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作者:左移湘     时间:2018-07-04

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  一项重要的新能源技术  光伏发电是国际上公认的最有效绿色能源之一,其发展置于可再生能源的首位。近几年来,国内外太阳电池的发展非常迅速,每年以30以上的速度增长,2004年世界产量达到1256兆瓦,2005年达到1656兆瓦。近三年来,产品始终处于供不应求的状态,其中94的市场份额为单晶硅和多晶硅电池。然而,业内人士估计2006年晶体硅太阳电池产量的增长速度将会显著下降,主要原因是原材料严重短缺。目前晶体硅的原材料成本已上升了3倍以上,如单晶硅由原来的每公斤60美元上升到每公斤200美元,多晶硅由原来的每公斤23美元上升到每公斤80美元。而生产1兆瓦的电池需要10吨单晶硅材料和12吨的多晶硅材料。  光伏发电大规模推广利用的关键环节是将其成本降低到同常规能源相当。目前在晶体硅太阳电池成本无法继续降低的情况下,新型薄膜太阳电池已成为光伏科学与技术发展的重要方向。薄膜太阳电池在成本上有以下优势,一是省材。晶体硅电池厚度几百微米,而薄膜电池只有几微米。二是低能耗。晶体硅材料和电池的制造温度要1000℃  甚至更高,而薄膜太阳电池只需几百度,因此其能量回收期短,同时便于使用玻璃等廉价衬底。三是工艺简单,便于大面积连续化生产。薄膜电池材料和器件制备同步完成,单片面积一般达平方米级。  在薄膜电池中,硅薄膜太阳电池最具有发展前景,因为硅薄膜电池除了具有一般薄膜太阳电池省材、低能耗、便于大面积连续生产等低成本优势外,还具有原材料丰富(硅是地壳储量第二大元素)、无毒、无污染,制造温度最低(200℃或更低)等优点。塑料衬底硅薄膜电池是当前唯一实现产业化的超轻柔性光伏电池。因此,硅薄膜电池是国际上研究最多,发展最快,市场份额最大的薄膜太阳电池。  目前,硅基薄膜太阳电池的第一代产品--非晶硅薄膜太阳电池已建有大规模生产线,如20兆瓦玻璃衬底非晶硅电池生产线,25兆瓦不锈钢衬底柔性非晶硅电池生产线,3兆瓦塑料衬底柔性非晶硅电池生产线。电池结构有单结、双结叠层和三结叠层。产品初始效率6-8,稳定效率5-7。保持效率世界纪录的是不锈钢衬底三结叠层电池,0.25平方厘米最高初始效率15.2,稳定效率13;900平方厘米最高初始效率11.4,稳定效率10.2。我国已建有1-5兆瓦玻璃衬底非晶硅电池生产线,先后引进美国Krola和EPV的生产技术,电池结构为a-Si单结和a-Si/a-Si叠层电池,产品初始效率为5-6。  目前,非晶硅电池存在的效率较低、稳定性较差、沉积速率慢等问题是阻碍其成本降低的主要因素。因此,如何提高电池效率、稳定性、提高沉积速率、降低制备成本,是推进硅薄膜电池更广泛应用的关键,同时也是目前国际研究的前沿课题。非晶硅电池效率低的原因是非晶硅材料的光学带隙较宽,对太阳光长波段的利用率较低,材料中缺陷态较多,电学特性较差。非晶硅电池稳定性较差的原因是非晶硅材料的光致衰退效应造成的。  微晶硅材料的禁带宽度接近于单晶硅,可吸收更低能量的太阳光子,拓宽太阳电池的长波光谱响应范围,进一步提高电池效率。此外,微晶硅材料比非晶硅材料具有更高的有序度,光致衰退效应低,有利于提高电池的稳定性,延长电池寿命。鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性,常用微晶硅作底电池,形成非晶硅/微晶硅叠层结构,可大幅度提高转换效率。非晶硅/微晶硅叠层太阳电池被国际上公认为下一代硅薄膜太阳电池技术,是实现高效、高稳定、低成本薄膜太阳电池的重要技术途径。  我国“十五”973项目启动了“低价长寿命新型光伏电池的基础研究”,南开大学是首席单位。其任务之一就是研究提高非晶硅电池效率和稳定性的途径,并开展新型高效高稳定非晶硅/微晶硅叠层电池及其低成本制造技术的研究。  硅薄膜太阳电池的系列技术研发  针对国内产业化现状,这一项目重点研究了大面积单结非晶硅电池和非晶硅/非晶硅叠层电池实现高效率高稳定性的途径。采取简单结构,在没有背反射器的情况下,20厘米×20厘米集成型叠层电池效率达到9.2,单结集成型非晶硅电池效率达到9.1。国际上规定,室内在50℃,AM1.5100mW/平方厘米光强下照射1000小时后的效率为稳定效率,我们制备的75块非晶硅/非晶硅叠层电池室内光照1000小时后,效率平均衰退率11.14。