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世界太陽能開發(fā)利用現(xiàn)狀
在跨入21世紀之際，人類將面臨實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在 常規(guī)能源的匱乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源 的開發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能以其獨具的優(yōu)勢，其開發(fā)利用必將在21世紀得 到長足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)綱重任，成為21世紀后期的主導(dǎo)能源。?
1.太陽能與化石能源的簡要比較
1．1化石能源帶來的問題
(1)能源短缺
由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能 延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類遲早將面臨化石燃料枯竭的危機局面。
(2)環(huán)境污染
當(dāng)前，由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽能等可再生潔凈能源來解決。
(3)溫室效應(yīng)
化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全 球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過了對環(huán)境的污染，有關(guān)國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。
1．2 陽能資源及其開發(fā)利用特點
(1)儲量的“無限性”
太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達地球的能量高達8×1013kW，相當(dāng)于6×109t標(biāo)準煤。按此計算，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準煤共約1.892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍〔2〕。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球的時間可以說是無限的。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。?
(2)存在的普遍性
雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。?
(3)利用的清潔性
太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。
(4)利用的經(jīng)濟性
可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟性，如太陽能熱水器一次投入較高，但其使用過程不耗能，而電熱水器和燃氣熱水器在使用時仍需耗費，有關(guān)研究結(jié)果表明〔3〕，太陽能熱水器已具很強的競爭力。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更明顯。
1.3? 21世紀后期太陽能將占主導(dǎo)地位
世界各國，尤其發(fā)達國家對21世紀的能源問題都特別關(guān)注。由于化石能源儲量的有限性和利用的污染性，各國專家都看好太陽能等可再生能源，盡管目前太陽能的利用僅在世界能源消費中占很小的一部分。如果說20世紀是石油世紀的話，那么21世紀則是可再生能源的世紀， 太陽能的世紀。據(jù)權(quán)威專家估計，如果實施強化可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，到下世紀中葉，可再生能源可占世界電力市場的3/5，燃料市場的2/5。在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，太陽能處于突出位置。美國的馬奇蒂博士對世界一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，太陽能將在21世紀初進入一個快速發(fā)展階段，并在2050年左右達到30%的比例，次于核能居第二位，21世紀末太陽能將取代核能居第一位〔5〕。殼牌石油公司經(jīng)過長期研究得出結(jié)論，下一世紀的主要能源是太陽能；日本經(jīng)濟企劃廳和三洋公司合作研究后則更 樂觀地估計，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。正如世界觀察研 究所的一期報告所指出：正在興起的“太陽經(jīng)濟”將成為未來全球能源的主流。其最新一期報告則指出，1997年全球太陽電池的銷售量增長了40%，已成為全球發(fā)展最快的能源。
2太陽能開發(fā)利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢?
人類利用太陽能已有幾千年的歷史，但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個 世紀的事情。1954年美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池，從此揭開了太陽能開發(fā) 利用的新篇章。之后，太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力地促進了太陽能開發(fā)利用。經(jīng)過近半個世紀的努力，太陽能光熱利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異 軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。迄今為止，太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個方面。
2.1太陽能熱利用及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展?
根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，太陽能熱利用在替代高含碳燃料的能源生產(chǎn)和終端利用中大有用武之地。太陽能熱利用具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可歸納為太陽能熱發(fā)電(能源產(chǎn)出 )和建筑用能(終端直接用能)，包括采暖、空調(diào)和熱水。當(dāng)前太陽能熱利用最活躍、并已形 成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電。?
2.1.1 太陽能熱水器?
在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊 電熱水器市場和燃氣熱水器市場。國外的太陽能熱水器發(fā)展很早，但80年代的石油降價，加 之取消對新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向，使工業(yè)發(fā)達國家太陽能熱水器總銷售量徘徊在幾十萬平方米。據(jù)報道，1992年國外太陽能熱水器總量為45萬m2，其中日本為20萬m2，美國為12萬m2，歐洲為8萬m2，其他國家為5萬m2。世界環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家又開 始重視太陽能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源和減少排放CO2方面的潛力，僅據(jù)美國加州首府薩克門托市的計劃，到2000年太陽能熱水器將取代該州47000套家用電熱水器；到2000年日本太 陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。1992年銷售量為50萬m2 ，為世界其他各國銷售量之和；1995年銷售量翻番，達100萬m2。據(jù)初步統(tǒng)計，1997年我國太陽能熱水器銷售量300萬m2，目前，我國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝 的企業(yè)達到1000余家，年產(chǎn)值20億元，從業(yè)人數(shù)1.5萬人能源工程，1999 ，(1)：59。但從房屋的熱水器安裝率來說，以色列已達80%，日本為11%，臺 灣達2.7%.〔6〕.，我國在千分之幾左右，其太陽能熱水器的推廣應(yīng)用潛力仍很大。國際上，太陽能熱水器產(chǎn)品經(jīng)歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發(fā)展，目前其產(chǎn)品的發(fā) 展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失；聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國和以色列批量生產(chǎn)。
隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識和節(jié)能意識的普遍提高，太陽能熱水器必將逐步替代電熱水器和 燃氣熱水器。雖然太陽能熱水器目前仍存在市場價格高、受季節(jié)和天氣影響的不利因素，但太陽能熱水器具有不耗能、安全性、無污染性等優(yōu)勢，而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟性也逐漸 顯露出來。表1為三種熱水器的經(jīng)濟指標(biāo)比較結(jié)果.，從中可以看出，太陽能熱水器在經(jīng)濟上已具有較強的競爭力。??
