简介概要

非晶硅太阳电池和全球太阳电池发电网

来源期刊：稀有金属1999年第2期

论文作者：邓志杰王雁

关键词：环境; 温室效应; 非晶硅; 太阳电池;

摘要：矿物燃料的大量使用加剧了全球环境恶化,采用以太阳能为主的清洁能源,建设全球太阳电池发电网将大大有利于世界各国的可持续发展.在实施这一重大工程中,非晶硅电池将以其独特优势可望成为主要候选者.

稀有金属 1999,(02),142-146 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.02.014

非晶硅太阳电池和全球太阳电池发电网

王雁

北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088

摘要：

矿物燃料的大量使用加剧了全球环境恶化 , 采用以太阳能为主的清洁能源 , 建设全球太阳电池发电网将大大有利于世界各国的可持续发展。在实施这一重大工程中 , 非晶硅电池将以其独特优势可望成为主要候选者。

关键词：

环境;温室效应;非晶硅;太阳电池;

中图分类号： TM615

收稿日期：1998-06-23

Amorphous Silicon Solar Cell and Global Energy Network Equipped with Solar Cells

Abstract：

The global environment has been aggravated due to mineral fuel combustion. Using solar cells as main clean energy and set up the global energy network equipped with solar cells are very advantageous to sustained development of all countries in the world. The amorphous silicon solar cell with distinctive advantages is principal candidate for this network.

Keyword：

Environment; Greenhouse effect; Amorphous silicon; Solar cell;

Received： 1998-06-23

1 矿物燃料的大量使用对生态环境的严重破坏

当前, 世界上使用的能源88%是由矿物燃料提供的 ^[1] , 这些能源越来越近于枯竭 (表1) , 寻找可再生能源实属当务之急;而这些能源的大量使用对生态环境的破坏与日俱增, 因而使用清洁的可再生能源更是刻不容缓。

表1 各类矿物燃料使用年限 ^[1] 下载原图

表1 各类矿物燃料使用年限 ^[1]

矿物燃料的燃烧每年向大气释放5×10⁹ t的CO₂以及氮氧化物等有害气体, 是造成温室效应和酸雨的主要因素 ^[1,2] 。温室效应使地球变暖:1996年全球平均气温比1951～1980年30年平均气温高0.32℃, 联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 预测, 21世纪将是五万年来最热的100年。全球气温将在目前基础上升高1.5～4.5℃, 使地球“高烧不退”, 由此而造成的严重后果是冰川融化, 海平面上升, 气候变化无常, 水、旱、森林大火等灾害频繁, 且影响水土状况, 加速物种灭绝, 危害人类和社会经济生活 ^[3] 。矿物燃料所释放出的氮氧化物也破坏臭氧层 ^[1] 而臭氧层的破坏其后果也是灾难性的, 据美国3M药品厂提供美国政府公布的数字称:2075年前臭氧层将减少40%, 这将导致美国增加1.54亿皮肤癌病例, 并造成340万人死亡 ^[4] 。

由于矿物燃料的大量燃烧, 破坏生态环境对经济造成巨大损失, Lodhi对此作了定量估计, 表2给出了这方面的数据 ^[1] 。

表2 矿物燃料燃烧对全球经济所造成的损失下载原图

表2 矿物燃料燃烧对全球经济所造成的损失

一年损失2360亿美元, 平均每人每年损失460美元。可见, 尽快用清洁能源代替矿物燃料是多么重要。

2 太阳电池发电是重要的可再生清洁能源

用太阳电池 (PV) 发电具有以下独特优点, 因而成为各国大力研究开发的最重要的清洁可再生能源之一。

(1) 它只靠阳光发电, 不受地域 (水能、风能则有此限制) 限制, 可在任何使用地就地生产电力

(2) 太阳寿命达60亿年 ^[1] , 因而PV电源可以说是无限能源;

(3) 发电过程是简单的物理过程, 无任何废气废物排出, 对环境没有任何影响;

(4) 是固态器件装置, 无运转部件, 无磨损, 寿命长, 可靠性高, 没有任何噪音;

(5) 发电站由电池组件连接而成, 可按所需功率装配成任意大小;

(6) 既便于作为独立能源, 也可与别的电源联网使用;

(7) 能量反馈时间 (电池组件产生的电能用来补偿制造该组件所耗能量需要的时间) 短, 为1～5a (与生产规模及电池种类有关) , 而电池板寿命可达20 a以上。

