光伏材料概述

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光伏材料概述（光伏资料）

光伏材料是指能够将太阳能转换为电能的材料。通过光电效应，光伏材料能够将太阳光中的光子转化为电子，并通过电流来输出电能。

最早的光伏材料是硒（Se），于19世纪末由法国科学家贝克勒耶发现。随着科技的进步，出现了各种新型光伏材料。目前常用的光伏材料包括多晶硅、单晶硅、非晶硅、硫化镉、铜铟镓硒（CIGS）和铜锌锡硫（CZTS）等。

多晶硅是最常用的光伏材料之一。它的生产成本较低，转换效率也较高。多晶硅由多个晶粒组成，因此其结晶度较低，导致其电子转移能力较差，使得转换效率稍低于单晶硅。

单晶硅是一种高纯度的硅材料，具有较高的转换效率。由于它的晶粒结构完整，电子能够自由传递，因此转换效率较高。单晶硅的生产成本较高，因此在市场上的应用相对较少。

非晶硅是一种非晶材料，具有较高的吸光能力和较低的生产成本。其缺点是转换效率较低，且在长时间使用后容易发生老化。

硫化镉是一种光吸收能力较强的材料，转换效率较高。由于铬和镉元素都是有害物质，因此硫化镉的使用受到一定的限制。

CIGS和CZTS是两种新型的光伏材料。它们具有较高的光吸收能力、较高的转换效率和较低的生产成本。CIGS和CZTS正在逐渐得到市场的认可。

随着科技的进步，各种新型光伏材料的不断涌现，使得光伏发电技术更加成熟和可靠。我们可以期待光伏材料的不断创新，为清洁能源的发展做出更大的贡献。

光伏材料概述（光伏资料）

光伏产业概述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。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。

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。

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。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。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。

光伏主要原材料

光伏组件的原材料由八大主材和生产配套辅材组成。

八大主材为：

(1)电池片：太阳能电池是把光能直接转换成电能的一种器件。它是用半导体材料制成的。通过太阳光的照射，激发电子—空穴对，利用P—N结势垒区的静电场实现分离电子—空穴对，被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外，形成电流。

(2)涂锡铜带：由无氧铜剪切拉直而成，所有外表面都有热镀涂层。涂锡带用于太阳能光伏组件生产时太阳能电池片的电极引出，连接电池片。要求具有较高的焊接操作性、牢固性及柔韧性。

(3)EVA：乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物，是一种热熔胶粘剂。用来封装电池片，防止外界环境对电池片的电性能造成影响，增强光伏组件的透光性，将电池片、钢化玻璃、背板粘接在一起，具有一定粘接强度，同时对电池光伏组件的电性能输出有增益作用。

(4)背板：用作背面保护封装材料，常用的分为T门、TPE和PET，聚乙烯结构。用来增强光伏组件的耐老化、耐腐蚀性能，延长了光伏组件的使用寿命；白色的背板对入射到光伏组件内部的光进行散射，提高了光伏组件的吸光效率，同时因其具有较高的红外发射率，还可降低光伏组件的工作温度；同时提高了光伏组件的绝缘性能。

(5)钢化玻璃：用于支撑光伏组件结构，增强光伏组件的承重和载荷，具有透光、减反射透光、阻水、阻气和防腐蚀的作用。

(6)铝边框：玻璃外延安装的铝合金边框，起到保护玻璃边缘，加强光伏组件密封性能和提高光伏组件整体机械强度的作用，便于光伏组件的安装和运输。

(7)硅胶：用于粘接、密封层压好的玻璃光伏组件，粘接接线盒和背板，并增强光伏组件耐紫外线的作用。

(8)接线盒：光伏组件的电气连接装置，对光伏组件引出线起到密封、防水的作用，保护光伏组件系统运行时的安全。

关于光伏产品的介绍

光伏产品是指利用太阳能发电的新型产品，也称为太阳能电池板或光伏电池板。它是一种将太阳能转化为电能的设备，是一种清洁、可再生的能源。

光伏产品的操作步骤

1.安装光伏电池板：将光伏电池板安装在屋顶或阳台上，确保电池板能够充分接受阳光。安装时要注意安全，防止电池板从高处掉落。

2.连接光伏电池板：将光伏电池板与逆变器连接，逆变器是将直流电转化为交流电的设备。连接时要注意电线的接口，确保电线连接牢固。

3.连接电网：将逆变器与电网连接，将光伏发电的电能送入电网。连接电网时要注意安全，确保电线没有短路或漏电。

4.监测光伏发电：安装光伏发电监测系统，实时监测光伏电池板的发电情况。监测系统能够及时发现故障，保证光伏发电的稳定性和安全性。

光伏产品的优点

1.环保：光伏产品利用太阳能发电，不会产生任何污染物，不会对环境造成任何影响。

2.可再生：太阳能是一种不会枯竭的能源，光伏产品利用太阳能发电，具有可再生性。

3.经济性：光伏产品虽然初期投资较高，但是长期来看，光伏发电的成本比传统发电方式低，具有良好的经济效益。

4.稳定性：光伏产品能够稳定地发电，不受天气和季节的影响，具有良好的稳定性。

光伏发电的主要材料

太阳能光伏发电站的电池板材料最多是多晶硅，单晶硅，再次是薄膜电池。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（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。

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。

光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式光伏发电系统。

光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

光伏资料

光伏（Photovoltaic）：是太阳能光伏发电系统（Solarpowersystem）的简称，是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。

太阳能光伏发电系统分类，一种是集中式，如大型西北地面光伏发电系统；一种是分布式（以>6MW为分界），如工商企业厂房屋顶光伏发电系统，民居屋顶光伏发电系统 。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。

由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算器提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

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