光伏题目求解

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

光—热—电转换

光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

光—电直接转换

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波， 如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS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电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，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19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。

单晶硅太阳能电池的结构主要包括正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等。单晶硅太阳能电池广泛用于空间和地面，这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。将单晶硅棒切成片，经过一系列的半导体工艺形成PN结。然后采用丝网印刷法做成栅线，经过烧结工艺制成背电极，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片即可按所需要的规格用串联和并联的方法组装成太阳能电池组件(太阳能电池板)，构成一定的输出电压和电流。最后用框架进行封装，将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。

二、多晶硅太阳能电池

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层 作为太阳电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。太阳能电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体，以便切片加工成方形电池片。多晶硅太阳能电池板的制作工艺与单晶硅太阳能电池板差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

三、非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜P-I-N层(I层为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成，基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑料等。它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。制造方法有多种，最常见的是用辉光放电法得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，可一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。目前非晶硅太阳能电池光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右。

四、多元化合物太阳能电池

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，在广泛深入的应用研究基础上，国际上许多国家的碲化镉薄膜太阳电池已由实验室研究阶段开始走向规模工业化生产。

1、硫化镉太阳能电池：虽然光电效率已提高到9%，但是仍无法与多晶硅太阳能电池竞争。与非晶硅薄膜电池相比，制造工艺比较简单。

2、砷化镓太阳能电池：砷化镓与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30%，特别适合做高温聚光太阳能电池。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此种太阳能电池的发展受到影响。

3、铜铟硒太阳能电池：以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。它是一种多晶薄膜结构，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10%以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳能电池相竞争的新型太阳能电池。

五、纳米晶体化学太阳能电池

染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。其阳极为染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)，阴极为镀铂的导电玻璃。纳米晶体TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，.寿命能达到20年以上。

六、叠层太阳能电池

叠层电池使得电池的性能可以得到叠加。太阳能电池的薄层化使其可以做得更薄，因此器件的叠层也变得更为现实可行。叠层电池可以是同种器件的叠层，也可以是异类器件的叠层。每一个叠层单元，由于感光部分的光响应性能不同，可分别吸收利用不同波段的太阳光。经过叠层，太阳光可以在全波段上都受到较好的吸收同时由于器件之间的耦合效应，整体的光能转换效率可以达到更高水平。

七、柔性太阳能电池

柔性太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压制而成，有能抗冰雪、抗震、防压等多种优点，即使在温度剧变的恶劣条件下也能正常使用，。所以柔性电池能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上。

是一种以电机为驱动的模式，常规汽油、柴油动力汽车是没有这种模式的。ev模式通常搭载在纯电汽车或者混合动力汽车。

同时ev也代表电动车，在使用ev模式时，混合动力车型中的燃油发动机不会启动，因此无法为蓄电池充电，会导致ev模式下的续航较低。

这项比赛将在全球10座城市以街道赛形式分段进行：届时车手将驾驶纯电能驱动的赛车，在这些城市的地标性建筑区域展开角逐。中国的北京和上海都有望成为这一系列赛事的一站，并且已将北京赛段的目标场地锁定在鸟巢奥运中心区。赛事主办方电动方程式控股公司首席执行官亚历山德罗-阿加格在仪式上表示，这项赛事能够有助于在中国公众尤其是年轻人当中大力推广电动汽车，中国队的加入是这项挑战的成功关键，我们期待着中国车手参赛，期待着中国企业共同致力于建设更加宜居和健康的城市。

1、有一半被大气层吸收和反射

地球上空有数千公里的大气层，分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层，太阳约有30%的能量会反射到太空，约有19%的能量被云层和大气吸收，变成风雷雨电，到达地球表面的约占51%。也就是说，太阳能到达地球表面，每平方米的平均功率约为690W，组件的标准测试条件是每平方米辐照度为1000W，大部分地方的光照都达不到这个条件，当然也在少数地方，在某个特定的时刻辐照度可能超过1000W。

2、电池组件吸收可见光部分能量

太阳光的光谱知识：太阳光是由连续变化的不同波长的光混合而成，包含了各种波长的光：红外线、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、紫外线等，其中由红、橙、黄、绿、靛、蓝、紫是可见光，人眼可见。其中辐射能量最大的区域在可见光部分，占到大约48%，紫外光谱区的辐射能量占到约8%，红外光谱区的辐射能量占到约44%，在整个可见光谱中，最大能量在波长0.475μm 处，太阳能电池只能吸收部分的能量，转化为电能，紫外光谱区不能进行能量变换，红外光谱区过长的长波只能转换为热量。

