光伏效应论文一千字

离网光伏发电系统适用没有并网或并网电力不稳定的地区，离网光伏系统通常由太阳能组件、控制器、逆变器、蓄电池组和支架系统组成。他们产生直流电源可直接通过白天或储存在蓄电池组中，用于在夜间或在多云或下雨的日子提供电力。离网光伏系统是独立的解决方案,因其可安装在大多数地方且易于本地维护。他们是可替代柴油发电机的可靠的、清洁和成本低廉的有效解决方案。

微型电网系统是一个独立控制单元，使得各种类型的发电设备、能源存储、负载和控制设备集成在一起产生电能或供热给用户。它可以满足用户的多样化需求，系统的容量从数十千瓦到数百千瓦甚至兆瓦。

该系统可以支持的诸多负载，如照明、桌面电风扇、彩色电视、台式计算机、空调等。诸如冰箱可以全天候使用是依赖于系统中，控制器集成太阳能充电电路和逆变器电路以及一个微处理器，保护电池以防过充和过放，保护控制器避免短路或反向连接的太阳能面板或电池以及由于电力不足的提前预警。住宅离网系统可安装在屋顶或地面。根据IEA的调查显示，有14.56亿人生活在缺少电力的环境，其中83%生活在农村，这也是多数离网系统被应用在农村的原因。它具有低成本洁可再生，可靠方便，便于安装维护等特点，一次性投资可换回25年以上的电力供应。

目前人类能源消费结构中，石油、煤炭、天然气、铀等矿物资源占到了人类能源供给量的80％以上。但常规矿物质能源储量有限，如果无节制的开采，全球将很快面临能源短缺危机。另外常规矿物质能源使用后排放大量的CO2、SO2、核废料等威胁着人类生存环境。近年来，全球性的气候变暖，两极冰川融化，海平面上升，自然灾害频繁发生，生物多样性消失，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大等现象，都是因为人类大量使用并依赖传统能源所造成。

资料来源：中国可再生能源发展战略研讨会论文集

图表1 世界及中国主要能源资源使用年限

发展环保可再生能源是解决上述问题的最有效途径，也是人类能否在地球上永续生存下去的关键要素。在诸多可再生能源中，太阳能是唯一可以大量替代传统能源的能源。而在太阳能产业中，光伏产业由于其具有的诸多优点，是可再生能源中发展最快的产业，无疑也是最具有发展前景的产业。

资料来源：IEA（国际能源署）报告《Renewable Information2010》

图表2 1990～2008年世界可再生能源供给的年增长率

一、光伏产业的特点

太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源。光伏发电是利用太阳能将光子转化为电子的一个纯物理过程，转化过程不排放任何有害物质，其特点如下：

充足性：据美国能源部报告（2005年4月）世界上潜在水能资源4.6TW（1TW＝1012W），经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2～4TW；生物质能3TW；海洋能不到2TW；地热能大约12TW；太阳能潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。

安全性：运行可靠、使用安全；发电规律性强、可预测（调度比风力发电容易）。

广泛性：生产资料丰富（地壳中硅元素含量位列第二）、建设地域广（荒漠、建筑物等）、规模大小皆宜。

免维护：使用寿命长（20～50年、工作25年效率下降20%）、免维护、无人值守。

清洁性：无燃料消耗、零排放、无噪声、无污染、能量回收期短（0.8～3.0年）。

二、光伏产业发展历程

世界上最早开始研究太阳能要追溯于1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应，并由爱因斯坦在1904年对其做出了理论解释，且很快得到实验证实；1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅光伏电池；1959年第一个光电转换效率为5％的多晶硅光伏电池问世； 1960年，晶硅光伏电池发电首次并入常规电网；1969年世界上第一座光伏发电站在法国建成；1975年美国制作出非晶硅光伏电池；1980年代初，光伏电池开始规模化生产；1983年美国在加州建立了当时世界上最大的光伏电厂；1983年世界光伏组件产量达21.3MW（1MW＝106W），光伏产业显露雏形。1990年以后，在能源危机和全球气候变暖的压力下，可再生能源越来越受到关注，德、美、日等国政府相继提出了光伏发电的“光伏屋顶计划”、“新阳光计划”等，在政府的政策法规和行动计划推动下，全球光伏产业以一个朝阳产业的面貌高速成长，同时太阳能光伏发电被誉为世界十种能源中发展最快的能源。

