郑哲
宁夏京银智慧新能源有限公司，银川，750001
摘 要：不可再生资源的快速消耗与环境污染等问题给人类的未来工业发展带来了新的挑战，随着人类对可再生能源的越发重视，太阳能发电技术被认为是解决能源危机的一种有效思路。本文重点阐述了光伏发电和光热发电原理、分类、特点，及优缺点，指出了不同的光伏发电材料在近年来的研究进展，对硅系、无机型、有机型光伏发电材料及石墨烯、钙钛矿等新一代光伏发电材料的研究现状进行了综述，并分析了其发展前景。
关键词：太阳能发电；光伏发电；光热发电；光伏发电材料
0 引言
能源是各国经济发展和繁荣的重要因素，目前全球大部分能源仍来自化石燃料，但是对化石能源的持续开采导致了能源危机的产生，开发无污染、可再生的新能源成为了全球大多数国家的共识。其中对风能，地热能，核能和太阳能等新能源的开发和利用成为国际前沿科学的研究热点。其中，太阳能是一种稳定且用之不竭的清洁绿色能源，每天以1.2×105MW 的能量落在地球表面，总能量相当于全世界 20 年 的总能源消耗量，具有满足日益增长的世界电力需求的巨大潜力。与其他清洁能源相比，如核能，水电等相比，太阳能具有获取更加容易、安全无害、不产生污染等特点。因此，太阳能发电日益成为世界新能源产业中规模数量增长最多、成果显著的重要技术。根据原理不同，太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电。其中，我国在分布式光伏发电在政策和资金上给予了很大的支持和鼓励，为推进太阳能发电产业的发展进程以及中国能源补给和环境保护贡献了重要力量。
1 光伏发电技术
1.1光伏发电技术的产生与原理
1954 年，美国科学家皮尔松在贝尔实验室首次制成了光电转化效率6%，能够实际使用的单晶硅太阳能电池，这意味着将太阳能转换为电能的能够面向市场的光伏发电技术正式产生。
光伏发电技术采用的是直接将太阳光的辐射转化为电能的发电模式，利用了半导体 PN 结的光生伏特效应当太阳光照射在 PN 结上时，部分光被反射，其余部分或变成热能，或使光子与半导体的原子价电子发生碰撞形成空穴电子对。由于存在扩散运动，P 区带正电，N 区带负电，PN 结两端产生电势差，如果将多个电池串联或并联在一起，接通外电路就会形成电压和电流，太阳能便被转化为电能[1]。
与光热发电相比，光伏发电不会受到水资源约束，这是因为光伏发电的过程中不需要添加冷却水，光伏发电的可利用太阳辐射总量，不仅包含有法向直射，还包含有漫射辐射，所以，光伏发电相比较于光热发电，可以更加充分地利用太阳能资源，即使太阳辐射程度比较低的情况下，也能正常发电，对整个发电系统的影响力度比较小。从全球范围内的太阳辐射总量看来，适合光伏发电的地区较为广泛，主要集中在南纬和北纬的40°以内的地区。此外光伏发电采用模块化结构，体积小，对地形要求低，跟进一步促进其推广。
1.2 光伏发电技术的分类
与光伏发电材料的光电性能是光伏发电转换效率的直接影响 ，依据光伏材料的不同，光伏发电可以分为四类：（1）硅系类，其又包括单晶硅与多晶硅，其制备技术在光伏发电材料中发展时间最长，工业化制备工业相比较最为成熟；（2）无机型化合物，主要由III-IV 族化合物组成，例如铜铟硒太阳电池；（3）有机型化合物，被称为“有机光伏”。有机小分子太阳能光伏材料具有重量轻、低成本、化学稳定性好且制备方便等优势，但其迁移率较低因此，所以现在还未投入大规模的商用过程中。（4）其余新型光伏材料，如石墨烯。
1.2.1硅系类材料
