发展太阳能电池的必要性及要解决的问题.docx

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1、进展太阳能电池的必要性及要解决的问题摘要：对我国使用太阳能电池发电的必要性以及制备过程中遇到的一些问题进展了争论。在分析太阳能电池制备的根底上，提出了进展我国太阳能光伏发电的必要性和可行性，分析了制备太阳能电池过程中遇到的技术和环境问题。进展太阳能电池是进展光伏发电的前提，是解决目前我国面临的能源问题和环境问题的一个有效途径。关键词：太阳能电池；光伏发电；能源；环境0 引言当传统的燃料能源正在一每天削减时，所产生的排放物对环境造成的危害问题也变得日益突出。并且全球大约还有 20 亿人已得不到正常的能源供给。在这个时候，整个世界都把目光投向了可再生资源，期望可以通过可再生能源来转变人类的能源供给

2、构造，以维持今后的可持续进展。在这些可再生资源中太阳能以其独有的优势而成为人们关注的焦点1。这主要由于丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染并且人类能够自由利用的自然资源。太阳辐射出的能量格外巨大，太阳能一般指太阳光的辐射能量：在太阳内部进展的由“氢”聚变成“氦”的原子核反响，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量， 这种能量就是太阳能。其外表温度或许在 6000K 左右，接近于一个黑体。太阳向宇宙空间放射的辐射功率为3.81023kW 的辐射值，其中 20 亿分之一到达地球外表，其功率为 800000 亿 kW，就是说太阳每秒钟照耀到地球上的能量就相当于燃烧 5

3、00 万吨煤释放的热量，这些太阳能假设可以尽可能地被转换为电能，可以成功为最正确的替代能量来源之一。太阳能的利用有被动式利用和光电转换两种方 式，主要包括：利用太阳能电池，通过光电转换把太阳光包含的能量转化为电能； 使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水；利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电；利用太阳能与化学能之间的转换，将水分解成氢和氧，再用氢来发电。近年来，由于世界上一些主要国家乐观研发清洁能源，从而使得太阳能技术进展格外快速，太阳能电池技术的进展使其制造本钱渐渐降低，逐步具备了普及的条件，极有可能成为 21 世纪最有进展潜力的光电技术之一。虽然太阳能电池呈现出良好的进展前景，但是仍旧

4、面临很多短期难以抑制的问题，比方制备过程中对环境的影响，提高效率遇到的技术瓶颈，电流转换时的能量损失，电能的贮藏等2。1 什么是太阳能电池太阳能电池：通过光生伏特效应直接把光能转化成电能的装置。光伏材料： 又称太阳电池材料，是能将太阳能直接转换成电能的材料。只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、非晶硅、GaAs、CdTe、InP 等3。同质结太阳电池由同一种半导体构成的 P-N结称为同质结，用同质构造成的太阳电池称为同质结太阳电池按构造分类异质结太阳电池由两个禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结，用异质构造成的太阳电池称为异质结太阳电池复合结太阳电池由两个或多个 P

5、-N结形成的太阳电池称为复合结太肖特基结太阳电池利用金属半导体界面上的肖特基势垒而构成的太阳电池称为肖特基结太阳电池。目前已进展为金属 氧化物半导体MOS、金属绝缘体半导体MIS太阳能电池种类繁多，常有以下几种分类：按用途分类空间太阳电池：指在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池地面太阳电池：指用于地面阳光发电系统的太阳电池光敏传感器按材料分类硅基材料多化合物结晶硅非晶硅主体型单晶硅多晶硅薄膜型单晶硅多晶硅二六族三五族其他材料太阳能发电的优点：太阳能取之不尽，用之不竭；太阳能可以免费随地取得，没有运输的本钱；太阳能发电不会产生环境污染，环保，清洁，且不会消耗其他地球资源或导致地球温室效应