表1三種熱水器經(jīng)濟指標(biāo)對比
項目品種壽命(年) ?使用天數(shù) (天) ?購置費用?(元) ?運行費用?(元) ?總投資?(元) ?備 注
太陽能熱水器 ?10～15 ?300*2300 ?250 ?2550 ?均以日
產(chǎn)水量電熱水器 ?5～8 ?300 ?1000 ?4500 ?550080kg
水溫40燃氣熱水器 ?6 ?300 ?5003 ?700420 ?0～60℃計算
*有關(guān)專家認為該數(shù)字應(yīng)為250天左右。??
2.1.2 太陽能熱發(fā)電技術(shù)?
80年代太陽能熱利用技術(shù)的最大突破是實現(xiàn)了太陽能熱發(fā)電的商業(yè)化。Luz國際公司在美國 南加州自1984年至1991年共建造了9個柱形拋物槽鏡分散聚光系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電站，總功率為354MW，約占當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量的2%。9座電站中最大的容量為80MW，約有900條 聚光槽組成。由于美國政府和州政府先后在1991年取消對太陽能電站的投資減免稅優(yōu)惠政策，迫使第10號電站停建，公司宣告破產(chǎn)。另一頗具實力的Solel公司也在致力于太陽能熱發(fā) 電，它于1992年接收了破產(chǎn)的Luz公司的技術(shù)，將開發(fā)市場瞄向澳大利亞、以色列和北美洲。Solel公司自稱具有建造300MW大型太陽能熱發(fā)電站的能力。該公司已開始在澳大利亞建造一座70MW的槽型太陽能熱發(fā)電裝置，并計劃在以色列建一座200MW的電站，同時正在洽談在 北美洲和另兩洲建三座電站，每座200～300MW。Solel公司在澳大利亞的另一目標(biāo)是2000年的悉尼奧運會，它和米爾斯公司將合建一個太陽能熱發(fā)電的聯(lián)合體，為奧運村旅館和運動會主會場提供10MW的電力。希臘政府1997年開始實施一項500MW的太陽能熱發(fā)電 項目，計劃于2003年完工，屆時將是世界上最大的太陽能電站。此外，它的阿莫科石油公司將在印度沙漠地區(qū)建造一座更大的太陽能熱電站。?
目前，太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上和經(jīng)濟上可行的三種形式是：①30～80MW線聚焦拋物面槽式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面槽式)；②30～200MW點聚焦中央接收式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡稱塔式 )；③7.5～25kW的點聚焦拋物面盤式太陽能熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面盤式)。在上述三種技術(shù)中，拋物面槽式領(lǐng)先一步，美國加州的9座太陽熱發(fā)電站可以代表槽式熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)狀。塔式太陽熱發(fā)電技術(shù)也是集中供電的一種適用技術(shù)，目前只有美國巴斯托建的一座叫 “SolarⅡ”的電站，功率為43MW，該電站成功運行兩年后，兩家美國電力公司計劃建兩座100MW的電站。為了提高塔式電站的效率，有人提出了一種新想法， 把帶有太陽能塔的定日鏡陣列附加到先進聯(lián)合循環(huán)電站上作為燃料節(jié)省裝置，采用甲烷重整工藝，以太陽能提高天然氣等級。拋物面盤式太陽熱發(fā)電技術(shù)很適合于分散式發(fā)電，可以在 偏遠地區(qū)用作獨立系統(tǒng)。作為太陽能供電的一種方式，太陽熱發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟上是可行的，而且有較大的市場潛力。在美國加州的太陽熱發(fā)電站建造過程中，由于技術(shù)進步及容量的增大，電站的裝機造價和發(fā)電成本顯著下降，1984年Ⅰ號電站(14MW)造價為5979美元/kW，發(fā)電成本26.5美分/kWh；到1990年的Ⅷ號電站(80MW)，造價降至3011美元/kW，發(fā)電成本降到 8.9美分/kWh。因此，拋物面槽式在太陽能豐富的地區(qū)，經(jīng)濟上已能與燃油的火力電站競爭。我國西南電力設(shè)計院曾對西藏地區(qū)以引進Luz公司太陽能熱電站進行估算， 如果考慮設(shè)備的折舊和還貸，太陽能熱電站和火力發(fā)電站的發(fā)電成本均為1.1元/kWh，如果不考慮設(shè)備折舊，僅計入運行和維護費用，則太陽能電站的發(fā)電成本為0.1元/kWh，而火力 發(fā)電站的成本為0.8元/kWh。有人估算過13種太陽熱電站在不同日照射條件下的發(fā)電成本，結(jié)果表明，隨著年產(chǎn)電量的增加，主要是隨著機組容量的增大、 日射強度的增高、部件和系統(tǒng)的進一步改進，發(fā)電成本顯著下降。進而對地中海國家的太陽 能熱發(fā)電應(yīng)用進行過可行性研究，認為太陽能的熱利用在這一地區(qū)具有特殊重要性，具有巨大的市場潛力。一方面，地中海國家技術(shù)水平高、資金雄厚，且有很好的太陽 熱發(fā)電示范和早期商業(yè)化基礎(chǔ)；另一方面，未來幾十年里，地中海國家能源需求量大，每年要新增5～6GW，加之該地區(qū)太陽能資源豐富，年輻射強度大于1700kWh/m\+2的面積達到700 萬km\+2，太陽熱可發(fā)電容量達1200GW，是目前全球電力需求的4倍。所有這一切形成了地中海地區(qū)廣闊的太陽能熱發(fā)電市場。?
