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光伏電池,是太陽能光伏電池的簡稱。它是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。中國對太陽能電池的研究起步於1958年,現在(2012年)中國已經超越歐洲、日本成為世界太陽能電池生產第一大國。

1 光伏電池 -簡介

光伏電池光伏電池

光伏電池用於把太陽的光能直接轉化為電能,工作原理:太陽光發出的光子,通過照射到太陽能板上的矽片產生電子,電子通過導線為軌跡的運動而產生電流的過程。地面光伏系統大量使用的是以硅為基底的光伏電池,可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏電池。

在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面,單晶硅和多晶硅電池優於非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率低,但價格更便宜。

按照應用需求,太陽能電池經過一定的組合,達到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池,叫光伏組件。根據光伏電站大小和規模,由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。

2 光伏電池 -工作原理

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流,而以光化學效應原理工作的太陽能電池則還處於初級階段。

能產生光伏效應的材料有許多種,如:單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。它們的發電原理基本相同,現以晶體硅為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結。
光伏電池光伏電池工作原理

當光線照射太陽能電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發生了越遷,成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是:光子能量轉換成電能的過程。

3 光伏電池 -光伏電池分類

單晶硅光伏電池

光伏電池多晶硅電池
單晶硅光伏電池是開發較早、轉換率最高和產量較大的一種光伏電池。
單晶硅光伏電池轉換效率在中國已經平均達到16.5%,而實驗室記錄的最高轉換效率超過了24.7%.這種光伏電池一般以高純的單晶硅硅棒為原料,純度要求99.9999%.

目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右,最高的達到24%,這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的,但製作成本很大,以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由於單晶硅一般採用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝,因此其堅固耐用,使用壽命一般可達15年,最高可達25年。

多晶硅光伏電池  
多晶硅光伏電池是以多晶硅材料為基體的光伏電池。由於多晶硅材料多以澆鑄代替了單晶硅的拉制過程,因而生產時間縮短,製造成本大幅度降低。再加之單晶硅硅棒呈圓柱狀,用此製作的光伏電池也是圓片,因而組成光伏組件后平面利用率較低。與單晶硅光伏電池相比,多晶硅光伏電池就顯得具有一定競爭優勢。

非晶硅光伏電池

非晶硅光伏電池是用非晶態硅為原料製成的一種新型薄膜電池。非晶態硅是一種不定形晶體結構的半導體。用它製作的光伏電池只有1微米厚度,相當於單晶硅光伏電池的1/300.它的工藝製造過程與單晶硅和多晶硅相比大大簡化, 硅材料消耗少,單位電耗也降低了很多。  
非晶硅太陽電池是1976年出現的新型薄膜式太陽電池,硅材料消耗很少,電耗更低,它的主要優點是在弱光條件也能發電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低,目前國際先進水平為10%左右,且不夠穩定,隨著時間的延長,其轉換效率衰減。

多元化合物太陽電池
   
多元化合物太陽電池指不是用單一元素半導體材料製成的太陽電池。現在各國研究的品種繁多,大多數尚未工業化生產,主要有以下幾種: 
a) 硫化鎘太陽能電池 
b) 砷化鎵太陽能電池 
c) 銅銦硒太陽能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太陽能電池
銅銦錫光伏電池

銅銦硒光伏電池是以銅、銦、硒三元化合物半導體為基本材料,在玻璃或其它廉價襯底上沉積製成的半導體薄膜。由於銅銦硒電池光吸收性能好,所以膜厚只有單晶硅光伏電池的大約l/100。
 
砷化鎵光伏電池

砷化鎵光伏電池是一種Ⅲ-V族化合物半導體光伏電池。與硅光伏電池相比,

砷化鎵光伏電池光電轉換效率高,硅光伏電池理論效率為23% ,而單結砷化鎵光伏電池的轉換效率已經達到27%;可製成薄膜和超薄型太陽電池,同樣吸收95%的太陽光, 砷化鎵光伏電池只需5-10μm的厚度,而硅光伏電池則需大於150μm。
 
碲化鎘光伏電池

光伏電池聚合物光伏電池
碲化鎘是一種化合物半導體,其帶隙最適合於光電能量轉換。用這種半導體做成的光伏電池有很高的理論轉換效率,目前, 已實際獲得的最高轉換效率達到16.5%.碲化鎘光伏電池通常在玻璃襯底上製造,玻璃上第一層為透明電極,其後的薄層分別為硫化鎘、碲化鎘和背電極,其背電極可以是碳槳料,也可以是金屬薄層。碲化鎘的沉積技術方法很多,如電化學沉積法、近空間升華法、近距離蒸氣轉運法、物理氣相沉積法、絲網印刷法和噴塗法等。碲化鎘層的厚度通常為1.5-3um,而碲化鎘對於光的吸收有1.5um的厚度也就足夠了。

