实际电池的效率会大大小于理论极限效率，一般的电池效率上限最高接近30%[4]。

2太阳能电池的发展历史

1839年法国实验物理学家EdmundBacquerel（贝克勒尔）发现了光生伏特效应；1883年，Fritts（弗瑞兹）在硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率；1941年奥尔在硅上发现了光伏效应。

起始阶段（1945-1965）：

在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，兴起太阳能研究热潮。

1954年Chaipin（恰宾）和Carlson（卡尔松）在美国贝尔实验室，首次制成了第一块实用的单晶太阳电池，效率为6%，标志着太阳电池研制工作的重大进展；1955年第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池；1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源；1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%；1960年太阳能电池首次实现并网运行；1962年砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。

停滞阶段（1965-1973）：

这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

过渡阶段（1973-1980）：

1973年10月中东战争爆发，使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击，世界发生了“能源危机”，从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。

世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响，1975年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。

这一次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国的政府计划，获得了专项经费和物资支持。

1974年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%；1975年非晶硅太阳电池问世；1976年多晶硅太阳电池效率达10%；1978年美国建成100kW太阳地面光伏电站；1980年单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。

特点：

各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划；国际间的合作十分活跃；研究领域不断扩大，研究工作日益深入；太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。

低谷阶段（1980-1992）：

进入80年代后太阳能的开发利用逐渐进入低谷，世界上许多国家大幅度的削减太阳能研究经费，美国最为突出。

主要原因是世界石油价格大幅度回落，太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力，太阳能的技术也没有重大的进展。

1983年美国建成1MW光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8%；1986年美国建成6.5MW光伏电站；1990年德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3-5kW光伏电池。

高潮阶段（1992-至今）：

由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。

在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。

这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。

世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。

1995年高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。

1997年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3~5kW。

日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿W光伏电池。

1997年欧洲联盟计划到2010年生产37亿W光伏电池。

1998年单晶硅光伏电池效率达25%。

荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。

特点：

太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动；太阳能发展目标明确，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，加速商业化进程；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显[5]。

3我国发展太阳能光伏发电的必要性

我国是一个能源生产和消费的大国。

2006年标准煤的消费总量约为24.6 亿吨，比2005年同比增长了9.3%。

2006年各种一次能源的构成比例分别为：

煤炭约占69.7%、石油约占20.3%、天然气约占3.0%、水电等约占6.0%、核电约占0.8%。

2006年，我国的原油总进口量已达到1.5亿吨，大约是我国原油总需求量的50％左右。

但由于我国能源开采技术落后、能源有效利用率低、传统高能耗产业比重大、单位GDP能耗远远落后于发达国家、甚至比世界平均水平落后并且我国又是世界上最大发展中国家，经济高速发展，能源消耗增长速度居世界首位等客观因素，更加剧了我国能源替代形势继续转变的严重性和紧迫性。

据电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010年-2020年之间，我国的电力供需缺口仍然为6.4%-10.7%[6]，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。

而太阳能光伏发电有可能在未来我国的新能源供应中占据主要位置。

4我国太阳能光伏发电现状

我国太阳能光伏发电产业起始与于20世纪70年代，到90年代中期已进入稳步发展阶段。

太阳能电池及其组件产量都已逐年稳步增加。

经过了30多年的努力，已迎来快速发展的新阶段。

而且我国的太阳能光伏发电在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，已经建立起稳固的新生产业链迅猛发展。

到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量已经达到10万千瓦（100mW），从事太阳能电池生产的企业多达50余家，太阳能电池的年生产能力达到290万千瓦（2900mW），太阳能电池年产量达到1188mW，超过了日本和欧洲，并使从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的产业链更趋于稳定成熟，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨的大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。

2007年是我国太阳能光伏产业发展最快的一年。

这些主要受益于太阳能产业的长期利好和整个光伏产业出现的前所未有投资热潮。

我国已成为世界第一大光伏电池生产大国，2009年95%以上的产品出口国外，国内利用率不到5%；2010年中国各大厂商纷纷扩大产能，总产能达以12GW[7]。

5单晶硅太阳能电池制备简介

晶体硅太阳电池是典型的p-n结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最近本且最重要的太阳电池。

由于硅中电子的迁移率[1350cm/（V﹒s）]大于空穴的迁移率[480cm/（V﹒s）],所以在实际工艺中，一般利用1Ω﹒cm左右的（100）晶面的掺杂硼的p型硅材料作为基质材料，通过扩散n型掺杂剂，形成p-n结。

虽然硅的n型掺杂剂包括磷、砷和锑，但出于性能价格比等考虑，在晶体硅太阳电池工业化制备中，通常使用磷作为n型掺杂剂。

简单构造如下图。

太阳能电池片生产工艺流程：

一次清洗扩散等离子刻蚀

二次清洗PECVD印刷电极烧结分选测试

检验入库

一次清洗中常涉及有如下几个化学过程:

用热的氢氧化钠溶液去除硅表面机械损伤：

氢氟酸去除硅表面氧化物：

最后使用盐酸去除硅表面金属杂质，盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与金属离子形成可溶于水的络合物。

过程中使用多种化学物质，最后的废渣中含有酸、碱以及重金属等，由于废渣杂质过多，难以重新提纯金属或其他物质反复利用，或者重复使用技术成本过高，所以废弃物如果处理不好，排放到环境中会造成空气土壤污染等。

扩散的目的是形成p-n结，工业生产中多使用，将磷扩散到硅表面