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能源危机点亮太阳光电池璀璨“钱”景
2006年8月30日 9:14  来源:照明工程师社区  

     编者按:全球温室效应变化、空气污染严重,加上人们对于能源依赖性增加,使得能源界必须寻找另一项具有干净环保又永不耗尽的新能源,以供应人们的迫切需求。从过去能源发展史中,我们看到了从地下化石能源,包括:石油、煤矿…等,演进到地上核能电力、火力发电…,目前则进一步积极寻找自然界中可再生能源,包括:水力、风能、地热能及太阳能等,这其中又以太阳能作为新能源供应来源最受到注目,无论是技术发展过程或未来前瞻性都受到各界关注。

   ■结晶矽太阳光电池 独占新能源市场鳌头 

    目前全球太阳光电池市场在各方面发展情况,还是以结晶矽为主,一般可细分为单晶硅、多晶矽及非晶矽(3.4%)等3种太阳能电池,2004年市场占有率分别为28.6%、56.0%及3.4%。自从1954年贝尔实验室发表了具有6%光电转换效率的太阳光电池,历经50年发展之后,结晶矽太阳光电池俨然已成为能源市场上的新主角,占了2004年太阳光电池五分之四的总销售量。另外,半导体晶圆技术进步,包括:晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸有了明显改善后,使得成本价格降低、光电池模块效率提升、产能规模增加及提高光电转换利用率。目前实验室太阳光电转换效率已接近25%,跟学术理论值的29%非常接近。

    在经过这么长时间发展后,能源界都看好结晶矽太阳光电池,肯定会成为未来新兴能源的标竿。不过,能源的应用关键还是在于「成本问题」,虽然此类能源电池用电单位瓦数(watt)成本已经下降了有50倍多,但价格还停留在2.53美元/瓦左右,所耗费的成本与经济价值,还是要比传统电力高出许多,目前市场只能在特殊应用中,实现小部分商品化过程。一般来说,现今市场上所生产的结晶矽太阳能电池平均效率只在15%上下(实验室接近25%),也就是说只能将15%太阳光能吸收转换成可用电能,其中85%就变成毫无用处的热能。因此,全球各大能源研究单位均大力投入太阳能电池相关技术研究,企图开发出更新的应用物质,除了必须大幅降低产品成本,也要提升太阳能发电效能,实现太阳光电池普遍应用的最终目的。

    ■薄膜式太阳光电池(Dye-Sensitized Solar Cells;DSSC)

    根据美国国家再生能源实验室日前的报告中指出:「薄膜式太阳能电池制造成本,在过去10年中呈现大幅下降趋势,虽然到目前为止成本价格还是要比结晶式高出3040%,不过下降速度却快的许多」。简单来说,薄膜式太阳光电池只需要一层极薄的光电材料,相较于结晶矽电池还得要维持一定厚度,所使用材料也会比较少,加上薄膜可使用软性基材,应用弹性强,一旦技术发展到成熟阶段,应用市场会比结晶式光电池大得许多。在2004年薄膜式光电池模块出货量为87.6MW(Mega/Watts;百万瓦),市场分析公司BCC预估到2009年将会达到154.6MW,年平均成长率上看13.4%。

    目前能源界在发展薄膜式太阳光电池趋势,大致上可分为几种薄膜材料,包括:非晶系矽、铜铟镓二硒、镉碲薄膜、矽薄膜、染料敏化太阳能电池等。

    ■非晶系矽太阳光电池(Amorphous silicon solar cell)

    目前发展速度最快的薄膜式太阳光电池;在一般状态下,结构式为n-i-p(或p-i-n)偶极的形式存在,i层是由非晶系矽所组成,p层和n层主要作为内部电场。非晶系矽本身就具有较高的光吸收能力,在i层只需0.20.5μm厚度,即可达到1.11.7eV的吸光频率范围,比结晶矽1.1eV要高出许多。

    不过,如果i层设计太薄或太厚,很容易造成吸光不足,为克服这情形发生,此类太阳光电池可采用多层结构堆叠的设计方式,可弥补非晶系矽太阳光电池在先天上的劣势,避免在太阳光照射之后,产生SWE效应(光效应性能丧失),同时也能兼顾光电效率和吸光频率。

    非晶型矽光电池是以「电浆强化化学蒸镀」方式(PECVD)来制造矽薄膜,采用roll-to-roll制程方式,而基材部份可使用弹性较大、面积大材质;因为蒸镀速度较慢,加上所使用的高质量导电玻璃层价格高,总制造成本还是不符合经济效益,至于多层式堆叠型式,虽然能够提高光电池转换效率,不过却也增加电池成本。这两年为了降低制造成本,有人提出VHF电浆制膜,可以使制程速度加快,同时以ZnO取代SnO2作为导电玻璃材料,以降低TCO成本,可使非晶系矽在太阳光电池市场竞争力大幅提高。

    综合近3年来太阳光电池市场发展,此类型电池年产量在过去3年中呈现快速成长态势,2004年成长了113%,一般能源专家都认为这股趋势将会延续。不过,非晶系矽太阳光电池还是有光电转化效率过低的问题存在,目前此型光电池效率,实验室也只有13.5%,商业用更低只有48%,针对这点产业界还得要多加把劲才行。

    Pin=太阳光入射功率,Pm=最大输出功率,Im=最大输出功率电流,Vm=最大输出功率电压

 

 

 

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