光伏发电原理

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表1-1 德国2004年的PV上网电价
上网价格/ kWh 建筑屋顶 建筑幕帘 地面系统
<30kWp 57.4 欧分 62.4 欧分 45.7欧分
30-100kWp 54.6 欧分 59.6 欧分 45.7欧分
>100kWp 54.0 欧分 59.0 欧分 45.7欧分
表1-2 德国2008年的PV上网电价
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wk.baidu.com
公司名称
2006 年 产量, MWp 排 名 2 1 4 3 13
2007 年 产量, MWp 389.2 363.0 327 207 207 排 名 1 2 3 4 4
Q-Cell(DE) Sharp(JP) Suntech(CH) Kyocera(JP) Firstsolar(US+DE)
253.1 434.4 157.5 180 60
2007 年世界太阳电池产量达 4410 MW,近 10 年太阳电池的年平均增长率为 42.7%, 近 5 年的年平均增长率为 51%, 在原材料供应紧张的情况下,2006 和 2007 年太 阳电池的年增长率仍然分别达到 50%和 67%。
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从资源的潜力和长远前景来看,光伏发电是很具潜力的可再生替代能源。图 1-3 示出了 1999-2007 年全球太阳电池产量的增长情况。
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 US) 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Motech(TW) Sanyo(JP) SunPower(PH) Baoding Yingli(CH) Solar world(whole) Misubishi(JP) Jing-Ao(CH) BP Solar(whole) Solarfun(CH) Isofoton(SP) Schott Solar(DE+ CEEG Nanjing(CH) E-TON(TW) ATS-Solar(CH) Gintech(TW) Ersolr(DE) Ever-Q(DE) United Solar(US) Scancell(NW) Ningbo Solar(CH) Delsolar(TW) Kaneka(JP) Solland(NE) Trina Solar(CH) Sunways(DE) Jiangsu Junxin(CH) Photovoltaic(BE) Microsol Inter.(UAE) 交大泰阳(CH) Photowatt
1
对进一步提高效率和廉价新材料的研究,半个世纪以来,人们为太阳电池的研究、发 展和产业化付出了很大的努力。光伏技术中新技术、新工艺、新材料和新结构层出不 穷,研制成功许多种太阳电池。在太阳电池的整个发展历程中,先后出现过各种不同 结构的电池,从结构上看,有同质n-p结、肖特基(MS)电池、MIS电池、MINP电池、 异质结电池、垂直多结等类型。其中同质结中的钝化发射区电池(PERL) ,钝化发射区 背面整个扩散电池(PERT) ,刻槽埋栅电池(BCSC) ,背面点接触电池(PCC) ,深结局 部背场电池(LBSF)等是高效电池的代表。目前世界上太阳电池的实验室效率最高水 平:单晶硅电池24.7%(4cm2) ,多晶硅电池19.8%(4cm2) ,InGaP/GaAs双结电池30.28% (AM1) ,非晶硅电池14.5%(初始) ,12.8%(稳定) ,CdTe/CdS电池为15.8%,带硅电池 14.6%,二氧化钛有机纳米电池10.96%[4]。 经过光伏专家们的辛勤劳动,晶体硅(包括单晶硅和多晶硅)太阳电池的工业化 生产效率已从上世纪 80 年代的 10-12%提高到目前的 15-17%,单片面积也从当时的 78.5cm 增加到 243.36 cm ,硅片的厚度也从当时的 450um 降低到当前的 180um,这极大 地降低了光伏发电的成本,更为重要的是人们对太阳能成为未来替代能源树立了信心, 一些国家和政府相继制定了光伏发电上网的补贴政策, 以加快光伏发电的商业化进 程[5]。 