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太阳发电技术综述摘要介绍了太阳电池的发展背景、现状、目前的两种主要太阳发电技术。最后论述了目前太阳发电技术的主要研究趋势，并对光伏产业未来发展作出预测。关键词太阳电池；光伏产业；发电技术；现状；进展及预测 ABSTRACT History of solar cells is introduced, and we will see what is going on at present. Then, 4 new kinds of solar cells are illustrated, which are promised to have better performance than Si-solar-cells. Still, I would like to forecast the near future of this field. Keywords Solar cells; PV industry; Electricity generation technology; Current situation; ProgressForecast 1 太阳能发电的背景诺贝尔奖获得者 Smalley 教授认为人类未来五十年面临的十大问题之首即是能源问题 [4]。目前人类使用的全部能源中，化石能源占 90以上，到 2050 年左右，由于人类对能源的需求量大幅增加以及化石能源数量的急剧减少，化石能源在人类消耗总能源中所占的比例很可能降低到 50，并且已经达到极大值，也就是说达到了化石能源的最大承受能力。之后核能和可再生能源将占据主导地位，但是相较于可再生能源，核能的利用具有很严重的潜在威胁，譬如日本大地震引起的核泄漏事件对公民的生命财产安全造成了极大损失。因此，核能只能作为过渡阶段的能源支撑。到 2100 年，可再生能源的比例将超过 1/3，随着时间的推移还会逐年上升。在众多备选的可再生能源种类之中，太阳能是其他所有可再生能源总量的上千倍，因此太阳能发展潜力很可能是最大的。 2 太阳能发电现状地球表面每年接受太阳辐射总量约为 5.41024J,达到目前世界已经探明能源总量的一万倍以上 [2]，若将其中的千分之一以 5的效率转换为电能，年发电量即可达到 5600TW.h[1]，相当于目前全世界耗能的 30 倍以上，因此太阳能发电对今后世界能源发展具有十分特别的意义，目前太阳能发电主要指光伏发电。经过几十年的努力探讨和发展，目前太阳能发电技术已经广泛用于解决偏远地区的用电问题，在一些发达国家甚至已经初步实现了光伏产业化 [2]，尽管如此，光伏产业距离全面普及的路途依然比较遥远，阻碍其普及化的主要矛盾来自两个方面稳定效率低、生产成本高。 3 目前太阳发电的两种主要技术途径 3.1 光伏发电通过光电转化装置直接将光能转化为电能称为“太阳能发电” ，或者“光伏发电” 。太阳辐射的光子具有能量，根据量子力学中能量量子化理论可知，光子能量 Eh ，其中 h 为普朗克常数， h/2π称作约化 普朗克常数，和分别为光子的频率和圆频率，二者的值与光子的波长成反比，因此光子的能量是光子波长的函数，波长越长，能量越低，波长越短，能量越高。迄今为止，光伏发电技术的主流依然是以硅基太阳电池为代表的半导体发电技术，其主要工作原理是照射到半导体上的光子激发半导体价带中的电子至导带，在 PN 结内建电场作用力的驱动下，电子- 空穴自动分开，从而形成可以为外部负载利用的高能热电子。目前太阳电池的光电转换效率仍然比较低，不能很好的满足商业化要求，就硅太阳电池而言，致使效率低主要来自三方面第一，光电池的半导体材料的禁带宽度一般由材料种类决定，然而太阳光谱具有广泛的频率（波长）分布，根据能量守恒原理，能量低（小于 Eg）的光子不可能激发价带电子到达导带，只能被散射或者穿过体材，这部分光子对光电转换效率是没有贡献的。第二，高能光子（远大于 Eg）虽然能够激发产生热电子，但是根据能量守恒定律，必然还有△E -Eg 的能量以声子的形式传递给了晶格，最终以热 能的形式耗散掉，虽然这部分高能光子的能量对光电转换效率是有贡献的，但是也远远达不到 100。