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太阳能电池

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太阳能电池
太阳能电池
多具串联的太阳能电池板
多具串联的太阳能电池板
各类太阳能电池技术转换效率进展 (美国国家可再生能源实验室(英语:National Renewable Energy Laboratory))
各类太阳能电池技术转换效率进展 (美国国家可再生能源实验室英语National Renewable Energy Laboratory)

太阳能电池(solar cell)亦称太阳能芯片,近义词光电池(photovoltaic cell)或称光伏电池光生伏打电池[1]),是一种将太阳光通过光生伏打效应转成电能的装置。太阳能电池按定义并非电池,因其并不储能,这是翻译名词,原意为太阳能单元,属于一种光电器件。

在常见的半导体太阳能电池中,透过适当的能阶设计,便可有效的吸收太阳所发出的光,并产生电压与电流。这种现象又被称为太阳能光伏

太阳能发电是一种可再生环保发电方式,其发电过程中不会产生二氧化碳温室气体,因此不会对环境造成污染;但太阳能电池板的生产过程会产生大量有毒废水,需另行处置。另外弃置的太阳能电池也是问题,若没有妥善的回收机制,会对环境造成污染。

按照制作材料分为基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS英语Copper indium gallium selenide薄膜电池、染料敏化薄膜电池有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶硅电池、多晶硅电池和无定形体硅薄膜电池等。对于太阳能电池来说最重要的参数是转换效率,目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中(并非硅空气电池英语Silicon–air battery),单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGS薄膜电池效率达19.8%,CdTe薄膜电池效率达19.6%,非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%。[2]

历史

术语“光生伏打”(Photovoltaics)一词,系photo-(希腊语,意为)与volta(意为电气,纪念意大利物理学家亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta))的结合,意指由光产生电的现象,最早的纪录可溯至十九世纪

新疆装于屋顶的太阳能
新疆装于屋顶的太阳能
软质太阳能板
软质太阳能板
斯旺森定律 - 为累计产量的增加,成本的降低
斯旺森定律 - 为累计产量的增加,成本的降低
  • 1839年,光生伏打效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。
  • 1849年术语“光-伏”(photo-voltaic)出现在英语中,意指由光产生电动势
  • 1883年Charles Fritts制造了第一块太阳电池。Charles用半导体上覆上一层极薄的层形成半导体金属结,该器件只有1%的效率
  • 1930年代,照相机曝光计广泛地使用光生伏打原理。
  • 1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的专利
  • 1950年代,随着半导体物理性质的逐渐了解,以及加工技术的进步,在1954年美国贝尔实验室的研究员发现,于中掺入一定量的杂质,会使其对更加敏感,并制作出了第一个有实际应用价值的太阳能电池。
  • 1960年代,美国发射的人造卫星已利用太阳能电池做为能量来源。
  • 1970年代,由于能源危机,世界各国开始关注能源开发的重要性。1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

目前,在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。

在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特南非博茨瓦纳纳米比亚非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法,推广每户3千瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候,由太阳能电池提供电能给自家的负载用,若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候,所需要的电力再由电力公司提供。

到了1996年,日本有2,600户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度,预估日本住家用太阳能电池的需求量,也会急速增加。

中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月,中华人民共和国财政部财政部宣布拟对光伏建筑等大型太阳能工程进行补贴。

构造与发电原理

太阳能电池的结构图
太阳能电池的结构图

太阳电池的基本构造是运用P型N型半导体接合而成的,这种结构称为一个PN结

当太阳光照射到一般的半导体(例如硅)时,会产生电子与空穴对,但它们很快的便会结合,并且将能量转换成光子声子(热),光子和能量相关,声子则和动量相关。因此电子与空穴的生命期甚短;在P型中,由于具有较高的空穴密度,光产生的空穴具有较长的生命期,同理,在N型半导体中,电子有较长的生命期。

在P-N半导体接合处,由于有效载流子浓度不同而造成的扩散,将会产生一个由N指向P的内建电场,因此当光子被接合处的半导体吸收时,所产生的电子将会受电场作用而移动至N型半导体处,空穴则移动至P型半导体处,因此便能在两侧累积电荷,若以导线连接,则可产生电流,而太阳能电池的挑战就在于如何将产生的电子空穴对在复合之前将其搜集起来。

