太阳能蓄电池

作为新能源产业的重要代表，过去的几年中，我国光伏产业飞速发展，再次让全世界领略了“中国制造”的震撼。2004年我国太阳能电池产量仅占全球产量的1％，到2010年已飙升至50％以上。但由于国内市场容量远远跟不上产业的发展，导致我国太阳能电池“墙内开花墙外香”，九成以上产品出口至国外。2009年和2010年我国分别出口太阳能电池1.7亿个和2.4亿个，月度出口量也从2009年1月的374.5万个一路攀升至2010年11月3063万个的历史高位。然而，制造大国并不等于产业大国，我国光伏产业光鲜外衣下，掩藏着产业链“两头在外”的尴尬和企业利润持续下滑的无奈。　 　　
　　欧盟是我国太阳能电池出口的主要市场。今年前4个月，我国对欧盟出口太阳能电池6479万个，增加89.2％，占我国太阳能电池出口总量的68.3％，所占比重较去年同期提高17.4个百分点。与此同时，我国太阳能电池对美国、南非等新兴市场开拓进展良好。我国对美国出口太阳能电池803.6万个，增加4.1倍；对南非出口344.2万个，增加7.1倍。 　　作为我国光伏行业的排头兵，外商投资企业一直是我国太阳能电池出口的主要力量，且出口份额不断提高。今年前4个月，我国外商投资企业累计出口太阳能电池7182万个，增加55.1％，占同期我国太阳能电池出口总量的75.7％，占比较去年同期的68.8％提高6.9个百分点。同期，我国民营企业出口太阳能电池1887万个，增加90.9％，占19.9％；国有企业出151420.2万个，减少62.1％，占4.4％。 　　江苏省光伏产业起步较早，长期在我国太阳能电池出口中占居主导地位。今年前4个月，江苏出口太阳能电池5392万个，增加1.4倍，占我国太阳能电池出口总量的56.8％。同期，河北出口太阳能电池1397万个，减少12％；辽宁出口696.1万个，去年同期几乎无出口。此外，广东和浙江分别出口太阳能电池432.5万个和417.6万个，分别减少46％和36.6％。

　　德国将在今年7月进一步下调光伏发电补贴，下调幅度在3％到12％之间；意大利将在9月实施新的光伏发电补贴政策；西班牙屋顶系统补贴率也将下调8％。受此影响，德国、意大利等国企业纷纷加快装机步伐，抢搭补贴末班车。与此同时，美国、加拿大、南非等新兴太阳能市场迅速成长。据全球*光伏行业研究咨询机构IHS iSuppli预测，2011年全球太阳能发电新增装机容量为22，2GW，同比增长39.3％。其中，美国装机量将达到1.9GW，比2010年的878MW，增长1.2倍。　 　　在国内光伏产业快速扩张的带动下，近年来我国太阳能电池产量持续攀升，自2007年起我国太阳能电池产量已连续4年居世界首位。201 1年以来我国太阳能电池产量继续保持快速增长态势。国家工信部发布的数据显示，2011年前2个月我国太阳能电池生产同比增幅达123.8％。国内产量快速增长推动我国太阳能电池出口的大幅增加。
　　
　　　我国是世界公认的未来全球***大光伏市场，但这一市场却没有真正启动。到目前为止，我国仅仅启动了“光明计划”、“金太阳计划”的产业扶持政策，其对光伏产品需求量极小。据统计，2010年我国光伏发电市场装机量为380MW，仅占全球总装机量的3％。而同期，我国太阳能电池产量则超过8GW，占全球太阳能电池总产量的53％。
　　
　　尽管国家一再敲响光伏业产能过剩警钟，但仍难以抑制行业盲目扩张现象。目前全国约有18个省正在打造光伏产业基地，100多个城市将太阳能作为支柱性行业。以浙江省为例，截至2011年3月，浙江省共有176家太阳能光伏企业，其中78家成立于2010年9月后，半年时间内其光伏企业数量翻了一番。而据***新统计预测，2012年我国太阳能电池产能将达到27个GW，较2010年的11.5个GW，增加1.3倍，年均增长率高达53.2％，远远超过市场需求的增长速度。
　　
　　在国内光伏产业快速扩张的同时，国际市场需求再次走到了十字路口。近期，在全球***主要光伏产品消费市场中，德国、西班牙、意大利等欧洲国家相继出台削减光伏行业补贴的方案。这预示着经过去年井喷式增长后国际光伏市场开始进入调整期。而且，被寄予厚望的美国市场也出现变数。近日，为冷却增长过快的光伏市场，美国联邦政府决定将太阳能电池板补贴削减1000美元，削减幅度达21.3％。这无疑给对美国市场充满期望的人们泼了一盆冷水。外部市场需求放缓无疑将给严重依赖国际市场的我国光伏产业带来巨大冲击，行业产能过剩问题将进一步恶化。 　　上游原料和下游市场“两头在外”的困境，使得我国太阳能电池行业面临“议价能力低”、“抗风险能力低”的“双低”局面。国内太阳能电池生产企业不得不在夹缝中求生存，而国际市场需求放缓使得这一尴尬局面更加凸显。数据显示，今年以来我国太阳能电池价格持续下滑。3月份我国多晶硅电池的均价为1.25美元佤，比2010年12月下降了9.4％；4月份现货交易价格进一步下滑至***低0.95美元，瓦。与此同时，今年4月我国多晶硅进口均价已上涨至75美元忪斤，同比上涨42％，创2009年5月以来的***高值。上下游双向夹击导致国内光伏电池组件的毛利率从2010年的15％-20％降至目前的5％-8％，甚至更低。
　　
　　　由于缺乏统筹规划，产业政策不明晰，加之准入门槛较低，近年来国内光伏行业投资乱象丛生，生产企业良莠不齐，一些根本没有光伏技术背景、纯粹逐利的公司陆续进入。这导致国内太阳能电池行业恶性竞争异常严重，质量问题层出不穷，时常遭到国外客户的投诉或退货，严重损害了我国光伏行业的形象。据无锡尚德公司介绍，为了争夺订单，国内一些光伏企业互相压价，导致行业出口秩序混乱。而常熟阿特斯公司也反映，国外市场屡屡出现假冒该公司商标的光伏产品，导致该公司在国际市场上的形象严重受损。
　　从我国光伏产业发展现状来看，技术、设备、原料、市场等战略制高点仍留在海外，所谓的“光伏产业大国”仅仅是光伏电池和组件的“制造大国”。也就是说，在这样一个新兴产业内，到目前为止，我国依旧没能摆脱“世界工厂”的角色。因此，我国光伏产业要实现持续、健康的发展，还需要在市场、工艺技术和产业链建设等多个层面下足功夫。政府要充分发挥财税政策，稳步培育国内市场，实现从光伏组件制造大国向应用大国的转变，逐步减少对国外市场的依赖；企业则应不断提高自主创新和技术改造能力，加快产业升级步伐，从根本上摆脱光伏产业原料和技术受制于人的困境。 太阳能蓄电池的种类与原理：
