太阳能光伏发电的现状与前景

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太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨

可再生能源,包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等,是取之不尽、用之不竭、清洁环保、免费使用的能源,也是世界上最终可依赖的初级 [1] 能源。太阳能是一种清洁的可再生能源。太阳能开发利用的巨大潜力推动着太阳能光伏发电技术不断向前发展。 1893 年,法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应” , 即“光伏效应”。1930 年,朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”,使太阳能变成电能。1954 年,恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶太阳能电池。同年,韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了第 1 块薄膜太阳能电池。随着世界经济的不断发展,全球能源短缺、环境污染等问题日益严重,可再生能源的应用受到了各国的普遍关注。太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分,得到了众多国家政府的大力扶持。20 世纪 70 年代以来,美国、德国、日本等国政府陆续出台相关政策,加大太阳能光伏发电产业的发展力度,使得世界光伏发电产业高速发展。 1997—2007 年,太阳能电池的产量由 125.8MW(该功率为峰值功率,下同)增加到 4 000. 05MW,年平均增长率高达 41.3%。根据欧盟联合研究中心的预测,到 2030 年太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到 10%以上, 到 2040 年这一比例将达到 20%以上,在不远的未来将成为世界能源供应的主体。

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1 太阳能光伏产业的发展现状

在技术进步和相关鼓励政策的双重推动下,太阳能光伏产业自 20 世纪 90 年代后期进入了快速发展时期。截止 2007 年底,世界累计生产了 12. 64GW 太阳能 [3] 电池,由此推断,光伏发电的实际总装机应该接近 12GW 。欧洲光伏市场是世界最大的光伏市场,而且在持续增长。其中,德国光伏市场份额全球最大, 2006 年占 51. 0%, 2007 年占 46. 99%。亚洲光伏市场近几年有所萎缩(主要由于亚洲拥有最大光伏市场的日本结束了光伏补贴政策,导致市场发展滞后),我国光伏市场份额更小。2006 年、2007 年亚洲太阳能电池产量约占世界电池产量的 65%。由此可见,亚洲是太阳能电池的主要生产和输出地区。亚洲的太阳电池生产主要集中在中国大陆、中国台湾和日本。2007 年中国大陆太阳能电池产量达到 1 088MW,占全世界太阳能电池产量的 27. 2%。从产量看,我国已经成为太阳能电池的第一生产国。

2 太阳能光伏发电的原理

光伏发电的基本原理如图 l 所示。半导体材料组成的 PN 结两侧因多数载流子(N 区中的电子和 P 区中的空穴)向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 w, 建立自建电场 Ei。它对两边多数载流子是势垒,阻挡其继续向对方扩散,但它对两边的少数载流子(N 区中的空穴和 P 区中的电子)却有牵引作用,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时,少数载流子极少,难以构成电流和输出电能。但是,

当太阳光照射到 PN 结时,如图 l(a)、(b)所示,以光子的形式与组成 PN 结的原子价电子碰撞,产生大量处于非平衡状态的电子-空穴对,其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei 的作用下,将 P 区中的非平衡电子驱向 N 区,N 区中的非平衡空穴驱向 P 区,从而使得N 区有过剩的电子,P 区有过剩的空穴。这样在 PN 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场 Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使 P 型层带正电,N 型层带负电,在 N 区和 P 区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时,就会产生电流,输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够 [4] 大的电能。

3 太阳能光伏发电的几个关键问题

发展太阳能光伏发电产业的关键问题包括光伏电池技术、光伏发电成本、光伏发电政策以及光伏电网的接入等。 3.1 光伏电池技术光伏电池是太阳能光伏发电系统的核心部件。光伏电池大规模应用需要解决 2 大难题:提高光电转换效率和降低生产成本。太阳能光伏电池通常用晶体硅或薄膜材料制造,前者由切割、铸锭或者锻造的方法获得,后者是一层薄膜附着在低 [5] 价的衬背上。晶体硅仍是当前太阳能光伏电池的主流。晶体硅电池包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。单晶硅电池的实验室最高转换效率可达 24. 7%,商业化电池效率为 16% ~20%。多晶硅太阳能电池的实验室最高效率也超过了 20%, 商业化电池效率为15% ~18%。除效率外,电池的厚度也很重要。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施。硅片的平均厚度已从 2003 年的 0. 23mm 减小到 2007 年的 0. 18mm。薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成,比用料较多的晶体硅技术造价