因此, 自1954年美国贝尔实验室作出第一个太阳电池, 尤其是本世纪70年代初石油危机发生以来 ^[1] , 太阳电池的研究开发一直在快速发展, 并成为规模逐年扩大的产业, 1984年全世界PV产量4.5 MW ^[5] , 1997年达到122 MW ^[6] , 今后仍将以每年15%～30%的速度增长。2010年发货量可望达1000 MW, 销售额～100亿美元 ^[5] , 目前各类主要电池转换效率水平列于表3。

表3 主要太阳电池的转换效率下载原图

表3 主要太阳电池的转换效率

3 太阳电池材料的选择

为大规模生产太阳电池, 需对所用材料进行选择, 选择原则应为: (1) 材料在地表贮量丰富; (2) 材料价格尽可能低廉; (3) 材料尽可能无毒性, 制造过程不污染环境; (4) 所制电池转换效率尽可能高。

表4列出了目前用于制造几种主要电池半导体材料的有关数据 ^[12] 。

可以看到, 为有利于大规模生产和大量应用, 硅是最合适的材料, 它储量丰富, 无毒, 价格低廉。

表4 几种主要太阳电池所用半导体材料的有关数据下载原图

*工作场所空气中最大可允许浓度

表4 几种主要太阳电池所用半导体材料的有关数据

4 C-Si电池与a-Si电池的比较

晶体硅电池制造工艺是非常成熟的PV工艺。它转换效率高, 稳定性好, 一直在市场上占主要份额。但它的制造成本高, 能耗较大。如表5所示 ^[12] 。

考虑到目前a-Si电池组件的稳定化效率已突破10%, a-Si电池的成本和能耗下降的潜力是很大的。如考虑同样输出功率下硅材料的消耗量电池的优势也很明显, 如表6 ^[12] 。

由表5、6可以看到, a-Si电池生产能耗少, 材料消耗少, 因而可以降低生产成本。另外, C-Si电池的生产对生态环境还有一定的影响, 因为它需要硅锭, 据估算, 每生产1 kg金属硅要放出6 kg CO₂ ^[12] 。为不致有悖于我们大力发展PV工业以利生态环境的初衷, 对于大规模电池生产而言, 似以a-Si电池为较佳选择。

表5 多晶硅 (p-Si) 与a-Si电池制造成本及能耗比较下载原图

表5 多晶硅 (p-Si) 与a-Si电池制造成本及能耗比较

表6 生产1 kWp C-Si和a-Si电池所用硅材料数量/kg 下载原图

表6 生产1 kWp C-Si和a-Si电池所用硅材料数量/kg

5 a-Si电池发展现状

鉴于a-Si电池具有能耗少, 用料省, 不影响生态环境, 以及对衬底选择性强, 可在柔性衬底上制造大面积可弯曲电池组件, 易于实现大规模自动化生产等特点, 近年来, 在其研究、开发、产业化方面都取得了令人瞩目的进展。

关于a-Si电池研究开发现状及进展, 笔者在 [ 9] 、 [ 13] 中有较详细介绍。美国政府组织全国力量成立了a-Si电池研究组, 近期发表的该研究组成立四年半以来的工作总结 ^[14] , 对目前国际a-Si电池的研究开发有一定的代表性。该总结介绍了已取得的成果, 指出了下一步需继续深入研究的课题。研究组由国家研究机构、工业界、大学有关机构和人员组成, 分为四个专题组:大带隙组, 中带隙及亚稳态组, 小带隙及器件设计组, 共同致力于改进三结迭层电池及各个元件电池的性能以达到能源部所定的薄膜电池组件转换效率15%的中期目标。已取得的成果列于表7。

表7 为使三结a-Si组件效率达15%, 各元件电池所需稳定化参数及目前已达到的稳定化参数值⁽¹⁾ 下载原图

注:第一行数字为目标值;第二行数字为已达值; (1) 单结电池的数据是用经过滤的光测量的; (2) 单结元件电池; (3) 光老化280 h; (4) 有效面积稳定化效率

表7 为使三结a-Si组件效率达15%, 各元件电池所需稳定化参数及目前已达到的稳定化参数值⁽¹⁾

各专业组在物理机理、沉积工艺、新材料、测试技术等方面都作了大量深入的工作, 所取得的一些共性认识有:氢气稀释法 (无论使用何种沉积工艺) 对提高元件电池稳定性是有利的, 已成为工业上采用的标准方法。器件制造是一个“相互作用”综合性课题例如透明导电氧化物膜的性能一旦有变化, 电池的n⁺、p⁺及缓冲层都必须重新最佳化。电池的最佳化不是各层最佳化的简单组合, 把新材料成功地集成到器件结构中是非常复杂的工作。研究组还提出了旨在使工作取得进展而尚须深入研究的一些关键性课题, 如表8 ^[14] 所示。

