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太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。我們通常說(shuō)的光伏都是指后一種方式。傳統(tǒng)概念里，電池是個(gè)儲(chǔ)存電力的儲(chǔ)能單元，在光伏行業(yè)里，電池是利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電單元，簡(jiǎn)稱(chēng)為光伏電池。 光伏是光生伏特（Photovoltaic）的簡(jiǎn)稱(chēng)，這個(gè)詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，意思是光、伏特和電氣的。伏特來(lái)源于意大利物理學(xué)家亞歷山德羅?伏特的名字，為紀(jì)念他后人將“伏特”作為電壓的單位使用。
光生伏特效應(yīng)就是光電效應(yīng)，是德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的。光電效應(yīng)就是太陽(yáng)能電池工作的基本機(jī)理：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，光生空穴由N區(qū)流向P區(qū)，光生電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。從發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)到可以大規(guī)模地制造商業(yè)用光伏電池，人類(lèi)用了一百年的時(shí)間。
光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽(yáng)能電池，電池的轉(zhuǎn)化效率、生產(chǎn)成本決定了它的市場(chǎng)前景、制造者的利潤(rùn)，以及最后環(huán)節(jié)-電站業(yè)主的投資回報(bào)期。在其發(fā)展的100多年里，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用，至今為止，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒(méi)有發(fā)生根本的改變。
一、 太陽(yáng)能電池的種類(lèi)
1>晶硅太陽(yáng)能電池
晶硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟、商業(yè)化程度最高、市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上，被稱(chēng)為第一代太陽(yáng)能電池。晶硅電池按照基材的類(lèi)別分為：?jiǎn)尉Ч桦姵睾投嗑Ч桦姵亍尉Ч桦姵剞D(zhuǎn)換效率最高。但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率略低，但制造成本也較低，對(duì)于普通商業(yè)客戶來(lái)說(shuō)，具有更好的性價(jià)比。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)市場(chǎng)份額更大。
2>薄膜太陽(yáng)能電池
和晶硅電池基于硅片不同，薄膜電池是基于玻璃基板。這就從根本上決定了生產(chǎn)材料的成本比晶硅電池要更低。它被稱(chēng)為第二代太陽(yáng)能電池。采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃基板上生成一層半導(dǎo)體薄膜，產(chǎn)生光電效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，分為：硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物薄膜太陽(yáng)電池（含Ⅱ-Ⅵ族：碲化鎘-CdTe，以及擴(kuò)展Ⅱ-Ⅵ族：銅銦鎵硒-CIGS，銅鋅錫琉-CZTS等）、有機(jī)和染料敏化太陽(yáng)電池。
薄膜太陽(yáng)電池原材料成本低，便于大面積、自動(dòng)化高效生產(chǎn)，更適合用于光電建筑一體化應(yīng)用。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率約只有晶硅電池的一半。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，未來(lái)預(yù)期會(huì)有極大的市場(chǎng)潛力。
3>第三代太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。由于常規(guī)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙能量的光子，對(duì)可見(jiàn)太陽(yáng)光譜能量并未得到充分的利用。因此充分利用太陽(yáng)能的全光譜，是突破瓶頸的關(guān)鍵。第三代太陽(yáng)能電池就是這些具有新材料和結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的統(tǒng)稱(chēng)。已經(jīng)提出的第三代太陽(yáng)電池主要有疊層太陽(yáng)電池、多帶隙太陽(yáng)電池和熱載流子太陽(yáng)電池等。
二、光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖
晶硅電池發(fā)展的趨勢(shì)是低成本高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實(shí)現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴(lài)工藝的改進(jìn)、材料的改進(jìn)及電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。成本的下降依賴(lài)于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的簡(jiǎn)化及新材料的開(kāi)發(fā)。組件壽命的提升依賴(lài)于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)時(shí)間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大有關(guān)外，最重要的依賴(lài)于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進(jìn)。
