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光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標和技術(shù)路線圖

   2013-01-16 太陽能發(fā)電和海一樣的新能源16970
核心提示:太陽能發(fā)電有兩種方式,一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。我們通常說的光伏都是指后一種方式。傳統(tǒng)概念里,電池是個儲
太陽能發(fā)電有兩種方式,一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。我們通常說的光伏都是指后一種方式。傳統(tǒng)概念里,電池是個儲存電力的儲能單元,在光伏行業(yè)里,電池是利用光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電單元,簡稱為光伏電池。 光伏是光生伏特(Photovoltaic)的簡稱,這個詞來源于希臘語,意思是光、伏特和電氣的。伏特來源于意大利物理學(xué)家亞歷山德羅?伏特的名字,為紀念他后人將“伏特”作為電壓的單位使用。

光生伏特效應(yīng)就是光電效應(yīng),是德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的。光電效應(yīng)就是太陽能電池工作的基本機理:太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上,形成新的空穴-電子對,在P-N結(jié)電場的作用下,光生空穴由N區(qū)流向P區(qū),光生電子由P區(qū)流向N區(qū),接通電路后就形成電流。從發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)到可以大規(guī)模地制造商業(yè)用光伏電池,人類用了一百年的時間。

光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽能電池,電池的轉(zhuǎn)化效率、生產(chǎn)成本決定了它的市場前景、制造者的利潤,以及最后環(huán)節(jié)-電站業(yè)主的投資回報期。在其發(fā)展的100多年里,基礎(chǔ)研究和技術(shù)進步都起到了積極推進的作用,至今為止,太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和機理沒有發(fā)生根本的改變。

一、 太陽能電池的種類

1>晶硅太陽能電池

晶硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟、商業(yè)化程度最高、市場占有率達90%以上,被稱為第一代太陽能電池。晶硅電池按照基材的類別分為:單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高。但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響,,致使單晶硅成本價格居高不下。多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率略低,但制造成本也較低,對于普通商業(yè)客戶來說,具有更好的性價比。因此相對來說市場份額更大。

2>薄膜太陽能電池

和晶硅電池基于硅片不同,薄膜電池是基于玻璃基板。這就從根本上決定了生產(chǎn)材料的成本比晶硅電池要更低。它被稱為第二代太陽能電池。采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃基板上生成一層半導(dǎo)體薄膜,產(chǎn)生光電效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同,分為:硅基薄膜太陽電池、化合物薄膜太陽電池(含Ⅱ-Ⅵ族:碲化鎘-CdTe,以及擴展Ⅱ-Ⅵ族:銅銦鎵硒-CIGS,銅鋅錫琉-CZTS等)、有機和染料敏化太陽電池。

薄膜太陽電池原材料成本低,便于大面積、自動化高效生產(chǎn),更適合用于光電建筑一體化應(yīng)用。缺點是轉(zhuǎn)換效率約只有晶硅電池的一半。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率,未來預(yù)期會有極大的市場潛力。

3>第三代太陽能電池

太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。由于常規(guī)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙能量的光子,對可見太陽光譜能量并未得到充分的利用。因此充分利用太陽能的全光譜,是突破瓶頸的關(guān)鍵。第三代太陽能電池就是這些具有新材料和結(jié)構(gòu)的太陽能電池的統(tǒng)稱。已經(jīng)提出的第三代太陽電池主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。

二、光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標和產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖


晶硅電池發(fā)展的趨勢是低成本高效率,這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進、材料的改進及電池結(jié)構(gòu)的改進。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發(fā)。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而,晶體硅電池發(fā)電的平價上網(wǎng)時間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大有關(guān)外,最重要的依賴于產(chǎn)業(yè)技術(shù)(包括設(shè)備和原材料)的改進。

光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標和技術(shù)路線圖 - 和海一樣 - 和海一樣的博客

僅靠工藝水平的改進對電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限,電池效率的進一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括PERL選擇性發(fā)射極電池、HIT異質(zhì)結(jié)電池、IBC背面主柵電池及N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線細化、選擇性擴散、表面鈍化等問題,可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升2~3個百分點。2001年,澳大利亞新南威爾士大學(xué)(UNSW)研發(fā)的PERL高效單晶硅電池效率達到25%,接近理論值,是迄今為止的最高記錄。