按照国际标准,我们还对23块400平方厘米非晶硅电池经过高温-高湿、低温循环老化10次,除少数电池因封装应力导致老化中玻璃破裂引起少许衰退外,性能均无退化,有些甚至有所改善。  微晶硅是一种混合相材料,它包含着非晶组织、晶粒、晶界与空洞,在晶粒中,硅原子的键合结构与单晶硅相似,材料的实际结构,例如晶化率、晶粒大小与晶向等,在很大程度上依赖于沉积条件。采用常规PECVD法生长微晶硅的速率很低,沉积足够厚的微晶硅吸收层需要很长时间,因此必须研究高速沉积技术。  我们对微晶硅材料和电池的研究始于973项目(2001年),经过五年的努力,已赶上了世界先进水平。采用新型VHF-PECVD高速沉积技术,小面积(0.253平方厘米)pin型单结微晶硅薄膜太阳电池效率达到9.2,非晶硅/微晶硅叠层太阳电池效率达到11.8;100平方厘米集成型非晶硅/微晶硅叠层太阳电池组件效率达到9.7。室内光衰退1000小时后,单结微晶硅薄膜太阳电池效率衰退率小于5,非晶硅/微晶硅叠层太阳电池效率衰退率小于10。我们的研究结果表明,新一代非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池确实提高了效率和稳定性。  如果在不降低材料质量的前提下,提高薄膜沉积速率,可在不增加设备、不提高效率的情况下提高产率,无疑将实现制造成本的大幅度降低。南开大学在研发过程中研究出高速沉积技术,并达到了国际先进水平。南开大学还成功自主设计并与加工单位合作开发出一系列关键非标设备与工艺技术。  非晶硅电池的市场前景与开发  虽然当今的非晶硅薄膜电池的效率、稳定性和寿命得到很大提高,但是,人们对早期非晶硅电池的衰退率大和封装质量差等问题印象不易消退,致使光明工程等项目把非晶硅电池排斥在外,非晶硅电池的国内市场有待开发。我们从1999年至今建立了一系列非晶硅/非晶硅叠层电池独立型和并网型示范电站,如内蒙1.5兆瓦风光互补独立电站,西藏2兆瓦独立电站,新疆2.5兆瓦柔性电池独立电站,新疆100兆瓦非晶硅、晶硅混合并网电站,南开大学校园4兆瓦非晶硅、晶硅混合并网电站等。对非晶硅、晶硅混合并网电站建立了自动跟踪测试系统,实时在线测量各自的发电量,进行非晶硅与晶硅对比发电试验,检验叠层非晶硅电池作为功率发电应用的可行性。校园电站中非晶硅电池方阵2016瓦,晶硅方阵2080瓦,电站2004年12月至2005年11月运行12个月期间,非晶硅累计发电2098.6度,晶硅累计发电1827.3度,非晶硅电池比晶体硅电池多发电14.8。证明非晶硅/非晶硅叠层电池发电效果优于晶硅电池,为非晶硅电池的更广泛应用提供了依据。  过去10年,光伏电池组件的销售年增34,预计今后对光伏产品的需求还将会以同样的速率增加。有人预测,到2010年对PV产品市场需求至少为每年4GW;2020年将超过154GW。谁是将来市场的赢家,哪种技术将占主导?低成本技术是关键。降低成本的主要途径是,选择储量丰富的原材料,节省材料和降低能耗,搞大面积连续生产。因此,硅薄膜太阳电池最具低成本潜力。目前,非晶硅薄膜太阳电池已经显示出低成本优势,售价比晶体硅电池低1/3。非晶硅/微晶硅叠层电池在提高效率和稳定性的同时保持了非晶硅电池低成本的技术优势,例如大面积、低温生长和充足的原材料等,使其具有很强的竞争力,国际上呈现出快速发展的趋势。  目前在晶体硅原材料缺乏的的情况下,给硅薄膜电池的发展带来市场契机。全球硅薄膜太阳电池的市场份额在未来3-5年中将产生突变式上升。  在新一代微晶硅薄膜太阳电池研究方面我国虽然起步较晚,但经过973项目的支持,研发工作已赶上了国际先进水平,并且凝聚了一支以中青年为骨干的研究团队。我们要在现有基础上,进一步提高实验线的研究水平,制备高速、高效非晶硅/微晶硅叠层电池;同时与国际上同步,开展大面积新型非晶硅/微晶硅叠层电池及其关键设备和产业化技术的研究工作,计划到“十一五”末期达到产业化水平,使我国在产业化技术方面赶上国际先进水平,增强国际竞争力。  《中国教育报》2006年5月15日第7版

恢复重建中,“可乐男孩”有了到北大和美国读书的选择机会,但他的志向却是要当一名慈善家;“举牌少年”如今成了学校管弦乐队的一员,他要将《歌唱祖国》进行到底;“无腿少女”安上假肢后,坚持着“白天鹅”之梦;都江堰市近50所中小学校的万余名学生,开展“抚平伤痛,展望未来”的绘画艺术抚慰治疗活动,温家宝总理称赞他们“是在这片灾难的土地上绽放出的最美丽的花朵,就是国家和民族的未来和希望。”

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