1990年以后全球光伏市场的发展和转移经过三个阶段。第一阶段，1996年之前，美国光伏市场占全球市场份额达32.1%，年复合增长率达25%，当之无愧地成为世界光伏市场中心。第二阶段，1996～2002年间，日本光伏市场保持了35%的年均增长，一跃成为光伏市场最大消费国，近年日本市场小幅回落，但销售的存量仍位居世界前列，2007年光伏电站存量达1GW（109W）左右。第三阶段，2003至今，欧盟成为绝对的市场主力，这得益于德国和西班牙等国的光伏补贴政策，快速刺激了欧盟市场中心的形成，目前我国有近80%的光伏产品出口至欧盟地区。

资料来源：EPIA（欧洲光伏产业协会，世界规模最大的太阳能光伏行业协会）

图表3 2009年光伏产品按地区安装比例

三、光伏发电技术发展趋势

目前已经进入商业化竞争的光伏发电产业按电池技术路线分类主要分为晶体硅光伏电池、薄膜光伏电池和聚光光伏电池。其中晶体硅光伏电池是目前发展最成熟的在应用中居主导地位。

太阳能电池根据所用材料的不同，还可分为：硅光伏电池、多元化合物薄膜光伏电池、聚合物多层修饰电极型光伏电池、纳米晶光伏电池、有机光伏电池等。

图表4 光伏电池分类及规模化生产转化效率

1．多元化合物薄膜光伏电池

多元化合物薄膜光伏电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜光伏电池等。

硫化镉、碲化镉薄膜光伏电池的效率较非晶硅薄膜光伏电池效率高，成本较晶体硅光伏电池低，并且也易于大规模生产，但镉有剧毒，会对环境造成严重污染，因此并不是最理想的光伏电池。

砷化镓（GaAs）III-V族化合物光伏电池的转换效率可达40%。GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜光伏电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率也较高。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展光伏电池的一个重要方向。唯一问题是材料来源，铟和硒都是稀有元素，因此这类电池的发展必然受到限制。

2．聚合物多层修饰电极型光伏电池

聚合物多层修饰电极型光伏电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个光伏电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备光伏电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是晶体硅光伏电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

3．纳米晶光伏电池和有机光伏电池

纳米晶光伏电池转化效率可达10%，有机光伏电池转化效率可达6%，转换效率还比较低，这两类电池还处于研究探索阶段，短时间内不可能大规模商业化应用。

4．聚光太阳电池

聚光光伏电池最大优点就是高转换效率（30%～40%），以及较小的占地面积。聚光光伏发电系统主要由高效聚光太阳电池、高性能的聚光跟踪系统、有效的电池散热系统组成。由于高效聚光光伏电池的技术路线尚未定型，聚光光伏发电规模化产业链也未形成，高性能的聚光跟踪系统和有效的电池散热系统的成本控制难度大，因而聚光光伏发电暂无优势可言。

5．晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池

关于“晶硅”和“薄膜”孰优孰劣的讨论也很多。从市场表现来看，05年起“薄膜”市场份额开始不断增加，到09年达到了18%（数据来源：Solarbuzz），趋势相当可观。而且正是从09年开始，发展“薄膜”的呼声也越来越高：一方面硅晶电池刚刚经历了“硅”价巨幅波动的事件导致各大厂家受损；另一方面，美国的FirstSolar公司异军突起，把薄膜电池推上了新高度。2010年，国内很多地方都上了薄膜项目，而一旦开始生产薄膜电池，问题也就暴露出来。