薄膜電池因其發(fā)展歷程較短顯現(xiàn)如下缺點:效率低、制造技術(shù)與相應(yīng)設(shè)備不夠完善、開發(fā)經(jīng)驗不足。需要加大研發(fā)力度,從器件結(jié)構(gòu)到襯底基材、大面積、均勻、高性能的沉積技術(shù)的改進,以及新型互連、集成型模塊,卷對卷的制造和包裝方式等方面的創(chuàng)新和提高,以便能夠成為可與晶硅電池相媲美的光伏電源形式。當前發(fā)展起來的薄膜電池,各有各自的優(yōu)缺點。CdTe因其工藝簡單,轉(zhuǎn)換效率達到12%,最短只需8個月的能源回收期,具有最低的成本優(yōu)勢,因而美國First Solar在薄膜電池市場上具有最大份額。美國的可再生能源國家實驗室(NREL)保持小面積碲化鎘電池的最高效率紀錄16.5%。但是從中長期前景來看,還很難預(yù)測到底哪種薄膜技術(shù)將最終勝出??梢灶A(yù)見的是,未來光伏建筑一體化(BIPV)市場的啟動,將為薄膜電池產(chǎn)業(yè)打開新的市場藍海。

第三代電池太陽能電池目前還尚處于基礎(chǔ)研究階段。主要概念是尋找全新的電池結(jié)構(gòu)和制造工藝,通過開發(fā)活性層來實現(xiàn)超高效太陽能電池。活性層可以很好地與太陽能光譜匹配或者調(diào)整攝入的太陽能光譜。這些技術(shù)是建立在納米技術(shù)和納米材料的進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上。量子阱、量子線和量子點就是活性層引入的結(jié)構(gòu)的例子。其市場前景取決于新技術(shù)能否降低制造成本實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),這需要投入相當可觀的中期和長期基礎(chǔ)和應(yīng)用研發(fā)。它代表著太陽能電池的未來發(fā)展方向。

幾十年來圍繞著提高效率、降低成本的各種研究開發(fā)工作取得了顯著成就,表現(xiàn)在電池效率不斷提高(單晶硅電池的實驗室效率已經(jīng)從50 年代的6% 提高到目前的24.7%,商業(yè)化電池在近20年內(nèi)提升了相對50%的效率)、硅片厚度持續(xù)降低、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不斷改進等方面,對降低光伏發(fā)電成本起到了決定性的作用。各國光伏研究機構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有技術(shù),開發(fā)新技術(shù)。他們根據(jù)自己的技術(shù)實力和科研回報的期望,選擇不同的研究方向和路徑,共同促進光伏技術(shù)的不斷進步。

圖1光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖,展示了不同光伏技術(shù)的發(fā)展狀況及前景(來源:IEA)

圖1:光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖

國際能源機構(gòu)(IEA)2010年公布了典型商業(yè)平板組件電池的發(fā)展戰(zhàn)略目標。電池效率期望能從2010年的16%增長到2030年的25%,2050年增長到40%。隨著能源和材料在制造業(yè)的使用更加高效,光伏系統(tǒng)能源回收期的時間會不斷縮短的。預(yù)計能源回收期會從2010年的兩年降低到2030年的0.75年,到2050年會下降到0.5年。使用壽命期望從25年增加到40年。(見表一)。

表1戰(zhàn)略技術(shù)指標

指標
 
2012
 
2020
 
2030
 
2050
 
典型平板組件效率
 
16%
 
23%
 
25%
 
40%
 
系統(tǒng)能源回收期(1500kWh/kWp)
 
2年
 
1年
 
0.75年
 
0.5年
 
使用壽命
 
25年
 
30年
 
35年
 
40年
 

IEA指出,未來10年對于各國政府出臺有效的政策以促進太陽能發(fā)電的發(fā)展至關(guān)重要。擁有豐富太陽能資源的地區(qū)需要在適當時間出臺著眼長遠、可預(yù)計的太陽能激勵措施來維持早期的部署和研發(fā)經(jīng)費,保證對研究、開發(fā)和示范工作的長期資金投入,不斷提高太陽能電池技術(shù)的競爭力,早日實現(xiàn)光伏發(fā)電的平價上網(wǎng)。這將開啟太陽能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的一個嶄新時代。

 
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