从太阳来的光线,能量大部分落于1 – 3 eV之间,因此就单一个PN结而言,若经适当地设计,使吸收光能的高峰落于约1.5 eV,则能有最好的效率。[3]

由于太阳电池产生的电是直流电,若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装逆变器,才能加以利用。

太阳能电池的充电发展

太阳能电池应用在消费性商品上,大多有充电的问题,过去一般的充电对象采用氢或镍干电池,但是镍氢干电池无法抗高温,镍镉干电池环境污染的问题。近年来超级电容发展快速,电容超大,面积较小,加上价格低廉,因此有部分太阳能产品开始改采超级电容为充电对象,因而改善了太阳能充电的许多问题:

  1. 充电较快速
  2. 寿命增长5倍以上
  3. 充电温度范围较广
  4. 减少太阳能电池用量(可低压充电)

太阳能电池材料种类

太阳能电池的材料种类繁多,可以有非晶硅多晶硅CdTe、CuInxGa(1-x)Se2半导体的、或三五族、二六族的元素链接的材料等。

太空使用的太阳能电池
太空使用的太阳能电池
电动车太阳充电站
电动车太阳充电站

其设计上主要透过不同的工艺和方法,测试对光的反应和吸收,做到能隙结合宽广,让短波长或长波长都可以全盘吸收的革命性突破,来降低材料的成本。

太阳电池型式上可分作衬底式与薄膜式,衬底式在材料上又可分单晶式、或相溶后冷却而成的多晶式衬底;薄膜式则可和建筑物有较佳的结合性,它具有曲度,有可挠、可折叠等特性,材料上较常用非晶硅。除前二者外,另有有机或纳米材料制作之太阳能电池,目前仍处研发阶段。

就太阳能电池的发展时间而言,可区分为四个世代:

第一代衬底硅晶(Silicon Based)、第二代为薄膜(Thin Film)、第三代新观念研发(New Concept)、第四代复合薄膜材料。
  1. 第一代太阳能电池发展最长久,技术也最成熟。种类可分为单晶硅(Monocrystalline Silicon)、多晶硅(Polycrystalline Silicon)、非晶硅(Amorphous Silicon)。以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗,也因应不同设计的需求需要用到不同材料(例:对光波长的吸收、成本、面积......等等)。
  2. 第二代薄膜太阳能电池,将化合物半导体以薄膜工艺来制造电池,种类可分为二元化合物碲化镉CdTe、砷化镓)、三元化合物铜铟硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、四元化合物英语Quaternary compound铜铟镓硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)。
  3. 第三代电池与前代电池最大的不同是工艺中导入“有机物”和“纳米科技”。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。
  4. 第四代则针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。

某种电池制造技术,并非仅能制造一种类型的电池,例如在多晶硅工艺,既可制造出硅晶版类型,也可以制造薄膜类型。

晶体硅(包括单晶硅及多晶硅)太阳电池工业生产流程

  1. 硅料提纯:将高纯的二氧化硅经过还原剂碳还原后,生成纯度为98%以上的冶金级硅,再经西门子法提纯为纯度大于99.99998%的太阳能级硅(纯度要求低于半导体级硅)。
  2. 拉晶或铸锭:将提纯得到的高纯硅料,经过柴氏法提拉结晶成为单晶硅棒,或者通过石英坩埚铸锭为多晶硅锭。
  3. 修角:该工艺只适用于单晶,目的是将圆柱形的单晶硅棒磨为近长方体形,使切出的硅片接近方形。
  4. 切片:用多线锯(金刚石线)将单晶硅棒或多晶硅锭切为200-300μm厚的薄片,目前工业上已大规模使用160-180μm左右的硅片进行生产。
  5. 清洗制绒:首先用碱液(一般为80摄氏度以上的NaOH溶液)腐蚀机械加工中造成硅片的损伤,然后分别用碱液(单晶硅片)或酸液(多晶硅片)制备出用于减反射的绒面,最后用甩干机甩干。
  6. 扩散制结:目前工业上用的硅片主要为p型片,因此需要通过扩散磷(P)来形成PN结,扩散一般通过扩散炉进行,工艺温度高于900摄氏度,但目前已经在开发低温的扩散工艺。如果是使用n型片制备太阳电池,则需要扩散硼(B)。
  7. 二次清洗:因为在扩散工艺中会形成非活性的磷硅玻璃,因此需要通过氢氟酸(HF)腐蚀掉。
  8. 制备减反射膜:工业中采用等离子体增强化学气相沉积英语Plasma-enhanced chemical vapor depositionPECVD),制备氮化硅SiNx减反射膜。
  9. 印刷电极:通过丝网印刷制备前后电极,前电极一般用银浆,后电极用银铝浆,而背面场则用铝浆印刷而成。具有相当快速且低成本的优点,也是有多项专利在市场上
  10. 烧结:通过烧结炉的高温烧结,使前电极烧穿前表面的氮化硅减反射膜,n型层形成良好的欧姆接触,而背面的铝扩散入硅中,在背表面形成p+的重掺区,从而形成背表面场。