首先是技术门槛问题。“晶硅”技术经历了多年发展，已经进入成熟期，国内几个大型企业已经熟练掌握了晶硅电池的技术，并且有了自己的技术创新和突破。而薄膜电池则不同，技术仍在不断发展变化，特别是非硅薄膜电池技术，材料和工艺上都有很多技术难关，国内的大多数企业并不具备足够的水平，还都只是探索阶段，却要面临在薄膜电池技术领先的FirstSolar公司和已经技术成熟的晶硅电池双重压力，发展困难可想而知。

其次是资金门槛问题。薄膜电池的设备投入比晶硅电池大，而且所有配套设备都依靠进口。随着薄膜电池技术不断发展，生产设备也随之更新换代，很容易造成设备投资上的浪费。

近年来晶硅组件价格一路走低，与薄膜组件的价格已经很接近，薄膜组件的价格优势已不再明显。但“晶硅”对比“薄膜”仍然存在高的转换效率和较长的使用寿命的优势。事实上，一些原打算开展薄膜电池项目的企业，现在也都把项目放缓（尚德、英利），所以薄膜电池想要真的发展，还是需要一定的时间。

单晶硅光伏电池与多晶硅光伏电池相比转化效率高（单晶18～20%、多晶16～18%）、成本高，由于其成本控制难度大，全面胜出的可能性不大。

6．太阳能光热发电

除光伏发电外达到工程应用水平的还有太阳能光热发电。太阳能光热发电的建设和运行门槛很高，我国在太阳能光热发电部件研发上还几乎是空白：曲面反光镜，高温真空管，有机朗肯循环发电机组，斯特林发电机组等。此外，与光伏发电不同，光热发电对于环境也有更高要求：必须直射光，而且需要水冷却，这样在荒漠地区，就无法满足。我国目前太阳能光热发电尚处于研究示范阶段，光热发电与常规电厂结合成互补电站，独立稳定工作的不多（示范项目：江苏江宁县70kW示范电站，863计划北京延庆1MW实验电站）。由于技术障碍，我国在5～10年内都会处于试验示范阶段，光热发电不会成为主导潮流。

结论

从技术成熟度、转化效率及材料来源几方面综合判断，未来5～10年太阳能发电技术占主流的仍为晶体硅（以多晶硅为主）和非晶硅薄膜光伏技术。目前市场占有率：多晶硅电池52%，单晶硅电池38%，非晶硅薄膜电池8%，其他化合物薄膜电池2%。发展非晶硅薄膜光伏技术，还不宜盲目扩大规模，还是应该重点放在研究上，深入掌握核心技术。

什么是光伏：

太阳能发电分为光热发电和光伏发电。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界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能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就形成了光伏发电装置。

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能发电分为光热发电和光伏发电。通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电系统由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，因而发电设备极为精炼，可靠、稳定、寿命长，安装维护简便。与常用的火力发电系统相比，太阳能发电系统除了无污染排放外，还具有建设周期短和可利用建筑屋面的优势。

太阳能作为世界上最清洁的能源，目前有着广泛的用途。但由于质量、价格的限制，太阳能发电在国内的利用还处在低水平上，与中国的经济发展形成很大的反差。

8月1日，国家发改委公布了全国统一的太阳能光伏发电标杆上网电价，即2011年7月1日及以后核准的太阳能光伏发电项目（除西藏外），均按每千瓦时1元执行。不少业内人士认为，这是我国光伏发电产业发展的重要里程碑，光伏发电也将开始走上商业化的道路。

随着中国光伏发电产业的规模化发展，光伏发电在成本上一定会有所降低，预计在2014年左右会与传统电价持平并在此后低于传统电价。专家预测，随着我国对于光伏发电产业的扶持，在3到5年内，光伏发电有望进入到每家每户。

用途如下：

光热利用

它的基本原理是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、碟式和塔式）等4种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而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、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖（太阳房）、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，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等。

发电利用

清立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。已实用的主要有以下两种。

1、光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。

2、光—电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

太阳能电池

【材料要求】耐紫外光线的辐射，透光率不下降。钢化玻璃作成的组件可以承受直径25毫米的冰球以23米/秒的速度撞击。

【装用的EVA胶膜固化后的性能要求】透光率大于90%；交联度大于65-85%；剥离强度（N/cm），玻璃/胶膜大于30；TPT/胶膜大于15；耐温性：高温85℃、低温－40℃；太阳电池的背面，耐老化、耐腐蚀、耐紫外线辐射、不透气等。

