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新加坡和马来西亚《太阳能动态》

随着技术进步与产业规模的扩大,光伏发电成本进一步下降,将成为未来可持续发展的重要能源之一。


光伏技术的关键元件


光伏发电技术的关键元件是太阳能光伏电池。太阳能光伏电池的发展,大致可以分为三代。


第一代是硅系太阳能电池;

第二代是薄膜太阳能电池;

第三代太阳能电池是高倍聚光电池、有机太阳能电池、柔性太阳能电池、染料敏化纳米太阳能电池等新技术。


目前,主流的是第一代硅系太阳能电池,薄膜电池的市场份额正在逐步扩大,第三代电池除了高倍聚光电池外,大部分还处于实验室研发阶段。


硅系太阳能电池


硅系太阳能电池中,单晶硅技术最为成熟。这种电池的效率与成本主要受其制造流程影响。制造流程主要分为铸锭、切片、扩散、制绒、丝网印刷和烧结等几个步骤。采用这种普通工艺流程生产的太阳能电池,光电转换效率一般在16%-18%。


单晶硅太阳能电池转换效率是最高的,但是成本也较高。多晶硅太阳能电池能够很好地降低成本,其优点是能直接制造出适于规模化生产的大尺寸方形硅锭,设备比较简单,因而制造过程简单、省电、节约硅材料,对材质要求也较低。


除了降低材料成本,降低太阳能电池的成本,主要通过两方面来实现。


一是减少耗材,例如减小硅片的厚度;

二是提高转换效率。


提高效率的途径包括以下几方面:


第一是增加光的吸收,如表面制绒、制备减反射层、减小正面电极的宽度等;

第二是减少光生载流子的复合,提高光子利用率,如发射极钝化技术;

第三是减小电阻,增加电极对光电流的吸收,如分区掺杂与背电场技术。


目前单晶硅太阳能电池光电转换效率的最高纪录,是新南威尔士大学PERL结构太阳电池创造的24.7%。其技术特点包括:硅表面磷掺杂的浓度较低,以减少表面的复合和避免表面“死层”的存在;前后表面电极下面局部采用高浓度扩散,以减小电极区复合并形成好的欧姆接触;通过光刻工艺使前表面电极变窄,增加了吸光面积;前表面电极采用更匹配的金属如钛、钯、银金属组合,减小电极与硅的接触电阻;电池的前后表面采用SiO₂和点接触的方法以减少电池的表面复合。但是,该技术目前还没有实现产业化。


除了PERC技术以外,还可以采用其它技术提高转换效率。如BP Solar的表面刻槽绒面电池和背电极(EWT)穿越技术。前者主要是通过激光刻槽工艺减小正面电极的宽度,增加太阳光的吸收面积,规模化生产已能实现18.3%的效率;后者通过在电池上进行激光打孔,将正面的电极引到背面,从而增大了正面的吸光面积,能够实现21.3%的效率。


薄膜太阳能电池


晶硅太阳能电池效率高,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于硅材料价格比较高,想大幅度降低其成本是非常困难的。为了寻找晶硅电池的替代产品,成本更低的薄膜太阳能电池应运而生。主流的薄膜电池有硅基薄膜电池、碲化镉 (CdTe)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池三种类型。


硅基薄膜电池厚度仅为2微米,与厚度为180微米左右的晶体硅电池相比,硅材料的用量仅约为晶硅电池的1.5%,成本低廉。按照包含PN结数量的不同,硅基薄膜电池分为单结电池、双结电池以及多结电池,不同的PN结可以吸收不同波长的太阳光。目前单结电池的最高效率可达7%,双结可达10%。


由于材料吸光率好,碲化镉薄膜电池的转换效率比硅基薄膜电池要高一些,目前效率可达12%。但元素镉具有致癌作用且碲的天然储量有限,该电池长期发展受到一定的制约。


铜铟镓硒薄膜电池被认为是高效薄膜电池的未来发展方向,可通过制造工艺的调整提高对太阳光的吸收率,从而使得转换效率得到提升。目前,实验室的转换效率可达20.1%,产品效率可达13-14%,是所有薄膜电池里面最高的一种。


第三代电池


第三代电池理论上可以实现较高的转换效率。现阶段除了聚光电池外,大多数还处于实验室研究阶段。


聚光电池一般采用III-V族半导体材料,主要是因为III-V族半导体具有比硅高得多的耐高温特性,在高照度下仍具有高的光电转换效率,而且多结的结构使它们的吸收光谱和太阳光光谱接近一致,理论上的转换效率可达68%。目前使用最多的是由锗、砷化镓、镓铟磷3种不同的半导体材料形成3个PN结。若是进行规模化生产,效率可达40%以上。


太阳能电池经封装成为太阳能组件,不同太阳能电池的应用取决于自身特点与市场需求的发展。早期的太阳能主要应用于通讯基站和人造卫星等,后来逐渐进入民用领域,如太阳能屋顶。在这些场景下,安装面积小,能量密度需求高,因而晶体硅组件占据了主要的市场份额。随着大型太阳能荒漠电站以及光伏建筑的发展,综合成本逐渐取代能量密度成为了考虑的重要因素,薄膜电池的应用呈现上升趋势。除此之外,不同技术的应用还受使用环境、气候条件等其他因素的影响。


太阳能光伏技术的应用


要把太阳辐射转化为可供人们使用的电力,需要一套完整的太阳能光伏系统。太阳能光伏电池是太阳能光伏系统的重要组成部分,是整个系统的基础。除此之外,光伏系统还包括逆变器、蓄电池、监控器、配电系统等。


光伏系统的分类与组成