光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的***佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理：无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。　　
　　一、硅太阳能电池　　
　　硅太阳能电池的基本结构如图1所示，它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子•cm-3～1019个原子•cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子成键时缺少1个电子，它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅，例如掺入磷(107个原子•cm-3～1019个原子•cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子，成键后剩下1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是，P型和N型硅都是电中性的。
　　当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时，发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近，N区的自由电子较多空穴较少，P区则是空穴较多自由电子较少，这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N区，空穴从N区漂移到P区。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移***终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。 　　当具有一定能量的光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子�空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别拉向P区和N区，电子-空穴对被分离。空穴在P区积累，电子在N区积累，结果产生一个与内建电场方向相反的光生电场，在P区和N区之间形成与PN结电势反向的光生电势，这就是*的光生伏特效应。该效应使PN结内部形成自N区向P区的光生电流(如图3所示)，当PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有电流源源不断地通过电路。　　
　　二、有机聚合物双层异质结太阳能电池　
　　有机聚合物太阳能电池具有多种结构类型,但都呈夹心式,基本结构如图4所示。电池的顶部一般为透明的玻璃基底,上面镀有可透光的金属薄层作为前电极,一般为铟锡氧化物(ITO)。与前电极接触的是有机半导体层,它连接一层不透明的金属作为背电极。当外部负载通过金属导线与两个电极相连时,就形成一个太阳能电池,它的光伏效应区是有机半导体层。按照有机半导体层的结构,有机聚合物太阳能电池可以划分为三大类,即单层结构(单一有机或共轭聚合物材料)、双层异质结结构和体异质结结构。
　　对于聚合物双层异质结太阳能电池,其有机半导体双层由共轭聚合物(电子给体,类似于P型硅)和富勒烯或其衍生物(电子受体,类似于N型硅)构成,厚度常为100～200nm。常见的电子给体有聚噻吩、聚对苯乙烯撑及其衍生物,其中P3HT(聚3-己基噻吩)在目前应用***为普遍。常见的电子受体是PCBM,它是C60的一种可溶性衍生物。这两种物质的结构示于图5。通常,ITO电极和有机半导体层之间还夹一层透明导电聚合物修饰层,厚度为30～60nm,以提高电池的性能。
　　当光透过ITO电极照射到有机半导体层上时,层中的电子给体P3HT吸收光子,发生如图6所示的过程。在光子的激发下,P3HT***高占据轨道上的价电子跃迁到***低空轨道上,***高占据轨道留下空穴,形成电子空穴对。由于电子给体P3HT***低空轨道的能量比电子受体PCBM***低空轨道的能量高,所以跃迁电子从P3HT的***低空轨道转移到PCBM的***低空轨道上,***终被金属负极收集。同时,空穴向ITO正极转移,并被收集。这样就实现了电子和空穴的分离,产生光电流和光电压。
　　有机聚合物单层太阳能电池的结构,可以简单地看做是双层异质结太阳能电池除去电子受体层。与双层异质结太阳能电池相比,单层太阳能电池存在电子、空穴复合率更高等缺点,因此电池转化效率较低。　 　　三、展望　
　　目前,在各种形式的太阳能电池中,硅太阳能电池的光电转换效率***高,应用***广,但它也具有原料成本高,生产工艺复杂等缺点。有机聚合物双层异质结太阳能电池是利用电子给体和受体的能级差来***大限度地把它们分离成自由电子和空穴,具有结构设计性强、材料轻、成本低、加工性能好、便于制造等优点。但是它的一些缺点限制了其光电转化效率的进一步提高。例如,因为电子-空穴只能在界面附近分离,而双层异质结太阳能电池膜与膜之间的接触面积有限,在远离界面的区域产生的电子和空穴往往还没迁移到界面上就复合了。又如,电子和空穴在聚合物半导体材料中的迁移率通常很低,它们在界面上分离出来后,在向电极运动的过程中会大量损失。为了提高转换效率,科学家提出了体异质结太阳能电池,就是将给体、受体材料共混,形成一个连续、互相贯穿的网络结构。这种结构*地增加了给体、受体材料的接触面积,缩短了电子和空穴的扩散距离,使它们可以更多地到达界面进行分离,因此能量转换效率得到较大提高。
　　至今,人们正在研究的太阳能电池已经远不止我们介绍的这几种,其他类型还有待同学们去了解。
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