6、；太阳能发电的使用安全性高于其他的发电方式， 且发电设施的修理较为简洁；在一些取电困难的地区例如太空或偏远落后地 区，太阳能发电的本钱反而较低。太阳能发电的缺点：发电密度低，太阳能发电的设施，必需具有相当大的安装面积；太阳能受气候、昼夜的影响很大，在晚上无法发电，必需配有贮存装置。在高纬度和多云少日照的地区，较不易推广太阳能发电；太阳能电池产生直流电， 假设要转换为沟通电，会损失 4-12%的能量。太阳电池的效率是有理论上限的，对于硅太阳电池，能利用的光能只有 44%左右，由于电池外表的反射、光生电子 空穴对的复合、串并联电阻的影响等，也会损失局部能量。实际电池的效率会大大小于理论极限效率，一

7、般的电池效率上限最高接近 30%4。2 太阳能电池的进展历史1839 年法国试验物理学家 Edmund Bacquerel贝克勒尔发 现了光生伏特效应；1883 年，Fritts弗瑞兹在硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有 1%的效率；1941 年奥尔在硅上觉察了光伏效应。起始阶段1945-1965：在其次次世界大战完毕后的 20 年中，一些有远见的人士已经留意到石油和自然气资源正在快速削减， 呼吁人们重视这一问题， 从而渐渐推动了太阳能争论工作的开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术沟通和展览会，兴起太阳能争论热潮。1954 年Chaipin恰宾和 Carlson (卡尔松

8、)在美国贝尔试验室，首次制成了第一块有用的单晶太阳电池，效率为 6%，标志着太阳电池研制工作的重大进展；1955 年 第一个光伏航标灯问世，美国 RCA 制造 GaAs 太阳能电池；1958 年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋 1 号卫星电源；1959 年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达 5%；1960 年太阳能电池首次实现并网运行；1962 年砷化镓太阳电池光电转换效率达 13%。停滞阶段1965-1973：这一阶段，太阳能的争论工作停滞不前，主要缘由是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不抱负，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。过渡阶段19

9、73-1980：1973 年 10 月中东战斗爆发，使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击，世界发生了“能源危机”，从而使很多国家，尤其是工业兴旺国家，重加强了对太阳能及其它可再生能源技术进展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。世界上消灭的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响，1975 年在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作阅历沟通大会”，进一步推动了我国太阳能事业的进展。这一次会议之后，太阳能争论和推广工作纳入了我国的政府打算，获得了专项经费和物资支持。1974 年 COMSAT 争论所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%；1975 年非

10、晶硅太阳电池问世；1976 年多晶硅太阳电池效率达 10%；1978 年美国建成 100kW 太阳地面光伏电站；1980 年单晶硅太阳电池效率达 20%，砷化镓电池达 22.5%，多晶硅电池达 14.5%，硫化镉电池达 9.15%。特点：各国加强了太阳能争论工作的打算性，不少国家制定了近期和远期阳光打算；国际间的合作格外活泼；争论领域不断扩大，争论工作日益深入；太阳热水器、太阳电池等产品开头实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不抱负。低谷阶段1980-1992：进入 80 年月后太阳能的开发利用渐渐进入低谷，世界上很多国家大幅度的削减太阳能争论经费，美国最为突出。主要缘由是世

11、界石油价格大幅度回落，太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力，太阳能的技术也没有重大的进展。1983 年美国建成 1MW 光伏电站；冶金硅(外延)电池效率达11.8%；1986 年美国建成 6.5MW 光伏电站；1990 年 德国提出“2023 个光伏屋顶打算”，每个家庭的屋顶装 3-5kW 光伏电池。高潮阶段1992-至今：由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和进展构成威逼。在这样背景下，1992 年联合国在巴西召开“世界环境与进展大会”，会议通过了里约热内卢环境与进展宣言，21 世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，把环境与进展纳入统一的框架，确立了

12、 可持续进展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在 一起，使太阳能利用工作走出低谷，渐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与进展格外重视，提出 10 条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了中国21 世纪议程，进一步明确了太阳能重点进展工程。1995 年 高效聚光砷化镓太阳电池效率达 32%。1997 年 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶打算”，在 2023 年以前为 100 万户， 每户安装 35kW。日本“阳光打算”提出到 2023 年生产 43 亿W 光伏电池。1997 年

