1、 第第 1 章绪论章绪论11 课题研究的背景 目前世界上的能源消耗几乎全靠“初级能源“或“常规能源“来供应，它包括：煤炭、 石油、天然气和核裂变等。由于地球上的初级能源的资源有限、矿产开采费用越来越高、 人类能源需求激增的趋势 以及环境污染严重等原因，以常规能源为基础的能源结构随着资 源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要。所以新能源和可再生能源既是近期急需 的补充能源，又是将来能源结构的基础。在能源领域中，加速开发利用以太阳能为主体的 可再生能源已成为人们的共识。 近年来，国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。 太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范 围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。光伏发电的竞争力越来越 强。预计不久就可以成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。 111 能源及环境污染问题 能源是社会经济和人民生活的主要物质基础，对于社会经济的发展和人民生活水平 的提高极为重要。然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。 全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995

　　2NG体育、 年，这种消耗达到了 140 亿吨标准煤，即 25 年间增长了 697，并预计，到 2020 年全世界对能源的消耗会达到 195 亿吨标准煤。 根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后 40 年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持 60 年和 200 年左右。在我国，这一情况 也不容乐观，据官方统计，仅在 2004 年一年，我国就进口原油约 15 亿吨。 按目前的消耗速度，我国的现有能源储量至多可以使用 50 年。可见，矿物燃料并不 是取之不尽的。 同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的 污染。根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由 于大量使用化石能源，全世界每天产生约 1 亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升 高口近若干年来全球 C02 排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰 山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。 因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。 环境污染对人类 以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的 燃

　　3、烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会 腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给 生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生 的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比 直接危害更大，更难消除。 环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。 严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染 引起的人群纠纷和冲突曰益增加。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化 趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。 112 太阳能及光伏发电的特点与优势 太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开 发潜力的新能源之一。太阳是个巨大的能源，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有 3865X1026J，相当于每秒钟燃烧 132X101

　　4、6t 标准煤所发出的能量。全世界人们年所 用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。太阳能作为一种巨量可再 生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的。 和常规能源相比较，太阳能资源具有如下 5 个优越性： (1)取之不尽，用之不竭 太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热， 这就是太阳能的来 源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发 射 32861028j 的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在 60 亿年以 上。也就是说太阳能至少还可象现在这样有 60 亿年可以稳定地被利用。 (2)就地可取，不需运输 矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡 造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的 地，给交通运输造成压力。 (3)分布广泛，分散使用 太阳能年辐射总量一般大于 504106kJm2，就有实际利用价值，若每年辐射量 大于 63106kJm2，则为利用较高的地区。世界上约有二分之一的地区可以达到这个 数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，

　　5、但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为 分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。 (4)不污染环境，不破坏生态 人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如 S02、C02 等，使人类 赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中水电、核能、地热能等，在开发 利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来 污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。 (5)周而复始，可以再生 在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可 再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。 当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如 果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。 太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形 式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领 域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和

　　6、西部应用较广，成效显著。 太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水 制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促 进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成 为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点 ： (1)结构简单，体积小且轻。独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。(2)容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜 于制成小功率移动电源。 (3)维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接 线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。 (4)清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一 种理想的能源。 (5)可靠性高，寿命长，并且应用范围广。 太阳能光伏发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各 家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖 给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。 光伏发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和

　　7、海洋面积进行发电，并通 过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。 据测算，到 2050 年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积 的 23或全部沙漠的 514。另一方案是天上发电，早在 1980 年美国宇航局和能源 部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长 10 公里、宽 5 公里 的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供 5106kW 电力。 12 二十一世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。由于传统能源(如煤、石油、天然 气等)的供给已出现短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源。大规模地开发利用 可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替 以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。 作为无污染的清洁能源之一太阳能越来越受到大家的关注，尤其在解决偏远地区的用电 问题，发挥着重要的作用。我国光伏发电的现状及前景： 我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。 我国太阳能光伏发电技术开始于 20 世纪 70 年代，开始时主要用于空间。70 年代中期 后，光伏发电应用逐渐

　　8、扩大到地面并形成了我国的光伏产业。光伏发电在改善人民生活条 件方面已发挥着重要作用，并将在 21 世纪可持续发展中发挥更大作用。技术方面，经过十 多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相 比有差距，但差距在不断缩小。 在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是 “西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电 问题这一伟大构想己经逐步成为现实。 我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间 长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设 备容量 100kVA 以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公生活用电需要是提 高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源， 有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。 近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限 性。目前，国内光电池硅片的生产能力己达 45MW，在 7 个无水无电县中已全部建 成了光伏发电，其率最大的

　　9、 100kW。2002 年光伏系统累计装机容量仅 40MW，而 2004 年深圳市已建成 870kW 光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。 2003 年国内光伏电池的生产能力约 20MW，但实际生产量仅仅为 4MW 左右，占世界 光伏电池实际生产量的 1左右。在 2002“2003 年国家实施的总装机容量 20MW 的“光明 工程“项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足 10。北京申办 2008 年奥运会，提出了 “绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想 2008 年奥运会是最成功的一届奥运会，光伏发电应用担当一个重要的角色，在奥运村 和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。2008 年北京奥运会 建成多个 50kW150kW 的光伏发电系统，场馆周围 80的路灯以及部分场馆的照明与空 调将利用太阳能电池供电。 上海 2010 年世界博览会总量达 1MW10MW 的城市光伏发电系统，还有旨在解决 8000 万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳 能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。 综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以 31 的速度发展，而我国每年只有 15的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠 政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策 支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。 我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发 展来说机遇和挑战并存。 第 2 章光伏电池的原理及其特征 光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。它 的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单晶 硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。 目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高(澳大 利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到 24)，所以现在开发 得也最快。 21 光伏电池的原理及模型光伏电池的原理及模型21

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