新型太阳电池

目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下,也就是说,这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能,其余的85%都转换成了无法利用的热能。超高效率的太阳电池(第三代太阳电池[4])的技术发展,除了运用新颖的器件结构设计,来尝试突破其物理限制外,也尝试新材料的引进,以达成大幅增加转换效率的目的。另外,也有许多后续的封装技术和光学技术,例如聚光型太阳能电池,透过光学的方式将太阳光聚集于太阳能面板上,而此类型的太阳能电池必须能承受高温环境。

薄膜太阳电池

在薄膜电池技术中,近年建筑物集成太阳能电池技术(Building Integrated Photo Voltaic,BIPV)特别引人注目。此技术把薄膜电池应用到建筑物的围护结构如屋顶、天窗、外观、门窗等部分的建筑材料之中;对于使用帷幕墙特别是玻璃幕墙的建筑物,BIPV更可结合在帷幕墙的材料之中。故其相对于非集成系统的优点,在于初投资可被因节省建材和劳工而抵消。被认为是太阳能电池工业中增长最大的技术之一。薄膜太阳能电池的好处在于可挠与低成本,透过沉积的方式即可完成,大面积,但转换效率不高,且有光衰退(因长期的光照使得材料功能性下降,又称作光裂解,原因是在薄膜沉积工艺中有氢键,这些键会在照光时断键而形成缺陷)现象,非晶硅太阳能电池具有非常宽的频谱吸收,也可以做成可挠式的薄膜电池,对于绿色建筑等只需要将电池服贴于窗户甚至是建筑的表面,这一新技术对绿色建筑领域的发展具有开拓性的帮助。

目前调查显示,CIGS可弯曲模块是BIPV封装工业增长的最大推动力,相对而言CIGS有光优化的现象(照光后效率提升)。[5]

铜铟硒太阳电池

铜铟硒(CuInSe2, CIS)薄膜太阳能电池具有以下特点:

  1. 铜铟硒薄膜的能隙为1.04 eV,通入适量的取代可在1.04~1.67 eV之间连续调整能带宽度。
  2. 铜铟硒是一种直接能隙材料,其可见光的吸收系数高达105 cm-1数量级,相较于硅基系列(mono-Si, a-Si),更多了约100倍以上的吸收,非常适合做为薄膜太阳能电池的吸收层。
  3. 技术成熟后,制造成本和回收时间将远低于晶体硅太阳能电池。
  4. 抗辐射能力强。
  5. 高光电转换效率,目前铜铟镓硒薄膜太阳能电池的最高转换效率已达20.3%,是所有薄膜太阳能电池中的最高纪录。
  6. 电池稳定性佳,效率稳定几乎不衰减。
  7. 弱光特性好。因此铜铟硒薄膜太阳能电池可望成为新一代太阳能电池的主流产品之一。