13、 欧洲联盟打算到 2023 年生产 37 亿 W 光伏电池。1998 年 单晶硅光伏电池效率达 25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶打算”，到 2023 年完成。 特点：太阳能利用与世界可持续进展和环境保护严密结合，全球共同行动；太阳能进展目标明确，措施得力，有利于抑制以往忽冷忽热、过热过急的弊端；在加大太阳能争论开发力度的同时，留意科技成果转化为生产力，加速商业化进程； 国际太阳能领域的合作空前活泼，规模扩大，效果明显5。3 我国进展太阳能光伏发电的必要性我国是一个能源生产和消费的大国。2023 年标准煤的消费总量约为24.6 亿吨，比 2023 年同比增长了 9.3%。2023 年

14、各种一次能源的构成比例分别为：煤炭约占69.7%、石油约占20.3%、自然气约占3.0%、水电等约占6.0%、核电约占 0.8%。2023 年，我国的原油总进口量已到达 1.5 亿吨，大约是我国原油总需求量的 50左右。但由于我国能源开采技术落后、能源有效利用率低、传统高能耗产业比重大、单位 GDP 能耗远远落后于兴旺国家、甚至比世界平均水平落后并且我国又是世界上最大进展中国家，经济高速进展，能源消耗增长速度居世界首位等客观因素，更加剧了我国能源替代形势连续转变的严峻性和紧迫性。据电力科学院的争论说明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的状况下，2023 年-2023 年之间，我国的电力供需缺口

15、仍旧为 6.4%-10.7%6，这个缺口正是需要用可再生能源发电进展补充的。而太阳能光伏发电有可能在将来我国的能源供给中占据主要位置。4 我国太阳能光伏发电现状我国太阳能光伏发电产业起始与于 20 世纪 70 年月，到 90 年月中期已进入稳步进展阶段。太阳能电池及其组件产量都已逐年稳步增加。经过了 30 多年的努力，已迎来快速进展的阶段。而且我国的太阳能光伏发电在“光明工程”先导工程和“送电到乡”工程等国家工程及世界光伏市场的有力拉动下，已经建立起稳固的生产业链迅猛进展。到 2023 年年底，全国光伏系统的累计装机容量已经到达 10 万千瓦100mW，从事太阳能电池生产的企业多达 50 余家

16、，太阳能电池的年生产力量到达 290 万千瓦2900mW，太阳能电池年产量到达 1188mW，超过了日本和欧洲，并使从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的产业链更趋于稳定成熟，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨的大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化进展奠定了根底。2023 年是我国太阳能光伏产业进展最快的一年。这些主要受益于太阳能产业的长期利好和整个光伏产业消灭的前所未有投资热潮。我国已成为世界第一大光伏电池生产大国，2023 年 95%以上的产品出口国外，国内利用率不到 5%；2023 年中国各大厂商纷纷扩大产能，总产能达以 12GW7。5

17、单晶硅太阳能电池制备简介晶体硅太阳电池是典型的 p-n 结型太阳电池，它的争论最早、应用最广，是最近本且最重要的太阳电池。由于硅中电子的迁移率1350cm/(Vs)大于空穴的迁移率480cm/(Vs),所以在实际工艺中，一般利用 1cm 左右的100 晶面的掺杂硼的 p 型硅材料作为基质材料，通过集中 n 型掺杂剂，形成 p-n 结。虽然硅的 n 型掺杂剂包括磷、砷和锑，但出于性能价格比等考虑，在晶体硅太阳电池工业化制备中，通常使用磷作为 n 型掺杂剂。简洁构造如以下图。太阳能电池片生产工艺流程： 一次清洗集中等离子刻蚀二次清洗PECVD印刷电极检验入库烧结分选测试一次清洗中常涉及有如下几个化

