太阳能光伏发电：背景及特点简介

一、开发利用太阳能的重要意义

1.新能源的开发利用

随着全球人口的不断增长和经济的持续发展，对于能源供应的需求量日益增长，而在目前的能源消费结构中，据统计，70%依赖于煤炭、石油和天然气等化石燃料。然而地球上化石燃料的蕴藏量是有限的，从已探明的储量分析，全球石油可开采约45～50年，天然气约50～60年，煤炭约200～220年，所以全球化石燃料的供应正面临严重短缺的危机局面。

由于人类能源的消费活动，主要是化石燃料产生的污染物，造成了环境污染，主要表现在全球气候变化和热污染两个方面，对地球环境造成了极大危害。人们逐渐认识到，减少温室气体的排放，治理大气环境，防止污染到了刻不容缓的地步，保护生态环境逐渐受到人们的重视。新能源相对于传统能源，普遍具有污染少、储量大的特点，可以帮助解决这些环境问题。新能源包括太阳能、风能、水能、生物能、地热能、海洋能以及由可再生资源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。

新能源共同的特点是：①资源丰富，可再生，可供人类连续利用；例如，陆地上估计可开发利用的风力资源2.53GW；②能量密度低，开发利用需要较大空间；③不含碳或含碳量很少，对环境影响很小；④分布广，可实现小规模分散利用；⑤间断式供应，所以波动性大，对继续供能不利；⑥目前除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。

太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳），人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种绿色植物通过光合作用把太阳能转换成化学能在植物体内贮存下来。地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）本质上也是远古以来贮存下来的太阳能，地球上的水能、风能、生物能、潮汐能、波浪能、海洋温差能都来源于太阳。太阳能资源丰富，可以免费使用，又不需要运输，更重要的是，对环境没有污染。

2.太阳能的开发利用

根据联合国贸易和发展会议（贸发会议）在2011年年底发布的《2011年技术和创新报告》中提到，2010年全球人口有14亿人仍未能用上电，报告建议通过发展可再生能源消除“用电贫困”。这些人主要居住在亚洲和非洲。其中相当大部分在经济不发达的偏远地区，由于居住分散，交通不便，很难延伸常规电网，没有电力供应严重制约了当地经济的发展。而这些无电地区往往太阳能资源十分丰富，利用太阳能成了理想的选择。

太阳能（solar energy）是来自太阳内部氢原子核聚变所释放出的巨大辐射能量。人类直接利用太阳能还处于初级阶段。20世纪，人们对太阳能的利用还没普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。总之，太阳能的利用主要有光电利用、光热利用（所谓的被动式利用）和光化利用等三种方式。

太阳能的光电应用即太阳能发电，是新兴的可再生能源技术。利用太阳能发电为人类创造了一种新的解决方案，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。已实现产业化应用的主要分为太阳能光伏发电和太阳能光热发电两大类。

通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体的光生伏特效应将太阳光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的核心元件是太阳能光伏电池，太阳能光伏电池的作用就是太阳能发电所需要的能量转换器。太阳能光伏电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件才可以形成光伏发电装置。太阳光伏电池板（组件）和晶体管一样，主要是用半导体物料硅，也有一些合金制成的。简单的光伏电池可为手表或者计算机等提供电能，比较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及为交通信号灯或者监控系统提供电能，并且可以给电网供电。光伏板组件可以做成不同形状，而组件之间可以相互连接，以便产生更多电能。天台及建筑物表面都可以使用光伏板组件，甚至被用作窗户或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。太阳能光伏发电具有电池组件模块化、安装维护方便、可靠稳定、使用方式灵活、寿命长等特点，是太阳能发电应用最多的技术。

太阳能光热发电是指利用科技将阳光聚合，目前主要是通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。建筑物也可利用太阳的光能和热能，具体在设计时加入合适的装备，例如开设大型的向阳窗户或使用能吸收并且缓慢释放太阳热能的建筑材料。在海洋上的太阳能项目—新型船舶就由它们反射的阳光都自动聚集到甲板中心的中央，加热锅炉里的水，产生高温高压蒸汽，推动发动机，从而产生电力。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，还有一个非常大的优势是太阳能所烧热的水可以储存在非常大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。目前，光热发电也开始逐步走上产业化的道路。