硅系类材料主要分为单晶硅和多晶硅。单晶硅是目前工业生产和人类生活中大量推广使用的光伏发电材料，单晶硅光伏发电的工作原理一般归纳为四个转换过程：①需要阳光照射，通常是单色、阳光，或者为模拟状态的太阳能光源；②将光子注入单晶硅形态的半导体中，使其激活电子状态的空穴对，在其死去分开之前，此种电子洞具备充足的生命[2]；③具备静电场，静电场具有将电子洞分开的功能，形成电子集中一侧，而洞集中于另一侧的现象，诸多单晶硅材料的太阳能电池在进行使用时，P-N 结对电子孔进行分离，实现阻挡层的效果，PN 结属于单晶硅材料太阳能电池核心部分；④对电子与孔进行分离，运用电极采集，并输出于电池体外，逐渐形成电流。并且利用单晶硅微纳结构处理和微区化学掺杂可有效改善其光电转换性,有诸多研究者系统地研究了硅微纳结构提高光电转换率对单晶硅光伏发电材料。
1.2.2无机型材料
III-IV 族化合物半导体光伏材料具有直接带隙和拥有较宽的太阳光吸收波段等优点，非常适合用于光伏发电材料。此外，地球矿物中上富含的 Cu，In，Se 和 Zn 等元素，可用材料来源广，能够有效控制生产成本，加工效益高。目前，已有 Liang等以金属基板为衬底与Ga As纳米晶层复合,制备了具有良好吸光性、较高载流子收集率、较高光电转换率且呈纳米状的太阳能光伏发电材料。因此，无机型光伏材料逐渐受到研究人员的关注。
其主要的研究进展有铜铟硒太阳电池（CIS）作为一种多晶薄膜电池在20世纪80年代逐渐发 展起来。鉴于 CIS 电池其成本低、效率高、非常类似于单晶硅太阳电池的稳定性与空间抗辐射性等多种优异特点，受到了全世界光伏工作者普遍关注。德国太阳能技术研究所经过10余年的研究，开发出了一种新技术，即新型薄膜太阳能电池，该技术采用电沉积连续制备工艺，在铜箔上制作出了用于薄膜太阳能电池的带卷，再通过一种非常特别的封装工艺组装成具有柔软特性的太阳能电池。日本研究所发明了一种低成本，安全耐用的复合物半导体薄膜作为吸收层，替代原来的稀有金属材料的 CIS 电池基，利用太阳光谱频宽提高转换效率。此外，以纳米 TiO2 为主的薄膜太阳电池，因为其工作原理独特，生产成本低廉而引起了世界广泛关注。
1.2.3有机型材料
在光伏领域，出现了一种以有机材料为基础的新的太阳能电池，被称为“有机光伏”。有机小分子太阳能光伏材料具有重量轻、低成本、化学稳定性好且制备方便等优势，但其迁移率较低，提高有机小分子光电材料的转换效率是研究的重点。
Janssen 等首次将苝酰亚胺衍生物作为N 型半导体材料，以低聚亚苯基亚乙烯基 (OPV) 作为 P 型半导体材料，制备了一类P-N 交替的共聚物，然而该类材料的电荷传输速率低。虽然二酰亚胺类材料具有在可见光区吸收强、电子亲和能较高、廉价、光和热稳定性较高等优点，但其电荷传输效率低限制了其在聚合物太阳能电池方面的广泛使用。
1.2.4新型光伏发电材料
新型发电材料主要以石墨烯和钙钛矿为主导，石墨烯特有的二维结构使其具有绝佳的导电性、良好的的热导率、极高的载流子迁移率以及极具发展前景的柔韧性，这都使得石墨烯在光伏发电材料中成为了新一代的热门研究方向。其中新加坡国立大学的研究人员报道了一种采用石墨烯透明导电电极的有机太阳能电池，系统地研究石墨烯的层数以及石墨烯掺杂对太阳能电池光伏性能的影响；清华大学的研究人员首次报道了将石墨烯薄膜覆盖到 n 型硅片上制备了基于石墨烯的肖特基结太阳能电池，该器件具有明显的光伏特性，经过测试，其光电转换效率达到了1.65%。香港理工大学的研究人员将石墨烯薄膜覆盖到 n 型砷化镓基底上也构建了基于石墨烯的肖特基结太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池以其工艺简单、质量小、价格低廉、可弯曲性能好以及大面积制备等特点，成为目前研究的热点。因其理论极限高达50%的光电转换效率而引起国内外学术人员和生产厂家的高度关注。钙钛矿太阳能光伏材料主要包括钙钛矿吸光材料、空穴传输材料、电子传输材料。英国牛津大学教授的Snaith 研发出一种新型的全固态钙钛矿太阳能电池中，在这种电池中，其太阳能电池的吸光材料由有机金属卤化物钙钛矿结构组成。该项发明被认为是钙钛矿光伏发电材料领域的突破性新进展。近年来，以有机-无机复合钙钛矿材料为代表的太阳能发电技术展现出了非常光明的产业化发展前景。