目前,光伏市场上销售的太阳电池主要是基于片状硅的第一代太阳电池,包括单 晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池;基于非晶硅及多晶化合物半导体的第二代太阳电池 约占市场份额不足整个光伏市场的10%,包括非晶硅、CIS、 CdTe 、纳米氧化钛染料 电池及多晶硅薄膜太阳电池。在第二代太阳电池中,a-Si:H太阳电池存在衰减,CIS太 阳电池在制造上存在难题,CdTe太阳电池对环境有害,纳米氧化钛染料电池的发展还 不明朗,因此人们普遍认为第一代太阳电池将会在很长的一段时间里是太阳能光伏发 电的主力。 历史进入二十一世纪,环境污染和能源短缺迫人们寻找可持续发展且清洁的能源 发展方向,最有效的行动就是采用清洁的可再生能源技术替代常规化石燃料能源技术。 从上世纪70年代地面应用开始, 美国就先后制定了一系列鼓励光伏发电应用政策; 1974 年日本开始执行阳光计划,颁布了相应的鼓励政策。此后许多国家,先后颁布了几十 种鼓励光伏发电应用的政策,包括减免税、补贴、贴息、租赁、电力配额等政策。但 截至2004年以前,各种政策所发挥的作用都相当有限。如上世纪90年代初,克林顿政 府提出百万屋顶计划及相应鼓励政策就收效不大,但直到德国 的可再生能源法出现, 人们才真正找到了科学的、行之有效的措施。上世纪90年代中后期德国对世界几种较 成熟的光伏技术进行认真研究和分析。依据光伏组件30年来的成本变化规律以及规模 效应,得出光伏组件成本随累计安装量呈指数下降趋势(Learning Curve) ,安装量每 扩大一倍,成本下降20%。分析结果表明,只要通过开拓市场,扩大组件生产,晶硅电 池、CdTe电池和CIGS电池等都可以使组件成本下降到1美元/W左右。上述的研究结果成 为上网电价法的理论依据。
图 1-5 世界各国近几年来太阳电池的生产情况
表 1-3 给出了 2007 年电池产量等于和大于 20MWp 的生产商排名,共有 35 家公司 表中有名,其中 14 家为中国公司(4 家台湾公司) ,占 35 家的 40% 。
表 1-3
2007 年电池产量等于和大于 20MWp 的生产商排名
序 号 1 2 3 4 5
图 1-4 正在国外建设的家庭太阳能发电方案
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我国的光伏产业自 2003 年以来,以超常的速度发展,年增长率达到 100%-300%。 2006 年我国太阳电池产量 438MWp,占世界总产量 2561.2MWp 的 17.1%,超过美国 179.6MWp) , 成为继日本 (926.9MWp) 和欧洲(680.3MWp)之后的第三大太阳电池生产国, 2007 年我国太阳电池产量 1088MWp,超过日本(920MWp)和欧洲(1062.8MWp) , 成为世界第一大太阳电池生产国。 在短短的四年间,我国光伏电池的产量,由 2002 年的仅占世界总产量的 1.07%, 增长到 2007 年的占 27.2%,图 1-5 给出了世界各国近几年来太阳电池的生产情况,从 该表中可直观地看出我国近几年的发展情况[9-12]。
上网价格/ kWh 建筑屋顶 建筑幕帘 地面系统
<30kWp 46.75 欧分 35.54欧分 35.49欧分
30-100kWp 44.48 欧分 35.54欧分 35.49欧分
>100kWp 43.99 欧分 35.54欧分 35.49欧分
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图1-1能源结构变化趋势
图1-2 2004年欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势
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2 2
德国在实施十万屋顶计划 (1999-20003) 基础上, 对光伏上网电价进行修订, 2004 年1月1日实施。修正后的上网电价更加科学、更加合理,更加容易操作。上网电价法 还规定,以后每年上网电价下降5%,既符合实际,又符合上网电价法实施的目的。自 2004年起,德国一跃成为世界光伏市场和光伏产业发展最快的国家,并拉动了其他国 家光伏产业的发展,表1-1给出了德国的上网电价,表1-2给出了德国2008年的PV上网 电价。对比表1-1和表1-2可知: 《可再生能源法》是加速可再生能源发展、实现及时替 代化石燃料能源的唯一保证和必要条件。 《上网电价法 》的科学性、有效性和可操作性,很快被世界许多国家认同、接受 和效法,目前已经有40 多个国家和地区实施了《上网电价法 》 ,光伏市场从德国很快 扩张到整个欧洲、美国、南韩国家,而且还正在向更大范围扩大[6-8]。 毫无疑问,在各个国家可再生能源法的保障下,太阳能将会成为人类的支柱能源 之一,人们预测:本实际中叶前能源结构将发生根本性变革,如图1-1所示。图1-2给 出了欧洲JRC预测本世纪内常规能源及新能源发展趋势。