目前组件只能吸收约可见光部分的能量，如果都能吸收，最大效率可达48%左右，但没有哪一种技术的电池带宽能做到这么宽，当禁带宽度在1.0~1.6eV时 ，电池片的最大转换效率在44%以下，预测晶硅电池的极限效率是29%，2017年3月，日本化学制造公司开发出转化率为26.3%的晶硅太阳能电池。

3、组件封装损失

封装成组件后，由于组件面积大于电池总面积，约损失了2个百分点的全面积效率其次，由于光伏玻璃的透光吸收损失了0.5个百分点EVA胶膜透光吸收损失0.5个百分点第三，互联条/汇流引出条的电阻损失1个百分点。总共损失了约4个百分点。随着组件技术不断发展，现在推出多主栅电池组件，双玻无铝边框组件，MWT背接触无主栅电池组件，可以把组件封装损失降低到1%以下。

刘继茂

世界太阳能开发利用现状及我国太阳能产业发展的思考

高 峰

�(中国科学院资源环境科学信息中心 兰州 730000)

摘要：太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用 的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源 带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。当前， 太阳能开发利用技术及其推广应用突飞猛进，1997年，全球太阳能电池的销售量增加了40% ，成为全球发展最快的能源。太阳能热水器已形成行业，正以其优良的性能价格比不断地 冲击燃气、电热水器市场；太阳能热电站也已商业化，是大型太阳能电站的希望所在；光电 技术发展更快，表现在光电转换效率的不断提高和光电池制造成本的不断下降以及各种新型 太阳能电池的问世。各国对太阳能的开发利用给予了极大关注，突出表现在各国政府推出的 光伏计划，如德国的“千顶计划”，日本的“朝日七年计划”以及美国的“百万屋顶计划” 等。以色列在其房屋太阳能热水器安装率达80%的情况下，更是明文规定，凡新建房屋必须 配置太阳能热水器。我国太阳能开发利用有其成功之处，但也存在诸多问题和不足。在综合 分析我国太阳能开发利用现状的基础上，对进一步发展我国太阳能产业进行了如下思考：① 重视太阳能 开发利用，迎接太阳能经济时代；②加大投资力度，实施强化的光电发展战略；③加大政策 优惠程度，扶植太阳能热水器行业；④发挥资源优势，转化产业优势。

在跨入21世纪之际，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保 严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在 常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温 室效应都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源 的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步 ，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得 到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为21世纪后期的主导能源。�

1 太阳能与化石能源的简要比较

1．1 化石能源带来的问题

(1)能源短缺

由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满 足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能 延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年〔1〕。因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。

(2)环境污染

当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。 这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。

(3)温室效应

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全 球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国 际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量。

1．2 阳能资源及其开发利用特点

(1)储量的“无限性”

太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍〔2〕。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。�

(2)存在的普遍性

虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。�

(3)利用的清洁性

太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。

(4)利用的经济性

可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如太阳能热水器一次投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗费，有关研究结果表明〔3〕，太阳能热水器已具很强的竞争力。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。

1.3 21世纪后期太阳能将占主导地位

世界各国，尤其发达国家对21世纪的能源问题都特别关注。由于化石能源储量的有限性和利用的污染性，各国专家都看好太阳能等可再生能源，尽管目前太阳能的利用仅在世界能源消 费中占很小的一部分。如果说20世纪是石油世纪的话，那么21世纪则是可再生能源的世纪， 太阳能的世纪。据权威专家估计〔4〕，如果实施强化可再生能源的发展战略，到下世纪中叶，可再生能源可占世界电力市场的3/5，燃料市场的2/5。在世界能源结构转换中， 太阳能处于突出位置。美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究结果(如图1所示) 表明，太阳能将在21世纪初进入一个快速发展阶段，并在2050年左右达到30%的比例，次于核能居第二位，21世纪末太阳能将取代核能居第一位〔5〕。壳牌石油公司经过长期 研究得出结论，下一世纪的主要能源是太阳能；日本经济企划厅和三洋公司合作研究后则更 乐观地估计，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能〔2〕。正如世界观察研 究所的一期报告所指出：正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流。其最新一期 报告则指出，1997年全球太阳电池的销售量增长了40%，已成为全球发展最快的能源①①。