僅靠工藝水平的改進(jìn)對(duì)電池效率的提升空間已經(jīng)越來(lái)越有限，電池效率的進(jìn)一步提升將依賴(lài)新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括PERL選擇性發(fā)射極電池、HIT異質(zhì)結(jié)電池、IBC背面主柵電池及N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線細(xì)化、選擇性擴(kuò)散、表面鈍化等問(wèn)題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升2～3個(gè)百分點(diǎn)。2001年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）研發(fā)的PERL高效單晶硅電池效率達(dá)到25％，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。
薄膜電池因其發(fā)展歷程較短顯現(xiàn)如下缺點(diǎn)：效率低、制造技術(shù)與相應(yīng)設(shè)備不夠完善、開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足。需要加大研發(fā)力度，從器件結(jié)構(gòu)到襯底基材、大面積、均勻、高性能的沉積技術(shù)的改進(jìn)，以及新型互連、集成型模塊，卷對(duì)卷的制造和包裝方式等方面的創(chuàng)新和提高，以便能夠成為可與晶硅電池相媲美的光伏電源形式。當(dāng)前發(fā)展起來(lái)的薄膜電池，各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。CdTe因其工藝簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%，最短只需8個(gè)月的能源回收期，具有最低的成本優(yōu)勢(shì)，因而美國(guó)First Solar在薄膜電池市場(chǎng)上具有最大份額。美國(guó)的可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）保持小面積碲化鎘電池的最高效率紀(jì)錄16.5%。但是從中長(zhǎng)期前景來(lái)看，還很難預(yù)測(cè)到底哪種薄膜技術(shù)將最終勝出。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)光伏建筑一體化（BIPV）市場(chǎng)的啟動(dòng)，將為薄膜電池產(chǎn)業(yè)打開(kāi)新的市場(chǎng)藍(lán)海。
第三代電池太陽(yáng)能電池目前還尚處于基礎(chǔ)研究階段。主要概念是尋找全新的電池結(jié)構(gòu)和制造工藝，通過(guò)開(kāi)發(fā)活性層來(lái)實(shí)現(xiàn)超高效太陽(yáng)能電池。活性層可以很好地與太陽(yáng)能光譜匹配或者調(diào)整攝入的太陽(yáng)能光譜。這些技術(shù)是建立在納米技術(shù)和納米材料的進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上。量子阱、量子線和量子點(diǎn)就是活性層引入的結(jié)構(gòu)的例子。其市場(chǎng)前景取決于新技術(shù)能否降低制造成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，這需要投入相當(dāng)可觀的中期和長(zhǎng)期基礎(chǔ)和應(yīng)用研發(fā)。它代表著太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展方向。
幾十年來(lái)圍繞著提高效率、降低成本的各種研究開(kāi)發(fā)工作取得了顯著成就，表現(xiàn)在電池效率不斷提高（單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)從50 年代的6％ 提高到目前的24.7％，商業(yè)化電池在近20年內(nèi)提升了相對(duì)50%的效率）、硅片厚度持續(xù)降低、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不斷改進(jìn)等方面，對(duì)降低光伏發(fā)電成本起到了決定性的作用。各國(guó)光伏研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有技術(shù)，開(kāi)發(fā)新技術(shù)。他們根據(jù)自己的技術(shù)實(shí)力和科研回報(bào)的期望，選擇不同的研究方向和路徑，共同促進(jìn)光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步。
圖1光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，展示了不同光伏技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及前景（來(lái)源：IEA）
圖1：光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖
國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)2010年公布了典型商業(yè)平板組件電池的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。電池效率期望能從2010年的16%增長(zhǎng)到2030年的25%，2050年增長(zhǎng)到40%。隨著能源和材料在制造業(yè)的使用更加高效，光伏系統(tǒng)能源回收期的時(shí)間會(huì)不斷縮短的。預(yù)計(jì)能源回收期會(huì)從2010年的兩年降低到2030年的0.75年，到2050年會(huì)下降到0.5年。使用壽命期望從25年增加到40年。（見(jiàn)表一）。
表1戰(zhàn)略技術(shù)指標(biāo)
IEA指出，未來(lái)10年對(duì)于各國(guó)政府出臺(tái)有效的政策以促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展至關(guān)重要。擁有豐富太陽(yáng)能資源的地區(qū)需要在適當(dāng)時(shí)間出臺(tái)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、可預(yù)計(jì)的太陽(yáng)能激勵(lì)措施來(lái)維持早期的部署和研發(fā)經(jīng)費(fèi)，保證對(duì)研究、開(kāi)發(fā)和示范工作的長(zhǎng)期資金投入，不斷提高太陽(yáng)能電池技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，早日實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)。這將開(kāi)啟太陽(yáng)能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)嶄新時(shí)代。