染料敏化太阳电池

染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC)是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSSC也被称为格雷策尔电池,因为是在1991年由格雷策尔等人发明[6]的构造和一般光伏特电池不同,其衬底通常是玻璃,也可以是透明且可弯曲的聚合箔(polymer foil,金属薄膜英语metallised films),玻璃上有一层透明导电的氧化物(transparent conducting oxide,TCO)通常是使用FTO(SnO2:F),于上长有一层约10微米厚的porous纳米尺寸的TiO2粒子(约10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是采用钌多吡啶配合物(ruthenium polypyridyl complex)。上层的电极除了也是使用透明导电层和TCO外,也镀上一层当电解质反应的催化剂,二层电极间,则注入填满含有iodide/triiodide电解质。虽然目前DSSC电池的最高转换效率约在12%左右,但是制造过程简单,所以一般认为降低生产成本会更多,能用更低的成本提供同样的发电量。TCO是透明导电层,也可以减少光在穿透时被吸收的能量。

串叠型电池

串叠型电池(Tandem Cell)属于一种运用新颖原件结构的电池,借由设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最佳化的结构设计,针对红光和蓝光区域的光谱会分别由两个电池来吸收。以增加QE的转换效率。目前由理论计算可知,如果在结构中放入越多层数的电池,将可把电池效率逐步提升,甚至可达到50%的转换效率,但串叠型电池的技术困难处在于它必须要做到电流匹配(current match),因为上下两层电池产生的电流串联时,会以电流于较小的那一颗电池为主,就如同水管大小串接在一起,水量会被出口面积较小的水管给局限住。[7] 此种高聚光太阳光发电(High Concentration Photovoltaic, HCPV)技术由于具有发电效率高、温度系数低及最有降低发电成本的潜力等优势,近年来逐渐受到国际的重视。例如在台湾,核能研究所利用MOCVD外延生长的方法进行堆叠式单体型InGaP/GaAs/Ge三接面太阳电池外延片的开发与太阳电池器件工艺,所完成的太阳电池在128个太阳条件下,最佳能量转换效率为39.07 %。依据聚光型太阳光发电协会(CPV Consortium)资料显示,聚光型太阳光发电的全球市场将以145%年复合成长率向上增长,预估至2015年之安装量将达1.8 GW。[8]

钙钛矿电池

应用实例

从太阳能电池到光伏系统。光伏系统可能的组件的一个示意图
从太阳能电池到光伏系统。光伏系统可能的组件的一个示意图
现在的太阳光电板可以配合造型做变化,在德国,一艘以太阳电池作为遮阳板的游艇,不但造型流线美观也环保
现在的太阳光电板可以配合造型做变化,在德国,一艘以太阳电池作为遮阳板的游艇,不但造型流线美观也环保

太阳能屋、太阳能灯、太阳能发电、太阳能飞机等。

应用市场的发展

由于封装技术、焊接材料与加工方法及芯片上的改良,在1991年太阳能系统的寿命约5到10年。到了1995年则增加到10~20年,而到公元2000年更可延长使用年限到25年以上。1995年,仅美国市场的太阳能电池销售额为35亿美元。由于石油及环保(全球温室效应)的问题,以及外交上对落后地区的援助,使得在公元2000年后全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。

2005年后,德国等环保先进国家实行了新的建筑法规,太阳能板需求量爆发大增,市场严重缺货,造成全球太阳能电池产业蓬勃发展,许多太阳能电池厂的股价迅速攀升,并带动传统制造业转型,投入太阳能相关商品的开发与应用。

2011年的福岛第一核电站事故使得各国提高对各种再生能源的补贴,太阳能产业也因此扩大生产,造成供过于求,太阳能电池发电成本提早在2013~2014年达到电网平价(至少不会比传统发电贵),未来太阳能电池发电的成本将比燃煤发电便宜,但目前还不能确定多久。[9]

此外,太阳能电池除了硬件成本外,还有安装、管理、资金等软成本,许多国家在非硬件成本上都有很大的降价空间,只要改善非硬件的问题;在这方面表现最佳的是德国的每瓦2.21美元。[来源请求]根据SolarCity公司最新财报,每瓦价格为2.71美元。[10]

