太阳能光伏发电国内外研究现状

光伏发电是太阳能利用的主要形式之一。太阳电池已经形成一定的产业规模。新型太阳电池的实验室研究工作也在国际上蓬勃开展。近年来，我国的光伏产业迅速发展，2007年硅太阳电池占世界产量的27%，产量达到世界第一的水平。但是我国光伏产业中目前存在着许多问题：第一，“两头在外”。第二，“原料波动”。第三，“竞争无序”。

【资料：当前，中国光伏企业约98%的产品出口，90%以上原料进口；加工工艺、技术、设备全部进口。截至2008年5月，我国共有34家厂商开工建设高纯多晶硅提纯项目，在建生产项目共37个，完全投产后产能总和为6.8万吨，远超出需求，面临投产就倒闭的问题。国内的光伏企业已达500多家，其中材料方面企业40余家，硅锭硅片70余家、电池组件30余家。其中有10家在国外上市，多家国内上市公司也投资光伏行业。国际竞争非常激烈, 我国光伏产业亟需发展具有自主知识产权的新技术。】

世界光伏技术在快速发展，电池效率不断提高，单晶硅太阳电池实验室效率已由50年代的6%提高到2007年的24.7%，其商业化电池效率也已达16-22%，而商业化多晶硅太阳电池的效率达15-18%。在晶体硅太阳电池技术持续进步的同时，非晶硅、CdTe、CuInGaSe等薄膜太阳电池技术快速发展，已占有一定的比例。

太阳电池的基本物理过程在于光激发半导体材料形成光生电子和空穴，它们在半导体p-n结电场作用下实现光生电子、空穴的分离与传输（参考图1）。其关键科学问题在于提高太阳光的吸收率，和光激发电子空穴的产生率，以及如何有效促进光生电子、空穴的转移。

图1 太阳电池的基本原理

太阳电池技术大致可以分为三代：第一代是晶体硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅太阳电池；第二代是半导体薄膜太阳电池，包括非晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒；第三代是新型太阳电池，包括染料敏化、宽光谱、叠层多结、量子点/纳米、有机电池等多种新概念电池。太阳电池研究的挑战在于效率、成本、寿命等三方面的共同进步。全世界正掀起探索高效率低成本太阳能技术热潮。

【资料：当前第一代太阳电池已经在国内外普遍生产，但其技术仍存在上升空间；第二代太阳电池也在国际上初步实现产业化，在国内只有非晶硅太阳电池能够实现产业化生产，还有许多关键科学问题有待解决；第三代太阳电池国内许多团队都已开始进行研究，科学问题是需要进一步提高效率，提高寿命。理想的太阳电池效率大于40%，用于制备的基质材料丰富，低消耗、低成本的薄膜化、柔性化结构，清洁的制备工艺。国际上研究工作正围绕这些方面开展。同时还在发展多种太阳电池与建筑一体化技术，发展太阳电池先进的应用技术。】

从上世纪70年代中期开始地面用太阳电池商品化以来，晶体硅（包括多晶硅和单晶硅）就作为最主要的电池材料占据着统治地位，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳电池的主流材料。多晶硅太阳电池产业包括多晶硅材料、电池、组件三个主要方面，其他的辅助部分还包括用于组件的导线、底板材料、面板材料、框架等，形成一个多晶硅太阳电池的产业链。在目前整个太阳能光伏产业链中，太阳能级多晶硅的生产技术是发展的关键环节。要实现光伏产业自身的良性循环发展，亟需开发出太阳能级多晶硅的低成本、低能耗的生产技术。

此外对于高效晶体硅太阳电池，通过研究硼扩散背场技术双扩散技术、刻槽化学镀技术、双面钝化技术，实现高效率的晶体硅太阳电池的制备。同时在技术水平和提高效率降低成本等方面都仍有上升空间。

发展硅基薄膜太阳电池也是重要方向。硅基薄膜太阳电池具有很大优势：（1）硅材料储量丰富，是

地球上储量第二大元素，无毒、无污染，是人们研究最多，技术最成熟的材料；（2）耗材少、制造成本低。硅基薄膜电池的厚度小于1靘，不足晶体硅电池厚度的1/100，大大降低了材料成本；硅基薄膜电池采用低温工艺技术（200℃），这不仅可节能降耗，而且便于采用玻璃、塑料等廉价衬底；另外，硅基薄膜采用气体的辉光效电分解沉积而成，通过改变反应气体组分可方便地生长各种硅基薄。膜材料，实现pin和各种叠层结构的电池，节省了许多工序。（3）便于实现大面积、全自动化连续生产。