综上所述，光伏发电材料的总结如表1-1，可进一步区分出三种光伏材料类型的利弊，为以后材料的选择提供进一步的选择。
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在目前太阳能发电市场，电池材料是以硅材料为主的单晶、多晶硅占据主流市场份额，但是硅材料本身在光伏发电领域仍旧存在许多问题，因此一方面要寻找更为方便易行的硅材料提纯技术，改进硅系光伏发电生产工艺，另一方面应该发展非硅材料应用于光伏发电领域。太阳能材料研究对太阳能光伏发电技术发展起着决定性的作用。每一种新材料的出现，都给太阳电池及太阳能光电利用带来一次变革。因此，对于光伏发电材料，应着重于解决以下问题：
（1）不断改良与提升单晶、多晶硅制备工艺，降低杂质影响，提升光电转换效率；
（2）发展新型光伏发电材料，如石墨烯、钙钛矿及富勒烯等，尽可能提升其光电转换效率，达到工业化水平，以补充当前太阳能市场硅材料的缺失；
（3）电池的制作工艺、电池的使用寿命和稳定性等有待进一步研究和提高。
1.3分布式光伏发电的技术优势
光伏分布式发电是分布式供能技术的一种。区别于地面集中式光伏电站，分布式光伏发电系统主要指布置在用户附近，利用建筑物外表面如屋顶、墙壁等处，装机容量在几千瓦到数个兆瓦级别的发电系统。我国发展分布式光伏技术较晚，近几年来随政策鼓励和装备制造水平的提高国内光伏发电技术得到了飞速发展。2015年后，分布式光伏产业在我国实现快速增长，并体现出新的产业格局。
光伏发电技术起步较早，美国的贝尔实验室在1954 年就首先利用硅片技术成功将太阳能转化为电能。在分布式光伏发电方面，美国和德国在政策和资金投入上给予了很大支持，其技术水平较长期一直处于世界前列。为推广太阳能发电，美国在政策上出台了最高达30%的太阳能投资税收减免优惠。自2006年以来，美国太阳能装机量猛增，截至 2017 年，美国累计光伏发电装机容量达到了 50GW以上，2018年第一季度新增光伏发电装机容量为2.5 GW左右，同比增长 13%。德国在1991年和2000年先后制定并颁布了《电力入网法》和 《可再生能源法》，并在 2004 年—2014 年间进行了 4 次修订，从法律制度层面上推动太阳能发电技术的发展，2012 年光装机容量7.6 GW，累计光伏装机容量32.3 GW，居世界第一位。但因为补贴额巨大，财政负担沉重，德国从2013年开始缩小光伏建设规模，2015 年—2017 年 3 年间，每年的光伏装机容量只占高峰期的1/5。日本对太阳能发电也是持以政策支持、财政补贴的态度，光伏装机容量紧追世界水平，同时在太阳能电池相关技术领域有很大的突破，特别是在柔性可弯曲太 阳能电池 （钙钛矿） 的研究上，处于全球领先水平。为此，我国也采取了大量措施来改进光伏发电技术
1）为了解决我国固有光伏电源基地与负荷需求在空间分布上不匹配的问题。地面式光伏电站大多建立在光照条件较好、具有大片平整土地的三北地区。但这些地方人口密度小，用电负荷小，同时电网配置落后，不能接受大容量光伏发电上网，造成严重弃光现象。分布式光伏系统适用于中东部经济发达地区，电网系统成熟，只需要对现有电网稍加改造就能并网发电。在满足工商业或居民用电需求的同时余电还可上网，缓解环保需求下限制煤电后的紧张能源供应形式。
2）充分结合建筑空间或取代建筑材料，节约用地。分布式光伏发电可依附于建筑物屋顶或外墙，安装地点灵活。使用柔性电池等新型光伏组件可结合于屋顶瓦片或玻璃幕墙等建筑材料，在提供电力供应的同时承担建筑功用，方便美观。
3) 投资成本低。分布式光伏发电系统初始投资低，且后期基本不产生运行维护费用。对于户用屋顶电站，国内市场报价约为8元/W，并且随着技术进步来和市场更加成熟，成本将进一步降低。