聚合物光伏電池

聚合物光伏電池是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢, 在導電材料表面進行多層複合, 製成類似無機P-N結的單嚮導電裝置。

4 光伏電池 -歷史發展

1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家發現。1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts製備成功。到了二十世紀三十年代,照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的製造專利。

到了20世紀50年代,隨著半導體物理性質的逐漸了解,以及加工技術的進步,1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發現在硅中摻入一定量的雜質后對光更加敏感這一現象后,第一個有實際應用價值的太陽能電池於1954年誕生在貝爾實驗室。

20世紀60年代開始,美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池做為能量的來源。

20世紀70年代能源危機時,讓世界各國察覺到能源開發的重要性。1973年發生了石油危機,人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。在美國、日本和以色列等國家,已經大量使用太陽能裝置,更朝商業化的目標前進。在這些國家中,美國於1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠,它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案,鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。

而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法,推廣每戶3000瓦特的「市電並聯型太陽光電能系統」。在第一年,政府補助49%的經費,以後的補助再逐年遞減。「市電並聯型太陽光電能系統」是在日照充足的時候,由太陽能電池提供電能給自家的負載用,若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候,所需要的電力再由電力公司提供。

到了1996年,日本有2600戶裝置太陽能發電系統,裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後,已經有9400戶裝置,裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。

中國發展狀況
光伏電池工作狀態下的光伏電池

中國對太陽能電池的研究起步於1958年,20世紀80年代末期,先後引進了多條太陽能電池生產線,使中國太陽能電池生產能力由原來的3個小廠的幾百kW提升到4個廠的4.5MW,這種產能一直持續到2002年,產量則只有2MW左右。2002年後,歐洲市場特別是德國市場的急劇放大和無錫尚德太陽能電力有限公司及超常規發展給中國光伏產業帶來了發展機遇和示範效應。中國已成為全球主要的太陽能電池生產國。2006年全國太陽能電池的產量為438MW,2007年全國太陽能電池產量為1188MW。

中國已經成超越歐洲、日本為世界太陽能電池生產第一大國。中國光伏電池產量年增長速度為1-3倍,光伏電池產量佔全球產量的比例也由2002年1.07%增長到2008年的近15%。商業化晶體硅太陽能電池的效率也從3年前的13%-14%提高到16%-17%。總體來看,中國太陽能電池的國際市場份額和技術競爭力大幅提高。在產業布局上,中國太陽能電池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區,已經形成了各具特色的太陽能產業集群。

遭美國調查

2011年12月3日宣布了對中國晶硅光伏電池雙反「調查」初裁結果,認為有明確跡象表明從中國進口的晶硅光伏電池存在接受補貼並以低於合理價格銷售的行為,對美國相關產業造成了實質性損害,在2012年1月12號以及3月22號先後公布反補貼及反傾銷調查的初裁結果。

2012年5月17日,美國商務部初步裁定對從中國進口的光伏產品徵收31%到250%的反傾銷稅。10月10日,美國商務部最終裁定,中國晶體硅光伏電池及組件的生產商或出口商在美國銷售此類產品時存在傾銷行為,傾銷幅度為18.32%至249.96%。同時,還裁定中國輸美的此類產品接受了14.78%至15.97%不等的補貼。根據這一終裁結果,傾銷幅度從今年5月份初裁的最低31.14%下調至18.32%,最高幅度不變;補貼幅度則大大高於初裁的2.9%至4.73%。按照美方貿易救濟程序,除美國商務部外,此案還需美國國際貿易委員會作出終裁。

5 光伏電池 -  市場競爭


  第一代晶硅太陽能電池,主流市場轉換效率約為18%,由於發展早,產業鏈上各企業生產技術較為成熟,占應用市場約80%的份額;

  第二代薄膜太陽能電池,已經產業化的主要有薄膜硅電池、CIGS電池和CdTe電池等,占應用市場約19%的份額,由於生產成本較低,預計到2015年市場佔有率將超過20%;

  第三代太陽能電池主要包括聚光和有機太陽能電池等。聚光光伏組件最高轉換效率達到40%,

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