18、学过程: 用热的氢氧化钠溶液去除硅外表机械损伤：Si + 2NaOH + H氢氟酸去除硅外表氧化物：O = Na22SiO3+ 2H2SiO2+ 6HF = HSiF26 + 2H O2最终使用盐酸去除硅外表金属杂质，盐酸具有酸和络合剂的双重作用，氯离子能与金属离子形成可溶于水的络合物。过程中使用多种化学物质，最终的废渣中含有酸、碱以及重金属等，由于废渣杂质过多，难以重提纯金属或其他物质反复利用，或者重复使用技术本钱过高，所以废弃物假设处理不好，排放到环境中会造成空气土壤污染等。集中的目的是形成 p-n 结，工业生产中多使用 POCl3以下图为集中示意图。，将磷集中到硅外表，集中工业生产过程：

19、(1) 将集中炉 预热至集中温度800-950 ，通过大流量的氮气，去除管道内的气体；(2) 将经过外表处理的硅片装入石英舟，推入恒温区，在大流量的氮气保护下预热假设干分钟；(3) 通入含有 POCl3的氮气和氧气，氮气流量为 500-1000ml/min，氧气流量为 500-3000ml/min，通源时间为 15-60/min；(4) 失源即关闭通有 POCl3的氮气和氧气，然后通大流量氮气假设干分钟，以驱走残留在管道内的源蒸汽；(5) 把石英舟拉至集中炉口，降温假设干分钟，取出集中好的硅片8。过程(3)中，会产生大量Cl2，属于有毒气体，并且有肯定危急性，处理不当也会造成污染。有时会伴随产

20、生 PCl4，属于剧毒物质，目前国内很多公司难以处理，主要由于处理设备昂贵，一般公司难以担当。6 生产晶体硅太阳能电池需要解决的一些问题生产一公斤冶金级多晶硅原料大约需要 10-11MWh 的电力，而目前生产冶金级多晶硅原料的工厂大约已有 20 年以上的历史，由于盖一座这样的工厂设备， 资本过于浩大，所以扩大产能不易。据估算，建立一部生产一千公斤产能的电弧炉，越要一百万美金的投资额。如何能够让工厂很好的过渡到使用技术阶段， 是目前需要解决的一个问题。目前全球的太阳能电池有 93%是承受结晶硅的技术，因此多晶硅原料的供给情形，左右了太阳电池的产量。由于生产多晶硅原料的技术门槛几投资额很高， 所以

21、全球可以量产多晶硅原料的公司只有少数几家。如何改进我国在生产上的技术手段，做到环保高效，是目前需要解决的问题。生产太阳电池等级的 CZ 多晶硅，最重要的考虑因素是生产本钱的降低，所以如何提高长晶的良率与产出率是主要的改善方向。7 太阳能光伏发电的将来趋势太阳能光伏发电在不久的将来将会占据世界能源消费的重要席位，它的进展不但要替代局部常规能源，而且还将成为世界能源供给的主体。估量到 2030 年，可再生能源的消耗将占总能源消耗比例的 30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供给中的占有比也将到达 10% 以上；到 2040 年，可再生能源消耗将占总能耗的 50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的

22、20%以上；到 21 世纪末， 可再生能源消耗将占总能耗的 80%以上，太阳能发电将占到 60%以上。以上这些数字足以显示出太阳能光伏产业的进展前景及其在能源领域所占有的重要地位。依据可再生能源中长期进展规划报道，到 2023 年，我国将力争使太阳能发电装机容量到达 1.8GW百万千瓦，到 2050 年将到达 600GW百万千瓦。估量，到 2050 年，我国可再生能源的电力装机将占全国总电力装机容量的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%。将来十几年，将是我国太阳能光伏产业进展连续迅猛的一个阶段9。8 太阳能光伏发电的环保意义太阳能光伏发电最关键也是有别于燃料能源的重要特征是，在发电过程中只排

23、放很少的CO 。我们都知道CO 作为最主要的温室气体，是导致气候变暖的主22要物质。太阳能电池板可循环使用，系统材料可再利用，这些都可以使光伏的能源投入进一步降低。假设广泛使用光伏发电技术，可以为减缓气候变化作出进一步奉献。据 IPCC 对气候变化的科学评估报道：2023 年 2 月，联合国气候变化政府间委员会公布了气候变化评估报告的第一局部。报告比以往更加确定：人类活动是过去半个世纪气候变暖的主因超过 90的可能性。主要影响包括：(1)过去 12 年中有 11 年是有历史记录以来最热的年份； (2)全球海平面上升加速；(3) 南北半球的高山冰川和积雪正在消融；(4) 自 20 世纪 70 年