薄膜太阳电池主要有非晶硅薄膜太阳电池、铜铟硒化物（CIS/CIGS）、碲化镉（CdTe）等薄膜太阳电池。非晶硅薄膜太阳电池制备工艺相对简单，易实现自动化生产。非晶硅薄膜太阳电池存在光致衰减效应（S-W效应）和光电转换效率低的缺点。但是非晶硅薄膜太阳电池成本低、能量回收周期短，在很多方面可以获得很好的应用。铜铟镓硒、碲化镉等作为性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳电池上也成为各国研究的热点之一，其实验室光电转化效率分别达到19.5%和16.5%，性能稳定而且不会发生光致衰减效应。

新型太阳电池技术包括：染料敏化太阳电池、高效全光谱InGaN太阳电池、有机太阳电池、量子点太阳电池、太阳能聚光光学系统以及低成本铜铟镓硒薄膜太阳电池技术等。对于染料敏化太阳电池，通过环境友好电解质体系的设计与合成，复合电解质中的电荷传输机制，纳米粒子掺杂对复合电解质染料敏化太阳电池性能的影响因素和作用机理，TiO2纳米多孔膜、光敏化剂和复合电解质的匹配、合成稳定的宽光谱光敏染料等关键技术的研究，制备出稳定、低成本的染料敏化太阳电池；对于高效全光谱InGaN太阳电池，通过研究无位错、相关联InN量子点的可控制备、高浓度P型掺杂InN薄膜的制备、全铟组分InGaN材料生长技术高铟组分、InGaN材料P型掺杂技术、新型多层InGaN太阳电池结构设计和材料生长技术，实现高效率全光谱InGaN太阳电池的制备；对于有机太阳电池，通过研究稳定的宽光谱有机吸收材料、复合界面的电子结构设计、共轭高分子材料合成、共轭聚合物薄膜形态控制技术、叠层电池制备技术、给体/受体纳米级互穿网络的形成和控制等技术，实现低成本有机太阳电池的制备；对于低成本CIGS薄膜太阳电池技术，通过研究CIGS液相溶解技术、CIGS液相涂敷技术、CIGS薄膜Ga、Na梯度分布控制技术，实现低成本CIGS薄膜太阳电池的制备。对于太阳能聚光光学系统设计，通过研究基于全息技术的低倍广角聚光系统设计、基于DOE技术的高效二色镜光学元件设计、光学收集系统，光谱分解系统和多结电池的集成技术，实现高效率的太阳能聚光光学系统。

发展先进光伏发电集成系统是太阳电池未来应用的关键之一。在研究兆瓦级及以上并网光伏发电系统的基础上，需在10 MW级乃至百兆瓦级以上并网光伏发电系统关键技术和关键设备上取得重大进展。解决并网逆变器的高效率技术、波形控制技术、MPPT技术及反孤岛保护技术、光伏微网逆变器控制技术、微网光伏发电系统能量管理技术等关键技术问题，力求在先进独立光伏发电系统、兆瓦级到吉瓦级并网光伏发电系统、多能互补的光伏微网系统的关键技术和关键设备研发上有所突破，解决西部地区农村的缺电问题和促进城市太阳能光伏应用，加快我国荒漠并网光伏发电的大规模应用步伐。掌握BIPV相关平衡部件的关键技术，掌握光伏微网相关关键技术，研制适当容量的并网逆变器，通过结合国家可再生能源示范建设分散或集中的BIPV并网发电系统，促进BIPV的应用。

作为技术发展和产业的技术支撑，国外太阳能技术发展领先的国家如日本、美国、德国等，都建立了国家级的公共测试平台，而我国在这方面还有很大差距，需要建立具有国际水平的测试评估机构，开展从电池、组件到系统的全方位测试（新型电池测试、聚光光伏组件室外测试、独立和微网系统室/内外测试、大型并网系统现场测试—固定式/聚光式/跟踪式阵列的测试、MPPT效率测试，并网逆变器测试—孤岛效应测试等），为光伏技术发展和大规模应用提供支撑。