图 1-3
1998-2007 年全球太阳电池产量的增长情况
世界上一些发达国家纷纷宣布了自己的光伏发展计划,美国能源部国家光伏规划 目标是到 2010 年光伏发电装机达到 4.7GW;日本计划到 2010 年光伏发电装机达到 5GW; 欧洲提出到 2010 年光伏发电装机达到 3GW ;再加上其它国家近年一直保持占世界光伏 组件总产量 10%左右的装机量,预计到 2010 年,世界光伏发电累计安装容量达到 15GW。 太阳能发电主要用于并网发电,在美国、日本、德国等国家,已有专业从事太阳 能发电的公司,即这些公司租用土地建设并经营太阳能发电厂,他们通过将太阳能产 生的电力销售给电力公司来获利(有可再生能源法保障) 。一些个人也在自己的屋顶上 利用太阳能发电,通过并网逆变器和大电网并网。图 1-4 示出了正在国外建设的家庭 太阳能发电方案。
光伏发电原理
1.1 光伏发电的过去、现在及未来
1839 年, 法国人 Edmund Bequerel 发现了光伏效应,到了 1954 年, 贝尔实验室 的 Chapin, Fuller and Pearson 制备了世界上第一个效率为 6%的晶体硅太阳电池。 从此,航天技术和地面特殊领域的需求驱使对光伏有兴趣的学者进行着艰苦的探索, 效率很快由当初的 6%提高到 10%, 并于 1958 年首先在航天器上得到应用。 在后来的 10 多年里,硅太阳电池在空间的应用不断扩大,工艺不断改进,电池设计不断改型,新 的光伏材料也在不断探索之中,这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始 于 70 年代初,在这个时期对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛的研究,背表面电 场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引入到电池的制造工艺中,太阳电 池转换效率有了较大提高。与此同时,硅太阳电池开始在地面应用,到了 70 年代末, 地面用太阳电池产量已超过空间电池产量,但单晶硅太阳电池高昂的成本促使科学家 们把目光瞄准了其它光伏电池。其间最具影响的是 1976 年制成了 AM1 效率达 10%的多 晶硅太阳电池。 同年, RCA’s David Sarnoff Research Center 的光伏专家 D.E.Carlson 制成了世界上第一个光电转换效率为 2.4%的可供实用的非晶硅太阳电池,在这个消息 的鼓舞下,迅速掀起了非晶硅太阳电池的研究热潮,并且取得了很大的成绩,另外 CIS/CdS、CdTe/CdS 等光伏电池的研究也取得了可喜的成就。进入 80 年代,硅太阳电 池进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复 合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电池的制造工艺中。以各种高 效电池为代表,电池效率大幅度提高,商业化生产成本进一步降低,应用不断扩大, 形成了非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。但基础领域的一些问题愈来愈制约着 迅猛发展的实践,多线切割技术的发展使人们获得更薄的晶体硅片成为可能,原来的 晶体硅太阳电池技术必须做出相应的改变。采用薄的晶体硅片,载流子的表面复合问 题就突现了出来;碎片率的上升促使人们得重新设计电极的制备工艺。只有这样,才 能保证得到更高的性能价格比。太阳级单晶硅电池的衰减也逐渐显示出来,多晶硅中 的晶界效应限制了多晶硅光伏电池效率的进一步提高,多晶硅光伏电池并没有显示出 优于单晶硅电池的成本,非晶硅光伏电池中的 S—W 效应及有限的市场使得首先将这一 高新技术产业化的公司面临倒闭的危机。进入 90 年代后,光伏专家们加紧了对缺陷晶 体硅中载流子行为的研究,并将高效工艺产业化,努力将这一最具发展前景的太阳电 池稳步推向前进[1-3]。 光伏电池是光伏发电系统的心脏,其光电转换效率和成本对光伏发电的进程具有 决定性的影响。自1941年出现了有关硅光伏电池的报道之后,科学家们就没有停止过
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