24、月以来，更多地区尤其是热带和亚热带干旱更加严峻，持续时间更长。假设我们不采 取措施，将温室气体排放限制在 2023 年的水平，将来 20 年气温将增加 2 倍。具体推测包括：(5)气温将上升 1.1-6.4；(6) 随着热带海洋温度上升，将来热带气旋台风和飓风等将更加猛烈， 最高风力加大，降雨增加；(7) 热浪和强降雨等极端天气日益频繁的可能性将超过 90。报告的主要争论结果包括：(1) 今后 60 年-70 年，气候变化将有可能导致物种大量灭亡；(2) 今后几十年，缺水的人口将由几百万增加到几十亿；印度及南亚其他地区和非洲水源将渐渐削减。贫困国家受到的打击最大，澳大利亚和南欧的兴旺国家等也首

25、当其冲；(3) 贫困地区粮食产量将下降，导致更多的饥饿。中国和印度等国小麦和水稻产量将降低。干旱和饥饿将导致非洲产生更大的难民潮(4) 亚洲、南美和欧洲冰川的消融必将导致全球大量人口缺水，冰湖导致洪水泛滥；(5) 由于海平面上升、风暴增加、洪水泛滥，中国的珠江三角洲和孟加拉的恒河三角洲的居民将面临严峻威逼；(6) 气温再上升 1，就可能导致格陵兰和西大西洋大冰原溶化，导致海平面上升几米，沿海居民将被迫迁移10。9 结论随着现代社会的进展，人们的环保意识抬头，全球乐观研发清洁的可再生能源，太阳能光伏发电的特别优势渐渐得到了表达，成为将来能源进展趋势，尤其是它可以为我国遥远山区、太空等特别场合供电

26、。虽然太阳能电池进展面临一些技术环境问题，考虑到太阳能光伏的附加价值，光伏发电的综合经济效益叶随之大大提升，并且随着技术进步等因素，其增长效率将明显优于传统发电，因此不能单纯与传统发电模式比较单位发电本钱。太阳能光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、制造就业时机、保障能源安全和促进农村尤其是遥远农村的进展。总之，虽然有一些问题，但是进展太阳能光伏还是有很多经济、社会和环境保护的乐观意义。参考文献：1 林明献.太阳能电池技术M.北京:科学出版社,2023.2 熊绍珍,朱美芳.太阳能电池根底与应用M.北京:科技出版社,2023. 3杨德仁.太阳能电池材料M.北京:化学工业出版社,2023.4太阳能

27、电池优点和缺点OL. :/wenku.baidu /view/e4e635300b4c2e3f572763fa.html 5杨邦朝,王文生.薄膜物理与技术M.四川:电子科技大学,2023.6我国能源现状OL.土木工程网. :/ civilcn /jieneng/jnlw/1307174139144603.html 7毛亮,我国进展太阳能光伏发电的必要性及技术分析A.中图分类号号:615.文章编号:1674-6708(2023)53-0066-D2.8 Martin A.Green.硅太阳能电池高级原理与实践M.上海:上海交通大学出版社,2023.9 太阳能光伏发电产业的进展趋势和展望OL. :

28、/wenku.baidu /view/47f633c1d5bbfd0a79567336.html10 北京市环境科学争论院.跨世纪的环境科学技术M.北京:中国环境科学出版社.2023.The Essentials to Develop Solar Cells and Some Problems Need to be SolvedAbstract: Have a discussion about the need for using solar cells power generation and some problems for preparation of solar cells. Bas

29、ed on the analysis of solar cells preparation, put out the necessity and feasibility of developing the solar photovoltaic power generation, analyzes the technical and environmental problems encountered during the preparation of solar cells. The development of solar cells is a prerequisite for developing solar photovoltaic power generation which is an effective way to solve the energy and environmental problems we are facing in our country today.Key words: Solar cells; photovoltaic power generation; energy; environment