4) 使用可再生能源，清洁环保。相比另一种已经商用的天然气分布式供能技术，光伏分布式发电不消耗一次能源，可实现污染物零排放。对于缓解目前国内严峻的环境问题具有重要意义。
2光热发电技术
2.1光热发电技术的原理
太阳能光热发电是另一种太阳能发电技术，主要是指聚焦型太阳能热发电，即利用聚焦手段收集太阳能热量，然后通过热电转换装置进行发电。与光伏发电系统相比，光热发电系统的一个显著特点是可以通过储热及补燃的方式解决太阳能不稳定、不持续的问题，实现不间断的电力输出，太阳能聚集方式主要包括槽式、线性菲涅尔式、塔式及碟式4种，其中槽式集热系统技术相对成熟，可规模化生产。
2.2光热发电技术的趋势
光热发电不但不依赖于光照，可在夜晚或弱光条件下发电，而且与电网匹配性好，输出电能稳定，具有良好的发展前景。光热发电技术始于20 世纪 80 年代，美国建立了全球首座光热示范电站，之后却发展停滞不前。直到 2006 年，西班牙开始了第一个光热示范项目后，光热发电热潮席卷而来。截至 2015 年底，西班牙投入运行的光热装机容量位居全球第一，美国装机容量位居 全球第二。印度、阿联酋等国家相继发展光热发电，发电量继美国、西班牙之后居前。光热发电相关技术也从早前发电效率较低的传统平板式逐渐发展为反射镜集光聚光式，利用光学、物理学原理，将各种各样的反射镜、定日镜应用到发电系统中，提高了发电效率，使发电量剧增。
光热发电热潮的袭来，使得世界各地加快了相关技术研究的步伐。光热发电技术除了已经进入商用阶 段的聚光光热发电外，还有正在研发试用的太阳能半导体温差发电（热电发电）、太阳能热风发电（烟囱发电）、太阳热池发电、太阳能热声发电等技术。国内外研究机构对这些新型发电系统投入了大量研究精力，主要攻克的是类型选择、细节处理、架构设计等问题，但目前还处在理论分析和实验仿真阶段，建立试验装置还需一定的时间。虽然光热发电不需要强光照射，仅需集中热量带动蒸汽机发电，但是夜间的温度较低，热量少且散发快，不能连续发电。现阶段，解决这一难题的途径是通过熔融盐储热技术，将余热储存起来供夜间发电，真正实现了全天不间断发电供电。
未来，光热发电的应用将越来越广泛，光热发电技术的相关研究也将越来越成熟，解决光热发电的持续性发电问题、提高聚光比、降低发电成本、实现热电联合将是重要的关注点和发展趋势。
3光伏发电技术与光热发电技术比较
光伏发电与光热发电的形式、机理和应用都不同。光伏发电应用广泛、可实现建筑一体化，占地需求小、结构简单、技术成熟、易于维护、大小规模都适用，容量可调节、无噪声，但是不能连续发电，受天气影响大、耗能高，废弃蓄电池产生污染、回收体系不成熟、晶体硅成本高，工艺复杂；光热发电可昼夜连续发电，效率高、产能高、耗能低、无污染，可输出有功功率和无功功率，电能质量高，但是占地要求高、系统复杂、维护困难，不适用于小规模发电站，设备成本高、初期投资大。在具体选择应用发电方式时，应根据场地条件、技术要求、天气情况、成本预算等具体分析。
4结论
本文通过对比不同的太阳能发电技术，对其进行分类，进一步总结了其特点，效率和优缺点，对未来的应用方向有了初步的判断。分布式光伏发电和光热发电技术发展迅速，极具发展潜力，是未来发展可再生能源、顺利进行能源转型的重要支撑。研究新型太阳能电池材料，关注成本低、效率高、轻便安全的柔性可弯曲电池的发展，是未来便携式太阳能的趋势，也是建筑一体化的实现途径；改进光热发电聚光方式，提高聚光比和高效储能，是光热发电技术发展的方向。
参考文献
[1]上官小英，常海青，梅华强等．太阳能发电技术及其发展趋势和展望[J]．能源与节能，2019，162（3）：60-65．
[2]王森涛，赵娅娅，张波.太阳能电池制备工艺理论研究［J］.能源与节能，2017(9)：92-93.