光热利用的基本原理是利用太阳能收集装置将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器（槽式、塔式和碟式）等4种。根据所能达到的温度和用途的不同，把太阳能光热利用分为低温利用（＜200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（＞800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳房、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能游泳池、太阳能空调制冷系统、太阳能海水淡化等；中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等；高温利用主要有高温太阳炉、太阳能高温发电和太阳能冶金等。

光化利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。光化转换指吸收光辐射导致化学反应而转换为化学能的过程。其基本形式有植物的光合作用和利用物质化学变化贮存太阳能的光化反应。植物利用叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，如果能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电。太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

二、太阳能光伏技术的开发历史

早在1839年，法国科学家贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术，为光伏发电大规模应用奠定了基础。

20世纪70年代后，随着世界经济的发展，全球能源危机和环境污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。此时，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以显著的优势成为人们关注的焦点。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。这个阶段突出的成果有：1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，加大了对太阳能研究经费的投入，并且成立太阳能开发银行，进而促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了很多人力、物力和财力。

70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对中国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府相关部门提出建议，通过多种渠道，让国人了解国际太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳能热水器，使空间用的太阳电池转向在地面上的应用。1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步促进了中国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了中国政府工作计划，获得了专项经费和物资支持。在高校和科研机构，纷纷开发太阳能课题研究项目，有些地区开始筹建太阳能研究所。当时，中国也兴起了开发利用太阳能的热潮。这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，各国加强了太阳能的研究工作，许多国家制定了未来的阳光计划。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家也开始积极参与太阳能开发利用工作。研究领域不断扩大，应用范围日益广阔，市场规模逐渐扩大，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。

20世纪90年代由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议提出环境与发展并存，确立了可持续发展的模式。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》，对进一步推动中国太阳能事业发挥了重要作用。1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。

世界光伏组件在1990—2005年年平均增长率约15%，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%～13%提高到13%～15%，生产规模从每年的1～5兆瓦发展到每年的5～25兆瓦，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到每瓦3美元以下。美国是最早制定光伏发电的发展规划的，1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。2010年，全球光伏装机容量达到16GW，同比增长120%；光伏电池组件产能、产量不断扩大，全球电池产能达到33GW，全球光伏设备产值达到107亿美元，光伏配套辅料产值达到31亿美元，同比增长31%。

据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位。太阳能光伏发电不仅要替代部分不可再生能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源占能源消耗结构的30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的份额将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能源能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力供应的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。从这些预计的数字能看出全世界发展太阳能光伏产业的决心。

三、国内外太阳能电池的发展历程

1.世界太阳能电池的发展历程

1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，最开始应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率仅为8%。随着20世纪70年代世界石油危机的爆发，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，太阳能电池的清洁性、安全性、资源可再生性等一系列优点也更加凸显，人们将眼光投到了太阳能电池上，寻求经济发展的新动力。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，有些发达国家政府相继制定了一系列推动光伏发电的优惠政策，实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，并带动了多晶硅材料业和太阳能电池设备业的迅猛发展。

太阳能电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳能电池、CIS（铜铟硒）太阳能电池、CdTe（碲化镉）太阳能电池和纳米晶太阳能电池等，此外主要的是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。

世界太阳能电池的发展历程：

1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。

1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。

1883年美国发明家Charles Fritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。

1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2 O）结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦发表关于光电效应的论文。

1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。

1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔物理奖。

1930年B.Lang研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky发表“新型氧化亚铜光电池”论文。

1932年Audobert和Stora发现硫化镉（CdS）的光伏现象。

1933年L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文。

1951年生产PN结，实现制备单晶锗电池。

1953年Wayne州立大学Dan Trivich博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算。

1954年美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6%。

1955年第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池。

1958年太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，效率为8%。

1959年第一个单晶硅太阳能电池问世。

1960年太阳能电池首次实现并网运行。

1974年突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18%。

1975年非晶硅及带硅太阳能电池问世。

1978年美国建成100kW光伏电站。(www.xing528.com)