近年来电池组件的产业化发展较快欧共体拟在10年内使薄膜PV组件生产能力达到500MW/a以上, 并将取代结晶硅电池而成为PV市场主导产品。计划见表9 ^[15] 。所采用薄膜为a-Si、CIS、CdTe。

表8 a-Si指导小组会议所提出的一些关键性课题下载原图

表8 a-Si指导小组会议所提出的一些关键性课题

美国在发展薄膜电池方面也是以a-Si为主, aSi组件生产能力已达25 MW/a, CIS和CdTe分别为1.5 MW/a和2 MW/a, 生产厂分布见表10 ^[16] 。

表9 欧共体薄膜PV产业化计划下载原图

表9 欧共体薄膜PV产业化计划

表1 0 美国薄膜电池组件生产厂概况下载原图

表1 0 美国薄膜电池组件生产厂概况

联合太阳公司5 MW a-Si组件生产厂正式投产非常成功, 采用卷-卷 (roll-to-roll) 工艺、不锈钢衬底, 可生产半英里长、36 cm宽的组件, 电池结构为TCO/PIN (三结) /Al/ZnO/SS。稳定效率7.5%, 产品市场需求很强烈, 该公司正计划建设另一个25MW/a组件生产厂, 根据尺寸不同, 输出功率分别为3～64 W ^[17,18] 。

a-Si电池的主要问题是效率较低, 且有光感生退化问题。随着研究工作的深入, 材料沉积工艺的改进, 电池结构优化等在解决上述问题方面已取得很大的进展, 929 cm²组件的稳定化效率已达10.2% ^[9] (10%的稳定效率是a-Si电池组件及大规模应用的关键值随着生产规模的扩大电池低成本的优势就可以充分显示出来, 这些都为a-Si电池的大规模应用奠定了良好的基础。

为了大规模应用太阳电池发电, 使全球任何地方在任何时候都能使用这一清洁能源, 专家们提出建立用太阳电池和超导电线连接的全球能源网络 ^[19] (GENESIS) 。太阳电池发电的缺点是夜晚不发电, 阴雨天影响其输出功率, 而从外层空间看地球, 整个陆地只有30%是阴雨天, 而且地球的一侧是夜晚时, 另一侧是白天;因此, 上述设想的实现, 全球网络一旦建成, 那么地球任何一个地方在任何时刻都可使用太阳电池发出的电力。在保护生态环境的呼声日益高涨, 矿物燃料越来越少的今天, 加快实现这一工程实在是人类的一大幸事

为了不过多占用有用的陆地面积, 太阳电池方阵可建在屋顶上 (这样同样输出功率a-Si组件占用面积较大的缺点也就不很重要了) , 因此GENESIS工程可按以下步骤实施:

建造屋顶太阳电池方阵 (或架设在沙漠) —局部方阵连接—建成国家PV发电网络—每个国家的网络向周边国家延伸—建成全球网络, 当然在建造这一网络过程中, 有些地区可资利用的清洁能源如水力发电、风能等也可以联入网络中。

a-Si电池抗辐射性能好 ^[8] , 实验证明, a-Si电池的抗辐射性能为C-Si电池和GaAs电池的50～100倍, 甚至好于InP电池。电子辐照后所引起的某些退化, 经低温退火性能就得以恢复 ^[2] 。可作成可弯曲的大面积组件, 其功率重量比可达0.031 g/W (C-Si为2.9 g/W) 。随着其稳定效率的不断提高, 在空间应用上的竞争力也越来越强。日本宇宙研究所计划于2000年发射太阳能发电卫星 (SPS) , 它是将太阳能转换成电能, 变成微波送往地面再转换成电能的装置。该卫星为高303 m边长336 m的三角柱, 所用太阳电池就是a-Si薄膜电池 ^[2] 。

6 结论

鉴于矿物燃料的大量使用严重破坏生态环境, 大力开发清洁可再生能源成为全球可持续发展的一项重要战略措施。太阳电池以其独特优点是最重要的可再生能源之一。为了大规模生产和应用, a-Si薄膜电池的制造以其能耗少, 原材料省, 易于实现大规模自动化生产, 降低成本潜力大, 不污染环境等优点而备受瞩目, 近年来在产业化方面取得了快速发展。随着研究工作的进一步深入, 稳定化效率的不断提高, 在实现全球太阳电池发电网络方面, a-Si薄膜电池有理由成为主要选择对象。