光生伏特效應(yīng)就是光電效應(yīng)，是德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的。光電效應(yīng)就是太陽(yáng)能電池工作的基本機(jī)理：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，光生空穴由N區(qū)流向P區(qū)，光生電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。從發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)到可以大規(guī)模地制造商業(yè)用光伏電池，人類(lèi)用了一百年的時(shí)間。
光伏發(fā)電的最核心的器件是太陽(yáng)能電池，電池的轉(zhuǎn)化效率、生產(chǎn)成本決定了它的市場(chǎng)前景、制造者的利潤(rùn)，以及最后環(huán)節(jié)-電站業(yè)主的投資回報(bào)期。在其發(fā)展的100多年里，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用，至今為止，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒(méi)有發(fā)生根本的改變。
一、 太陽(yáng)能電池的種類(lèi)
1>晶硅太陽(yáng)能電池
晶硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟、商業(yè)化程度最高、市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上，被稱(chēng)為第一代太陽(yáng)能電池。晶硅電池按照基材的類(lèi)別分為：?jiǎn)尉Ч桦姵睾投嗑Ч桦姵亍尉Ч桦姵剞D(zhuǎn)換效率最高。但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率略低，但制造成本也較低，對(duì)于普通商業(yè)客戶來(lái)說(shuō)，具有更好的性價(jià)比。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)市場(chǎng)份額更大。
2>薄膜太陽(yáng)能電池
和晶硅電池基于硅片不同，薄膜電池是基于玻璃基板。這就從根本上決定了生產(chǎn)材料的成本比晶硅電池要更低。它被稱(chēng)為第二代太陽(yáng)能電池。采用化學(xué)氣相沉積法在玻璃基板上生成一層半導(dǎo)體薄膜，產(chǎn)生光電效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，分為：硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物薄膜太陽(yáng)電池（含Ⅱ-Ⅵ族：碲化鎘-CdTe，以及擴(kuò)展Ⅱ-Ⅵ族：銅銦鎵硒-CIGS，銅鋅錫琉-CZTS等）、有機(jī)和染料敏化太陽(yáng)電池。
薄膜太陽(yáng)電池原材料成本低，便于大面積、自動(dòng)化高效生產(chǎn)，更適合用于光電建筑一體化應(yīng)用。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率約只有晶硅電池的一半。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，未來(lái)預(yù)期會(huì)有極大的市場(chǎng)潛力。
3>第三代太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。由于常規(guī)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙能量的光子，對(duì)可見(jiàn)太陽(yáng)光譜能量并未得到充分的利用。因此充分利用太陽(yáng)能的全光譜，是突破瓶頸的關(guān)鍵。第三代太陽(yáng)能電池就是這些具有新材料和結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的統(tǒng)稱(chēng)。已經(jīng)提出的第三代太陽(yáng)電池主要有疊層太陽(yáng)電池、多帶隙太陽(yáng)電池和熱載流子太陽(yáng)電池等。
二、光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖
晶硅電池發(fā)展的趨勢(shì)是低成本高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實(shí)現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴(lài)工藝的改進(jìn)、材料的改進(jìn)及電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。成本的下降依賴(lài)于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的簡(jiǎn)化及新材料的開(kāi)發(fā)。組件壽命的提升依賴(lài)于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)時(shí)間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大有關(guān)外，最重要的依賴(lài)于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進(jìn)。
僅靠工藝水平的改進(jìn)對(duì)電池效率的提升空間已經(jīng)越來(lái)越有限，電池效率的進(jìn)一步提升將依賴(lài)新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括PERL選擇性發(fā)射極電池、HIT異質(zhì)結(jié)電池、IBC背面主柵電池及N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線細(xì)化、選擇性擴(kuò)散、表面鈍化等問(wèn)題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升2～3個(gè)百分點(diǎn)。2001年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）研發(fā)的PERL高效單晶硅電池效率達(dá)到25％，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。