缺点与展望

太阳能的使用受天气影响极之大,因此只能辅助发电。而且生产过程中需要用强酸和强碱清洗,容易造成环境污染。

太阳能电池夜间无法发电,更大的缺点是容易受云层移动干扰(夜间无法发电可以预测,但云层移动干扰不好预测、因此是更严重的缺点)。但由于太阳能电池的发电尖峰通常接近电力使用尖峰,因此要到较高的安装量才会造成问题:目前多采取可以在短时间内改变发电量的天然气发电来调节,太阳能可以降低天然气使用量(成本)、天然气发电则可以弥补太阳能的不稳定性,互补性极佳;而大部分的地区,太阳能与风能具有互补性,太阳能电池与水力发电抽水蓄能电站的互补性更高。未来的应变方案为研发高效能的电池技术以储存太阳能,例如蓄电池飞轮储能压缩空气储能技术等;若将能源储存系统与太阳能电池装置在社区或家庭,则可以大幅增加供电稳定性。

太阳能电池亦要和另一太阳能发电方案:聚光太阳能热发电竞争,后者的转化效率较高和技术成熟。不过缺点是体积较大和结构复杂。

另外,利用卫星发电亦可避免此二项干扰,例如美国和日本两国提出的“卫星太阳能发电厂”计划(Satellite Solar PowerStation,SSPS)[11],目标是将具有太阳能电池或热能发电系统的卫星,发射到太空中一个能够不断接受太阳光的地方,例如在赤道附近上空,便可以连续不停且稳定地接收太阳能,在转换为电能后,以微波的方式传回地球。

各种发电方法所产生的每单位电最所产生整体二氧化碳排放量[12]
发电方法 简述 每单位电量所产生的二氧化碳
(g CO2/kWhe))(百一分段价)
水力发电 假设利用水塘,不含水坝建设 4
风力发电厂 位于低成本陆地的情境,不含海上型 12
核电 以普遍的第二代核反应堆计算
不含更新型科技
16
生质燃料 18
聚光太阳能热发电 22
地热发电 45
太阳能电池 多晶硅太阳能电池
生产过程的碳排放
46
燃气发电 假设加装燃气涡轮
联合废热回收蒸汽发生器
469
燃煤发电 1001

参见

参考资料

  1. ^ 《科普手册》。国家数字文化网。http://www.ndcnc.gov.cn/datalib/2004/Science/DL/DL-177512/页面存档备份,存于互联网档案馆
  2. ^ Solar cell efficiency tables (version 43) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2452/pdf页面存档备份,存于互联网档案馆
  3. ^ John D. Meakin. PHOTOVOLTAIC CONVERSION (PDF). [2013-09-20]. (原始内容存档 (PDF)于2013-11-02). 
  4. ^ Third Generation Photovoltaics[永久失效链接], M.A. Green, ISBN 978-3-540-26562-7(Print)ISBN 978-3-540-26563-4 (Online)
  5. ^ BIPV Encapsulation Markets Preview. [2012-07-31]. (原始内容存档于2012-06-28). 
  6. ^ Michael Grätzel, Brian O'Regan (24 October 1991). "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films". Nature 353 (24):737 - 740. DOI:10.1038/353737a0
  7. ^ Marti A and Araujo GL (1996),Limiting efficiencies for photovoltaics solar conversion in multigap systems, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 203-222
  8. ^ 核能研究所页面存档备份,存于互联网档案馆)100年度-新能源再生能源科技研究成果年报
  9. ^ 再生能源發展實力和趨勢是什麼?10 個案例告訴你. Greenpeace 绿色和平 | 台湾. [2021-05-27]. (原始内容存档于2021-05-27) (中文(台湾)). 
  10. ^ 存档副本 (PDF). [2016-05-09]. (原始内容 (PDF)存档于2016-06-01). 
  11. ^ Makoto Nagatomo, Susumo Sasaki, Yoshihiro Naruo," Conceptual Study of a Solar Power Satellite SPS 2000", Proceeding of the 13th International Symposium on Space Technology and Science", May 1994, pp 469-476.
  12. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf页面存档备份,存于互联网档案馆) see page 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Annex II: Methodology. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
  • G. P. Smestad, Solar Energy Mater. Solar Cells, 82, 227 (2004).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 127 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 443 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 9, 123 (2001).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 13, 447 (2005).
  • T. Surek, J. Cryst. Growth, 275, 292 (2005).
  • H. Spanggaard, and F. C. Krebs, Solar Energy Mater. Solar Cells, 83, 125 (2004).

外部链接

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