第三，纵使价带电子已经被激发至导带，倘若没有其他负离子或者电子及时补充给价带中留下空穴，那么价带中的热电子也会由于电子-空穴间的库伦作用力很容易地跃迁回价带，进而大大降低了电池的电流 I，又 PIV，，从而对光电转换效率产生了很大的消极影响。5.1/AMP 针对以上降低太阳电池效率的三点因素，可以在以下几方面做出努力第一，由太阳光谱图可知，无论是在大气层外还是经过大气层散射、吸收、反射之后到达地表的太阳光谱能量都主要集中在可见光区域（400-800nm ），从整体能量分布来看，主要分布在 400-1500nm 范围，经过简单计算（Ehc/ ），其对应的能量范围 为 0.83-3.11eV，考虑到更多的能量是分布在短波区域，因此从转换效率而言，对单结太阳电池，半导体材料的最佳禁带宽度应该取在 1.4-1.6eV 左右。实际上，无论是理论计算还是实验验证，单结太阳电池对光电转换效率的博弈能力都是极其有限、表现平庸的。为了更加充分地利用利用广泛波谱范围的光能，人们构想了多结太阳电池，这种电池从上表面往下依次吸收能量逐渐降低的光子，具有较大的光电流，实践证明这种电池确实可以凭借不同结材料广泛吸收各种波长的光子，从而大大提高了光电转换效率。但是，如果从本质上讲，多结太阳电池并没有从根本原理上改变太阳电池的缺陷，因为这种办法之所以可以提高太阳电池的效率，充其量归因于原来各种低效率电池的低效率叠加，即每个结就是一个传统太阳电池，故而。不管怎么说这种办法确实是提高了i 电池效率。上世纪 90 年代，瑞士科学家提出一种新型的太阳电池- 量子点太阳电池。这种电池工艺简单、成本低廉、环境友好。我在本科毕设期间制作过 CdS 单结量子点太阳电池，其基本工作原理为在 TiO2 多孔结构中生长 CdS 量子点，透过透明导电玻璃的光子照射在 CdS 量子点上，激发产生热电子，由于 TiO2 的导带低略微低于 CdS 导带低，因此 CdS 的热电子像流水一样悄悄流向 TiO2，进而通过导电玻璃流出电池被负载使用。为了降低电子-空穴的复合效应，最初是的办法是采用液态离子（如碘离子等）渗入 TiO2 孔洞迅速复合空穴阻止热电子向下跃迁，凭此保证电池电流不会很小。这种办法与 PN 结型太阳电池相比原理是根本不同的，具有诸多优点的同时，也带来了需要研究的问题。首先，电解液的稳定性很难得到保证，随着使用时间的延长，电解液的溶液（如酒精）会挥发殆尽，电池寿终正寝。其次就是如何得到颗粒大小完美的量子点。倘若颗粒太小，光子吸收率必然大打折扣，如果颗粒太大，堵塞了 TiO2 孔洞，电解质不能及时进入孔洞与 CdS 空穴复合，进而不可避免地增加了电子-空穴复合几率。以上两个问题中第一个，科学家们试图制作固态电解质来避免挥发问题，目前尚未找到可以保证光电转换效率很高的固态电解质。第二个问题显然是个优化问题，最佳的颗粒大小应该是使 TiO2 表面布满 CdS 量子点同时保证孔洞尚未堵塞（我的实验表明随着沉积 CdS 次数的增加，光电转换效率先增加后降低，过了最佳沉积次数之后，由于颗粒较大，孔洞已经部分处于半阻塞状态，当然效率下降可能并非完全归于于这一点，颗粒的增大使量子效应减弱也可能是降低效率的因素之一）。 3.2 太阳热发电通过收集太阳热辐射能间接转化为电能称为“太阳热发电” 。具体实现方式是通过集热装置将太阳辐射的热能集中，驱动发电机发电。热发电机一般包括集热系统、热传输系统、蓄热储能系统、热机、发电机等 [2]。虽然太阳辐射到地球表面的总能量是庞大的，但是能流密度却是很小的，分布广泛而分散。目前主要有两种利用方式聚光式和聚热式。聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成。传输部分由管道和介质构成，介质通常为水或空气。储热部分用来保证发电的连续性，介质多为熔盐。西班牙太阳能发电塔是典型的聚光发电技术。采用反射镜将太阳光反射并聚集到接收器，接收器聚集太阳能并将其转换为热能，利用这种热能产生热蒸汽，推动涡轮发动机，切割磁场，从而发电。与半导体光电转换不同，由于热量存储技术，这种光电转换方式能够某种程度上克服多云天气和夜间的影响 [3]。 4 太阳能电池发展的新概念和新方向基于传统太阳能电池的缺点，一些新概念设计已经在太阳电池技术中显现，从某种意义上说，预示了太阳电池发展的新趋势 [4]。 4.1 薄膜电池硅基太阳电池的厚度已由上世纪 70 年代 400-450 下降到目m 前的 200 左右。