2太阳能开发利用技术及其产业化的现状与发展趋势�

人类利用太阳能已有几千年的历史，但发展一直很缓慢，现代意义上的开发利用只是近半个 世纪的事情。1954年美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，从此揭开了太阳能开发 利用的新篇章。之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危 机有力地促进了太阳能开发利用。经过近半个世纪的努力，太阳能光热利用技术及其产业异 军突起，成为能源工业的一支生力军。迄今为止，太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归 结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能利用的具体形式和用途如图2所示〔2〕。�

图2太阳能利用系统

2.1太阳能热利用及其产业发展�

根据可持续发展战略，太阳能热利用在替代高含碳燃料的能源生产和终端利用中大有用武之 地。从图2可以看出，太阳能热利用具有广阔的应用领域，可归纳为太阳能热发电(能源产出 )和建筑用能(终端直接用能)，包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形 成产业的当属太阳能热水器和太阳能热发电。�

2.1.1 太阳能热水器�

在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击 电热水器市场和燃气热水器市场。国外的太阳能热水器发展很早，但80年代的石油降价，加 之取消对新能源减免税优惠的政策导向，使工业发达国家太阳能热水器总销售量徘徊在几十万平方米。据报道，1992年国外太阳能热水器总量为45万m2，其中日本为20万m2，美国 为12万m2，欧洲为8万m2，其他国家为5万m2。世界环境发展大会之后，许多国家又开 始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放CO2方面的潜力，仅据美国加州首府萨克 门托市的计划，到2000年太阳能热水器将取代该州47000套家用电热水器；到2000年日本太 阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器 。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。1992年销售量为50万m2 ，为世界其他各国销售量之和；1995年销售量翻番，达100万m2。据初步统计，1997年我 国太阳能热水器销售量300万m2，目前，我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装 的企业达到1000余家，年产值20亿元，从业人数1.5万人能源工程，1999 ，(1)：59。但从房屋的热水器安装率来说，以色列已达80%，日本为11%，台 湾达2.7%.〔6〕.，我国在千分之几左右，其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。国 际上，太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展，目前其产品的发 展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层， 以减少热量损失；聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。.

随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，太阳能热水器必将逐步替代电热水器和 燃气热水器。虽然太阳能热水器目前仍存在市场价格高、受季节和天气影响的不利因素，但 太阳能热水器具有不耗能、安全性、无污染性等优势，而且随着技术的发展其经济性也逐渐 显露出来。表1为三种热水器的经济指标比较结果.〔3〕.，从中可以看出，太阳能热水 器在经济上已具有较强的竞争力。��

表1三种热水器经济指标对比

项目品种寿命(年)

使用天数 (天)

购置费用�(元)

运行费用�(元)

总投资�(元)

备 注

太阳能热水器

10～15

300*2300

250

2550

均以日

产水量电热水器

5～8

300

1000

4500

550080kg

水温40燃气热水器

6

300

5003

700420

0～60℃计算

*有关专家认为该数字应为250天左右。��

2.1.2 太阳能热发电技术�

80年代太阳能热利用技术的最大突破是实现了太阳能热发电的商业化。Luz国际公司在美国 南加州自1984年至1991年共建造了9个柱形抛物槽镜分散聚光系统的太阳能热发电站，总功 率为354MW，约占当地电网容量的2%〔7〕。9座电站中最大的容量为80MW，约有900条 聚光槽组成。由于美国政府和州政府先后在1991年取消对太阳能电站的投资减免税优惠政策 ，迫使第10号电站停建，公司宣告破产。另一颇具实力的Solel公司也在致力于太阳能热发 电，它于1992年接收了破产的Luz公司的技术，将开发市场瞄向澳大利亚、以色列和北美洲 。Solel公司自称具有建造300MW大型太阳能热发电站的能力。该公司已开始在澳大利亚建造 一座70MW的槽型太阳能热发电装置，并计划在以色列建一座200MW的电站，同时正在洽谈在 北美洲和另两洲建三座电站，每座200～300MW。Solel公司在澳大利亚的另一目标是2000年 的悉尼奥运会，它和米尔斯公司将合建一个太阳能热发电的联合体，为奥运村旅馆和运动会 主会场提供10MW的电力〔7〕。希腊政府1997年开始实施一项500MW的太阳能热发电 项目，计划于2003年完工，届时将是世界上最大的太阳能电站。此外，它的阿莫科石油公司 将在印度沙漠地区建造一座更大的太阳能热电站沙特阿拉伯《中东报》，1997年12 月1日报道。�

目前，太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是：①30～80MW线聚焦抛物面槽式太 阳热发电技术(简称抛物面槽式)；②30～200MW点聚焦中央接收式太阳热发电技术(简称塔式 )；③7.5～25kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术(简称抛物面盘式)。在上述三种技 术中，抛物面槽式领先一步，美国加州的9座太阳热发电站可以代表槽式热发电技术的发展 现状。塔式太阳热发电技术也是集中供电的一种适用技术，目前只有美国巴斯托建的一座叫 “SolarⅡ”的电站，功率为43MW，该电站成功运行两年后，两家美国电力公司计划建两座1 00MW的电站〔8〕。为了提高塔式电站的效率，有人提出了一种新想法〔8〕， 把带有太阳能塔的定日镜阵列附加到先进联合循环电站上作为燃料节省装置，采用甲烷重整 工艺，以太阳能提高天然气等级。抛物面盘式太阳热发电技术很适合于分散式发电，可以在 偏远地区用作独立系统。作为太阳能供电的一种方式，太阳热发电技术在经济上是可行的， 而且有较大的市场潜力。在美国加州的太阳热发电站建造过程中，由于技术进步及容量的增 大，电站的装机造价和发电成本显著下降，1984年Ⅰ号电站(14MW)造价为5979美元/kW，发 电成本26.5美分/kWh；到1990年的Ⅷ号电站(80MW)，造价降至3011美元/kW，发电成本降到 8.9美分/kWh.〔9〕.。因此，抛物面槽式在太阳能丰富的地区，经济上已能与燃油的 火力电站竞争。我国西南电力设计院曾对西藏地区以引进Luz公司太阳能热电站进行估算， 如果考虑设备的折旧和还贷，太阳能热电站和火力发电站的发电成本均为1.1元/kWh，如果 不考虑设备折旧，仅计入运行和维护费用，则太阳能电站的发电成本为0.1元/kWh，而火力 发电站的成本为0.8元/kWh.〔9〕.。有人估算过13种太阳热电站在不同日照射条件下 的发电成本.〔8〕.，结果表明，随着年产电量的增加，主要是随着机组容量的增大、 日射强度的增高、部件和系统的进一步改进，发电成本显著下降。进而对地中海国家的太阳 能热发电应用进行过可行性研究，认为太阳能的热利用在这一地区具有特殊重 要性，具有巨大的市场潜力。一方面，地中海国家技术水平高、资金雄厚，且有很好的太阳 热发电示范和早期商业化基础；另一方面，未来几十年里，地中海国家能源需求量大，每年 要新增5～6GW，加之该地区太阳能资源丰富，年辐射强度大于1700kWh/m\+2的面积达到700 万km\+2，太阳热可发电容量达1200GW，是目前全球电力需求的4倍。所有这一切形成了地中 海地区广阔的太阳能热发电市场。� 2�2太阳能光电技术及其产业�

2.2.1太阳能光电已成为全球发展最快的能源�

50年代第一块实用的硅太阳电池的问世，揭开了光电技术的序幕，也揭开了人类利用太阳能 的新篇章。自60年代太阳电池进入空间、70年代进入地面应用以来，太阳能光电技术发展迅 猛。世界观察研究所在其最近一期研究报告中指出，利用太阳能获取电力已成为全球发展最 快的能量补给方式。报告说，1990年以来，全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平均 16%的幅度递增，目前总发电能力已达800MW，相当于20万个美国家庭的年耗电量太阳能，1998，(4)：22。�

2.2.2提高转换效率、降低成本是光电技术发展的关键�

当前影响光电池大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高。在众多发电技术中，太阳能光 电仍是花费最高的一种形式，因此，发展阳光发电技术的主要目标是通过改进现有的制造工 艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本，提高光电转换效率。近年 来，光伏工业呈现稳定发展的趋势，发展的特点是：产量增加，转换效率提高，成本降低， 应用领域不断扩大。目前，世界太阳电池年产量已超过150MW，是1944年产量的两倍还多， 如表2所示。单晶硅太阳电池的平均效率为15%，澳大利亚新南威尔士大学的实验室效率已 达24.4%；多晶硅太阳电池效率也达14%，实验室最大效率为19.8%；非晶硅太阳电池的稳 定效率，单结6～9%，实验室最高效率为12%，多结电池为8～10%，实验室最高效率为11.83 %.〔10〕.。表3��〔11〕�为有关研究人员所做的太阳能电池组件的效率预测。由于 生产规模的扩大，生产工艺的改进，晶体硅太阳电池组件的制造成本已降至3～3�5美元/W �p，售价也相应降到4~5美元/W�p；非晶硅太阳能电池单结售价3~4美元，多结售价为4～5 美元/W�p��〔10〕�。与十年前相比，太阳光电池价格普遍降低了20%。最近，瑞士联邦 工学院M·格雷策尔研制出一种二氧化钛太阳能电池，其光电转换率高达33%，并成功地采用 了一种无定形有机材料代替电解液，从而使它的成本比一块差不多大的玻璃贵不了多少，使 用起来也更加简便��〔12〕�。可以预料，随着技术的进步和市场的拓展，光电池成本及 售价将会大幅下降。表4��〔13〕�为地面用光伏组件成本/价格的预测结果，表5为美国 国家可再生能源实验室对太阳电池成本与市场的关系所做的估计��〔14〕�。对比表4， 表5，可以看出，2010年以后，由于太阳能电池成本的下降，可望使光伏技术进入大规模发 展时期。��

表2世界光电组件的产量及年增长率

年份1989199019911992199319941995199619971998

年产量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612 2150年增长率(%)12%15%8%5%16%15%12%35%23%�

表4地面用太阳能电池组件成本/价格预测(美元)

电池种类1990199520002010

单晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00

多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00

聚光电池3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67

非晶硅3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25

薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25

CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25

CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25�

表5太阳能电池成本与市场的关系

太阳能电池成本�(美元/峰瓦)可进入的市场

＞6少量应用2～5通信、边远地区

1～2城市屋顶系统＜1大规模发电

表3商品化光伏直流组件效率预测(%)

电池技术199019952000 2010

单晶硅12151822

浇铸多晶硅11141620

带状硅12141721

聚光器(光电池)17202530

非晶硅(包括叠层电池)5～67～91014

CuInSe\-2-8～101214

CdTe-8～101214

低成本基片硅薄膜-8～101215

球粒电池-101214\= 2�2�3光伏新技术发展日新月异�

近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速，日新月异。晶体 硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转 换效率的主要技术障碍有：①电池表面栅线遮光影响；②表面光反射损失；③光传导损失； ④内部复合损失；⑤表面复合损失。针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有：① 单双层减反射膜；②激光刻槽埋藏栅线技术；③绒面技术；④背点接触电极克服表面栅线遮 光问题；⑤高效背反射器技术；⑥光吸收技术。随着这些新技术的应用，发明了不少新的电 池种类，极大地提高了太阳能电池的转换效率，如澳大利亚新南威尔士大学的格林教授采用 激光刻槽埋藏栅线等新技术将高纯化晶体硅太阳能电池的转换效率提高到24.4%，他在1994 年5月表示能用纯度低100倍的硅制成高效光电池，约在10年后采用该类电池的太阳能发电成 本可降至5～8美分/kWh.〔15〕.。光伏技术发展的另一特点是薄膜太阳能电池研究取得 重大进展和各种新型太阳能电池的不断涌现。晶体硅太阳能电池转换效率虽高，但其成本难 以大幅度下降，而薄膜太阳能电池在降低制造成本上有着非常广阔的诱人前景。早在几年 前，澳大利亚科学家利用多层薄膜结构的低质硅材料已使太阳能电池成本骤降80%，为此， 澳大利亚政府投资6400万美元支持这项研究，并希望10年内使该项技术商业化.〔16〕.。�

高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的另一条切实可行的途径，近年来，一些 新型高效电池不断问世。专家推断，只要有一二种取得突破，就会使光电池局面得到极大的 改观。�

(1)硒化铜铟(CuInSe\-2,CIS)薄膜太阳能电池..〔17〕.：1974年CIS电池在美国问世，1 993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达16.7%，由于CIS太阳能电池具有成 本低(膜厚只有单晶硅的1/100)、可通过增大禁带宽度提高转换效率(理论值为单晶30%，多 晶24%)、没有光致衰降、抗放射性能好等优点，各国都在争相研究开发，并积极探索大面积 应用的批量生产技术。�

(2)硅-硅串联结构太阳能电池〔18〕：通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用 长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的良好途径。研究表明，把1.3ev和1.7ev光 学禁带度组合起来的薄膜非晶硅与多晶硅串联电池转换效率最高。它具有成本低、耗能少、 工序少、价廉高效等优点。�

(3)用化学束外延(CBE)技术生产的多结Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池〔19〕：Ⅲ-Ⅴ族化 合物(如GaAs,InP)具有较高的光电转换效率，这些材料的多层匹配可将太阳能电池转换效率 提高到35%以上。而这种多层结构很容易用CBE法制作，并能以低于1美元/W�p的成本获得超 高效率。�

(4)大面积光伏纳米电池〔20〕：1991年瑞士M.Grtzel博士领导的研究小组 ，用纳米TiO\-2粉水溶液作涂料，和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出 微晶颜料敏感太阳能电池，简称纳米电池。计算表明，可制造出转换效率至少为12%的低成 本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的前景。�

2.2.4各国的光伏计划雄心勃勃�

随着太阳能光电技术的日趋成熟和商业化发展，太阳能光电技术的推广应用有了长足的进展 。目前，已建成多座兆瓦级光伏电站，最大的是位于美国加州的光伏电站，容量为6.5MW. p，现正在希腊克里特岛建造的一座阳光电站，容量为50MW.p，估计2003年可建成供电，总 投资1775万美元新能源，1997，19(2)：23。而在美国准备建造的另一座电 站规模将达到100MW.p，已与太阳能热发电站容量相匹敌。除此之外，一些国家推出的屋顶 计划将更引人注目，显示了阳光发电的广阔应用前景和强大的生命力。1990年，德国政府率 先推出的“千顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶光伏系统，每套容量1～5kW.p，累计 安装量已达33MW.p，远远地超出了当初制定的计划规模。日本政府从1994年开始实施“朝 日七年计划”，计划到2000年安装16.2万套屋顶系统，总容量达185MW.p，1997年又再次 宣布实施“七万屋顶计划”，每套容量扩大到4kW.p，总容量为280MW.p。印度于1997年12 月宣布在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。意大利1998年开始实施“全国太阳能屋顶 计划”，总投入5500亿里拉，总容量达50MW.p。而最雄心勃勃的屋顶计划当属1997年6月美 国总统克林顿宣布实施的美国“百万屋顶计划”，计划从1997年开始至2010年，将在百万个 屋顶上，安装总容量达到3025MW.p的光伏系统，并使发电成本降到6美分/kWh。上述各国屋 顶计划的实施，将有力地促进太阳能光电的应用普及，使太阳能光电进入千家万户。�

与此相呼应，当前世界上实力雄厚的10家光伏公司，虽然目前的生产能力都不大，但都有雄 心勃勃的扩展计划。各公司年产目标为：Kyocera公司和夏普公司60MW，BP太阳能公司50MW ，西门子公司和Solarex公司30MW，壳牌/Pilington公司和ASE公司25MW，Photo wott公司， AP公司和三洋/Solec公司15MW。据美国Spire公司预测，2003年世界光电池的生产能力将达 到350MW，而2010年的光电池组件交易量将达到700～4000MW/年②�。�

光伏技术发展的趋势，近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各 种新型太阳能光电池的发展。应用上将从屋顶系统突破，逐步过渡到与建筑一体化的大型并 网光伏电站的发展。�

2.3太阳能光电制氢�

70年代科学家发现：在阳光辐照下TiO2之类宽频带间隙半导体，可对水的电解提供所需能 量，并析出O2和H2，从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科--光电化学。随着光 电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为发展氢能产业的最佳 选择。�

1995年，美国科学家利用光电化学转换中半导体/电介质界面产生的隔栅电压，通过固定两 个光粒子床的方法，来解决水的光催化分离问题取得成功〔22〕。其两个光粒子床概 念的光电化学水分解机制为：�

H2的光反应4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+�

O2的光反应4OH-+M+→O2+2H2O+4M°�

净结果为：2H2O→2H2+O2(其中M为氧化还原介质)�

近来，美国国家可再生能源实验室还推出了一种利用太阳能一次性分解成氢燃料的装置。该 装置的太阳能转换率为12.5%，效率比水的二步电解法提高一倍，制氢成本也只有电解法的 大约1/4〔23〕。日本理工化学研究所以特殊半导体做电极，铂对极，电解质为硝酸 钾，在太阳光照射下制得了氢，光能利用效率为15%左右〔24〕。�

在太阳能制氢产业方面，1990年德国建成一座500kW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成 发电能力为350kW的太阳能制氢厂〔24〕。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4 800万美元，在每年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500kW太阳能电站制氢，用光伏-电解 系统制得的氢，以金属氧化物的形式贮存起来，保证运输的安全新能源，17(3)，19 95，19。自90年代以来，德、英、日、美等国已投资积极进行氢能汽车的开发。美 国佛罗里达太阳能中心研究太阳能制氢(SH)已达10年之久，最近用SH作为汽车燃料-压缩天 然气的一种添加剂，使SH在高价值利用方面获得成功〔25〕，为氢燃料汽车的实用化 提供了重要基础。其他，在对重量十分敏感的航天、航空领域以及氢燃料电池和日常生活中 “贮氢水箱”的应用等方面氢能都将获得特别青睐。�

由于氢是一种高效率的含能体能源，它具有重量最轻、热值高、“爆发力”强、来源广、品 质纯净、贮存便捷等许多优点

财联社（上海，编辑 黄君芝）讯， 无论是光伏还是核聚变，人类文明迟早都必须转向可再生能源。考虑到人类日益增长的能源需求和化石燃料的有限性，这是不可避免的。因此，科学家为开发替代能源进行了大量的研究，其中大多数利用电力作为主要的能源载体。

随着可再生能源的广泛研发， 社会 发生了逐渐的变化，世界采用了以可再生能源为基础的新产品和设备。最显著的变化就是电动 汽车 的迅速普及，现在每年都有数百万辆电动 汽车 售出。电动 汽车 市场是增长最快的行业之一，这也帮助埃隆·马斯克（Elon Musk）成为世界上最富有的人。

与从碳氢化合物燃料燃烧中获取能量的传统 汽车 不同，电动 汽车 依靠电池作为其能量的存储介质。在很长一段时间里，电池的能量密度远低于碳氢化合物，这导致早期电动 汽车 行驶里程很低。但随着电池技术的逐步改进，这一障碍已被突破。

然而，另一方面，今天电动 汽车 的消费者又面临着另一个困难——电池充电速度慢。目前， 汽车 需要大约10个小时才能完全充电，即使是充电站的超级充电器也需要长达20-40分钟才能为车辆完全充电。这给客户带来了额外的成本和不便。

为了解决这个问题，科学家们在量子物理学的神秘领域中寻找答案。他们的研究发现，量子技术可能会带来以更快速度给电池充电的新机制。这种“量子电池”的概念在2012年由Alicki和Fannes发表的一篇开创性论文中首次提出。理论上，量子资源，如纠缠，可以通过集体的方式同时给电池内的所有电池充电，从而大大加快电池的充电过程。

根据之前的研究，量子技术可以加快电池充电的速度，而且其充电优势可能是由2方面因素带来的：“全局操作”（电池可以与其他电池发生电连接）和“全耦合”（每个电池只能与另一个电池发生电连接，而不能同时与2个或多个）。但此前科学家还不清楚这2个因素是否都是必要的。

最近，来自基础科学研究所（IBS）复杂系统理论物理中心的科学家们进一步探讨了这些问题。一项发表于《物理评论快报》的研究指出，在量子电池中，“全耦合”是不相关因素，而“全局操作”是其唯一的充电优势来源。IBS是韩国政府出资开展基础科学研究和相关纯基础研究的研究机构。

研究人员发现采取“全局操作”的量子充电方案后，充电速度与电池数量之间呈二次函数关系，而不再是传统充电方式下的线性关系。因此，对于一款内置约200组电池的经典电动 汽车 ，新的量子充电方式有望使充电速度提高约200倍，充电效率可从10小时缩短至3分钟左右。在高速充电站，充电时间将从30分钟缩短到短短几秒。

研究人员表示，研究结果可能是深远的，量子充电的影响可能远远超出电动 汽车 和消费电子产品。例如，它可能在未来的聚变发电厂找到关键用途，这些发电厂需要在瞬间充电和排放大量的能量。

当然，量子技术仍处于起步阶段，要实现这些方法的实际应用还有很长的路要走。然而，诸如此类的研究发现创造了一个有前途的方向，并可以激励资助机构和企业进一步投资于这些技术。科学家们相信，如果量子电池得以应用，它将彻底改变我们使用能源的方式，使我们离可持续发展的未来更近一步。