1980年单晶硅太阳能电池效率达到20%，多晶硅为14.5%，Ga As为22.5%。

1986年美国建成6.5kW光伏电站。

1990年德国提出“2000光伏屋顶计划”。

1995年高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32%。

1997年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”；日本提出“新阳光计划”。

1998年单晶硅太阳能电池效率达到24.7%，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”。

2000年世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池。

2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太阳能电池售价约为2.2USD/W。

2003年世界太阳能电池年产量超过760MW；德国Fraunhofer ISE的LFC（Laser Fired Contact）晶体硅太阳能电池效率达到20%。

2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW；德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。

2007年世界太阳能电池年产量达到4450MW。

2009年世界太阳能电池年产量达到10700MW。

2010年通过技术突破，太阳能电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到12.5%。

2014年全球太阳能电池的新装容量高达49GW（GigaWatt，10亿瓦），较2013年的36.5GW增长12.3%。

2.我国太阳能电池的发展历史

1958年中国研制出了首块硅单晶。

1968—1969年半导体所在研究中发现，P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射，造成电池衰减，使电池无法长时间在空间运行。

1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。

1998年中国政府开始关注太阳能发电，由保定天威英利新能源有限公司建设第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目。

2002年9月无锡尚德第一条10MW太阳能电池生产线正式投产，产能相当于此前四年全国太阳电池产量的总和，这是个划时代的变革，将我国与国际光伏产业的差距缩短了整整15年。

2004年1月19日，中国第一台12对棒多晶硅高效节能大还原炉在中硅高科试验成功，各项技术指标均达到国际先进水平。从此，中国人掌握了美国、德国、日本等国家垄断20多年的多晶硅生产核心技术。

2005年国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产，从而拉开了中国多晶硅快速发展的序幕。

2005年12月14日，无锡尚德在美国纽约证券交易所挂牌，成为国内首家在纽交所挂牌上市的民营高科技企业。从此，国内太阳能电池的生产和研发也驶入了快车道。

2007年中国电池产量从2006年的400MW跳跃到1100MW左右，约占世界总产量的三分之一，成为世界第一大太阳能电池生产国。

2008年中国太阳能电池产量达到2600MW。

2009年中国太阳能电池产量达到4000MW。

2013年年底，全国太阳能发电累计并网容量达到19432MW，其中大型并网光伏项目并网容量16317MW、分布式光伏发电项目并网容量为3101MW、光热发电项目并网容量约14MW。

四、太阳能光伏发电的特点

太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照相机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电流和电压作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。

标准条件下，太阳电池的面积每100cm2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。

1.太阳能光伏发电的优点

太阳能光伏发电的主要优点为：

（1）太阳能取之不尽，用之不竭。据统计，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。地球表面接受的太阳辐射能，足够满足目前全球能源需求的1万倍。只要在全球4%的沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。

（2）太阳能普照大地，随处可得。可直接开发和利用，便于采集，且无须开采和运输。不受资源分布地域的限制，可就近供电，不必长距离输电，避免了长距离输电线路上的损失。

（3）太阳能不用消耗燃料和架设输电线路可以就地发电，供电运行成本相对低廉，还可以方便地与建筑物结合。

（4）太阳能发电没有机械转动部件，不易损耗，维护简单，使用寿命长，特别适合于无人值守情况下使用。

（5）太阳能发电安全可靠。不产生任何废物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源之一。

（6）太阳能发电系统建设周期短，获取能源花费的时间短；建设规模大小随意，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意增加或减少太阳能电池方阵容量，避免了浪费。

2.太阳能光伏发电的缺点

太阳能光伏发电的主要缺点为：

（1）不稳定性。由于受到季节、昼夜和海拔高度等自然条件的限制以及气候条件等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度是间断的，也是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。

（2）成本高。太阳能的间歇性和随机性大，导致效率相对不高。在利用太阳能时，要想得到一定的转换功率，常需要一整套面积较大的能量收集和转换设备，成本较高，而且占用的空间也比较大。

（3）太阳能电池板多晶硅的生产会带来一定污染，使用太阳能蓄电的蓄电池也会带来污染。

为了减少对传统能源的依赖和解决日益突出的环境问题，促进太阳能的持续稳定的发展和产业化应用，除了依靠政策的大力支持外，还要实现技术上的攻关和突破来克服这些缺点。