但是随着技术的发展也很难使厚度下降到 80m 以下 [4]。如果希望继续削减厚度就需要需寻找新的半导体材料，如 CIGS、 GaAs、CdTe 等。电池器件的薄膜化有利于缩短光生载流子在器件中的扩散距离，降低空穴-电子复合几率，提高光电转换效率。另一个好处是，器件薄膜化大大节约了原料，降低了生产成本。 4.2 柔性电池此种电池因其柔性而可以胜任于平板电池无法胜任的曲目地带，甚至可以成卷生产，便于规模化、商业化，轻盈的质量使其便于携带成为了可能。 4.3 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池被国际公认为第三代太阳电池，具有诸多竞争优势。首先，电池制备工艺十分简单，无需昂贵又耗能的高温和高真空，也无需高纯材料，只需简单的化学工艺即可。从成本的角度，只是普通硅基太阳电池的 1/3-1/5。此种电池可以薄膜化、柔性化，转化效率也比较高。它的缺点也是明显的，液态电解液的泄漏、挥发引起的封装困难和长期稳定性限制了它的发展。为了解决这个问题，研究人员将固态电解质取代液态电解质，解决了封装问题，但是由于离子在其中的扩散速度慢，使电池的暗电流增大，导致光电转换效率降低，同时电解质中存在的光腐蚀现象也不容忽视。一种比较理想的尝试是采用凝胶电解液，液态电解质贯穿于交联高分子三维网络结构中形成两相体系，电解液以连续液相存在于高分子三维网络中，较大程度地保持了电解质离子在其中的扩散速率，进而获得较高的光电转换效率；同时高分子骨架能有效地减少溶剂挥发，保持了良好的稳定性 [8]。燃料敏化太阳电池应用广泛，前景光明。小到手机充电器、 MP3 播放器，大到建筑屋顶太阳发电，燃料敏化太阳电池无所不能。 4.4 量子点太阳电池 2002 年美国国家能源实验室 Nozik 和澳大利亚新南威尔士大学 Green 两个小组的研究同时指出某些半导体量子点在被光谱末端的蓝光或高能紫外线轰击时，能释放两个或两个以上电子 [5,6]。2004 年美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室首次证明看上述结论 [7]。简单地说就是量子点可以超过 100的量子产额。基于上述，人们认为利用量子结构的量子限制效应和能级分立特性，将其应用于太阳电池。目前尚处于理论探索和初步尝试阶段，潜在价值不可估量。 5 结语由于理论和技术等原因，第一代硅太阳电池和第二代化合物太阳电池必将较长期地处于市场领先地位。但是从长远的角度看，必将为更具优势的新概念电池所取代，因此为了保持竞争力，在拥有实用化的一、二代太阳电池的同时必须不可松懈地研究新概念太阳电池，为将来百花齐放的光伏产业奠定坚实的理论和技术基础。参考文献 [1] 张伯全，杨宜民. 风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势 [J].中国电力，2006，（6）. [2] 鲁华永，袁越等. 太阳能发电技术探讨 [J].江苏电机工程， 2008,（1）. [3] 陈于平. 聚光太阳能发电技术应用与前景 [J].电网与清洁能源， 2010（7）. [4] 林红等. 太阳能电池发展的新概念和新方向 [J].稀有金属材料与工程，2009，（12）. [5] A. J. Nozik, Quantum dot solar cells, Physica, E14,1152002. [6] T. Trupke, M.A.Green, P. Würfel, Improving solar cell efficiencies by down-conversion of high-energy photos, J. Appl. Phys.,923,16682002. [7] R. D. Schaller, V. I. Klimov, High efficiency carrier multiplication in PbSe nanocrystals, Implication for solar energy conversion, Phys. Rev. Lett., 9218,186602004. [8] 李冰等，应用于燃料敏化太阳电池的 TiO2 纳米复合电解质材料， [J].稀有金属材料与工程，2007，（8）.