更低,其价格优势可抵消低效率的问题。目前,已商业化的薄膜光伏材料有 3 种 (硅基薄膜,主要包括非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)及微非迭层(a-Si/μc-Si); 铜铟镓硒(CIGS);碲化镉(CdTe)),它们的厚度只有几微米。商业化硅基薄膜电池的效率在不断提高,其中,单结非晶硅电池效率为 5% ~7%,双结非晶硅电池效率为 6% ~8%,非晶硅/微晶硅迭层电池效率为8% ~10%。商业化碲化镉薄膜电池的转换效率可以达到 10%,但是镉具有毒性、碲产量较少等因素都制约了其发展。商业化铜铟镓硒薄膜电池的转换效率可以达到 10%以上,不过镓的短缺也可能成为该技术发展的一个瓶颈。目前,在 3 种商业化的薄膜光伏技术中,硅基薄膜的生产和安装所占比重最大。2007 年世界前 10 大太阳能电池生产厂商及其在 2006 年和2007 年的太阳电池产量见表 1。由表 1 可以看出,中国有无锡尚德(Suntech)、台湾茂迪(Motech)、保定英利(Yingli) 3 家公司位列其中。表 2 是 2003—2007 年单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池的产量。从表 2 可以看出,晶体硅太阳能电池占据整个光伏市场份额 90%以上。但未来发展的重点可能是薄膜太阳能电池, 它因用材少、质量小、外表光滑、安装方便而更具发展潜力。目前,国内外众多太阳能电池厂商都把薄膜太阳能电池作为未来发展的重点。

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3.2 光伏发电成本光伏发电何时达到平价上网(即光伏发电的成本达到常规能源发电电价的水平)是一个备受关注的问题。国家发改委能源研究所提出,所谓平价上网有 2 个概念,即输电侧上网和配电侧上网。配电侧上网也即分布式发电系统,分布式发电系统应为净电表运行,就是自发自用,可以与电网销售电价比较(我国销售电价为 0. 5~1 元/(kW·h)),这表明光伏发电自用更容易实现“平价上网”。但如果是输电侧中高压并网,因我国常规电力上网电价一般仅为 0. 3 元/(kW·h),要在这个水 [7] 平上达到平价上网还有相当的难度。光伏发电系统成本的 60%以上来自太阳能电池。2006 年,并网光伏发电系统成本约为5 万元/kW,系统各部分成本比例见表 3。

我国最早在海外上市的太阳能企业无锡尚德公司于 2008 年 7 月宣布, 计划在 5 年内将太阳能发电成本降至 1 元/(kW·h)。目前来看,其在 2010 年就能提前实现该目标,总体而言,到 2015 年以前实现光伏发电的配电侧平价上网是没有问题的。基于薄膜技术的发展及其价格上的优势,薄膜太阳能电池有望最先达到电网等价点。 3.3 光伏发电政策政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求。由于原材料硅的价格下跌导致光伏发电价格从 2008 年 10 月快速下降,但目前光伏市场仍然是由政府和政策驱动的。下面介绍一下我国光伏发电主要扶持政策。中国的太阳能光伏市场总体发展速度比较缓慢。“六五”和“七五”期间,

国家对光伏市场的发展给予支持, 2002 年国家计委启动的“西部省区无电乡通电计划”也大大刺激了光伏产业的发展。中国太阳能电池的产量不断突破,截止到 2005 年底,中国太