【用途】太阳能发电广泛用于太阳能路灯、太阳能杀虫灯、太阳能便携式系统，太阳能移动电源，太阳能应用产品，通讯电源，太阳能灯具，太阳能建筑等领域。

太阳能在2050年前可能将成为电力的主要来源，受助于发电设备成本大跌。IEA报告表示，2050年前太阳能光伏(PV)系统将最多为全球贡献16%的电力，来自太阳能发电厂的太阳能热力发电(STE)将提供11%的电力。

光化利用

这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。

光化转换就是因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。

植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若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。

通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。巨型海藻。

燃油利用

欧盟从2011年6月开始，利用太阳光线提供的高温能量，以水和二氧化碳作为原材料，致力于“太阳能”燃油的研制生产。截止目前，研发团队已在世界上首次成功实现实验室规模的可再生燃油全过程生产，其产品完全符合欧盟的飞机和汽车燃油标准，无需对飞机和汽车发动机进行任何调整改动。

研制设计的“太阳能”燃油原型机，主要由两大技术部分组成：第一部分利用集中式太阳光线聚集产生的高温能量，辅之ETH Zürich 自主知识产权的金属氧化物材料添加剂，在自行设计开发的太阳能高温反应器内将水和二氧化碳转化成合成气（Syngas），合成气的主要成分为氢气和一氧化碳；第二部分根据费-托原理（Fischer-Tropsch Principe），将余热的高温合成气转化成可商业化应用于市场的“太阳能”燃油成品。

太阳能的利用目前还不是很普及，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。

人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

建设太空太阳能发电站的设想早在1968年就有人提出，但直到最近人类才开始真正将之付诸行动。日本可谓此项目的先驱者之一，该项目预计耗资210亿美金，发电量能达到十亿瓦特，能供29.4万个家庭使用。在太空建太阳能发电站，无论气候如何，均可利用太阳能发电，这与在地球上建立太阳能发电站的情况不同。

有的，光伏市场很大，未来的机会也很大。先看需求端。

1）光伏终端下游为电力用户，包括工商、农业、居民等各行各业的用户。电力使用与整体经济密切相关。在这里，让我们直接看看整个社会的用电量，这反映了下游的总体需求。未来该指数的复合增长为3.5%。

2）绿色能源是未来的趋势。这符合我国的战略需要。碳达峰，碳中和带来的传统能源的替代，给光伏产业带来了巨大的机遇。目前全球风光发电占9%，预计2050年达到56%，增长空间很大。

这导致了光伏应用市场的加速增长，2020年中国全年装机容量为130GW，同比增长13%，美国新增装机19GW，同比增长42.9%出口量再创新高。而且光伏能源的应用场景多种多样。光伏将有助于清洁能源和低碳发展所有基础产业，如建筑业（BIPV），交通工业等。

然后看看生产端。随着光伏产业制造规模的不断扩大，产业集中度进一步提高。光伏产业中心进一步向中国转移，晶硅技术突破和成本控制优势是中国企业的优势。技术变革导致光伏发电价格持续下降。据报道，2020年最低中标价格为0.091元/kWh，已经低于火电的价格。此外，随着技术的积极创新，多晶硅、硅片和电池的转换效率不断提高，大尺寸大功率的产品将会快速放量。主体是制作电池片的，要多了解光伏电池的最新技术进展。未来30年，全球光伏市场将继续保持增长，根据复合电力增长率和光伏发电在未来30年中的比重。

光伏协会预测，2021年全球光伏新增规模预计为140-155GW两者同比继续稳步增长，到2025年全球光伏新增规模预计将达到165-200GW之间。根据国际能源署（IEA）预计2030年全球光伏累计装机量将达到1,721GW（2018-2030年复合增速约11%），到2050年将进一步增加到4,670GW（2030-2050年复合增速约5%）。