薄膜電池因其發(fā)展歷程較短顯現(xiàn)如下缺點(diǎn)：效率低、制造技術(shù)與相應(yīng)設(shè)備不夠完善、開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足。需要加大研發(fā)力度，從器件結(jié)構(gòu)到襯底基材、大面積、均勻、高性能的沉積技術(shù)的改進(jìn)，以及新型互連、集成型模塊，卷對(duì)卷的制造和包裝方式等方面的創(chuàng)新和提高，以便能夠成為可與晶硅電池相媲美的光伏電源形式。當(dāng)前發(fā)展起來(lái)的薄膜電池，各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。CdTe因其工藝簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%，最短只需8個(gè)月的能源回收期，具有最低的成本優(yōu)勢(shì)，因而美國(guó)First Solar在薄膜電池市場(chǎng)上具有最大份額。美國(guó)的可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）保持小面積碲化鎘電池的最高效率紀(jì)錄16.5%。但是從中長(zhǎng)期前景來(lái)看，還很難預(yù)測(cè)到底哪種薄膜技術(shù)將最終勝出。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)光伏建筑一體化（BIPV）市場(chǎng)的啟動(dòng)，將為薄膜電池產(chǎn)業(yè)打開(kāi)新的市場(chǎng)藍(lán)海。
第三代電池太陽(yáng)能電池目前還尚處于基礎(chǔ)研究階段。主要概念是尋找全新的電池結(jié)構(gòu)和制造工藝，通過(guò)開(kāi)發(fā)活性層來(lái)實(shí)現(xiàn)超高效太陽(yáng)能電池。活性層可以很好地與太陽(yáng)能光譜匹配或者調(diào)整攝入的太陽(yáng)能光譜。這些技術(shù)是建立在納米技術(shù)和納米材料的進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上。量子阱、量子線和量子點(diǎn)就是活性層引入的結(jié)構(gòu)的例子。其市場(chǎng)前景取決于新技術(shù)能否降低制造成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，這需要投入相當(dāng)可觀的中期和長(zhǎng)期基礎(chǔ)和應(yīng)用研發(fā)。它代表著太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展方向。
幾十年來(lái)圍繞著提高效率、降低成本的各種研究開(kāi)發(fā)工作取得了顯著成就，表現(xiàn)在電池效率不斷提高（單晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)從50 年代的6％ 提高到目前的24.7％，商業(yè)化電池在近20年內(nèi)提升了相對(duì)50%的效率）、硅片厚度持續(xù)降低、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不斷改進(jìn)等方面，對(duì)降低光伏發(fā)電成本起到了決定性的作用。各國(guó)光伏研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有技術(shù)，開(kāi)發(fā)新技術(shù)。他們根據(jù)自己的技術(shù)實(shí)力和科研回報(bào)的期望，選擇不同的研究方向和路徑，共同促進(jìn)光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步。
圖1光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，展示了不同光伏技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及前景（來(lái)源：IEA）
圖1：光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖
國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)2010年公布了典型商業(yè)平板組件電池的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。電池效率期望能從2010年的16%增長(zhǎng)到2030年的25%，2050年增長(zhǎng)到40%。隨著能源和材料在制造業(yè)的使用更加高效，光伏系統(tǒng)能源回收期的時(shí)間會(huì)不斷縮短的。預(yù)計(jì)能源回收期會(huì)從2010年的兩年降低到2030年的0.75年，到2050年會(huì)下降到0.5年。使用壽命期望從25年增加到40年。（見(jiàn)表一）。
表1戰(zhàn)略技術(shù)指標(biāo)
| 指標(biāo) |
2012 |
2020 |
2030 |
2050 |
| 典型平板組件效率 |
16% |
23% |
25% |
40% |
| 系統(tǒng)能源回收期（1500kWh/kWp） |
2年 |
1年 |
0.75年 |
0.5年 |
| 使用壽命 |
25年 |
30年 |
35年 |
40年 |
IEA指出，未來(lái)10年對(duì)于各國(guó)政府出臺(tái)有效的政策以促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展至關(guān)重要。擁有豐富太陽(yáng)能資源的地區(qū)需要在適當(dāng)時(shí)間出臺(tái)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、可預(yù)計(jì)的太陽(yáng)能激勵(lì)措施來(lái)維持早期的部署和研發(fā)經(jīng)費(fèi)，保證對(duì)研究、開(kāi)發(fā)和示范工作的長(zhǎng)期資金投入，不斷提高太陽(yáng)能電池技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，早日實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)。這將開(kāi)啟太陽(yáng)能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)嶄新時(shí)代。
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