2.2太陽能光電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)?
2.2.1太陽能光電已成為全球發(fā)展最快的能源?
50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世，揭開了光電技術(shù)的序幕，也揭開了人類利用太陽能 的新篇章。自60年代太陽電池進入空間、70年代進入地面應(yīng)用以來，太陽能光電技術(shù)發(fā)展迅猛。世界觀察研究所在其最近一期研究報告中指出，利用太陽能獲取電力已成為全球發(fā)展最 快的能量補給方式。報告說，1990年以來，全球太陽能光伏發(fā)電裝置的市場銷售量以年平均 16%的幅度遞增，目前總發(fā)電能力已達800MW，相當(dāng)于20萬個美國家庭的年耗電量太陽能。?
2.2.2提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本是光電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?
當(dāng)前影響光電池大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發(fā)電技術(shù)中，太陽能光 電仍是花費最高的一種形式，因此，發(fā)展陽光發(fā)電技術(shù)的主要目標(biāo)是通過改進現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)，開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率。近年來，光伏工業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，發(fā)展的特點是：產(chǎn)量增加，轉(zhuǎn)換效率提高，成本降低， 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。目前，世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW，是1944年產(chǎn)量的兩倍還多， 如表2所示。單晶硅太陽電池的平均效率為15%，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的實驗室效率已 達24.4%；多晶硅太陽電池效率也達14%，實驗室最大效率為19.8%；非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)6～9%，實驗室最高效率為12%，多結(jié)電池為8～10%，實驗室最高效率為11.83 %.。由于 生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)工藝的改進，晶體硅太陽電池組件的制造成本已降至3～3.5美元/W p，售價也相應(yīng)降到4~5美元/Wp；非晶硅太陽能電池單結(jié)售價3~4美元，多結(jié)售價為4～5 美元/Wp。與十年前相比，太陽光電池價格普遍降低20%。最近，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院M?格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換率高達33%，并成功地采用了一種無定形有機材料代替電解液，從而使它的成本比一塊差不多大的玻璃貴不了多少，使用起來也更加簡便?？梢灶A(yù)料，隨著技術(shù)的進步和市場的拓展，光電池成本及 售價將會大幅下降。表4為地面用光伏組件成本/價格的預(yù)測結(jié)果，表5為美國 國家可再生能源實驗室對太陽電池成本與市場的關(guān)系所做的估計。對比表4、表5，可以看出，2010年以后，由于太陽能電池成本的下降，可望使光伏技術(shù)進入大規(guī)模發(fā)展時期。??
表2世界光電組件的產(chǎn)量及年增長率
年份1989199019911992199319941995199619971998
年產(chǎn)量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612
表3商品化光伏直流組件效率預(yù)測(%)
電池技術(shù)199019952000 2010
單晶硅12151822
澆鑄多晶硅11141620
帶狀硅12141721
聚光器(光電池)17202530
非晶硅(包括疊層電池)5～67～91014
CuInSe\-2-8～101214
CdTe-8～101214
低成本基片硅薄膜-8～101215
球粒電池-101214
表4地面用太陽能電池組件成本/價格預(yù)測(美元)
電池種類\年份 1990199520002010
單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00
多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00
聚光電池3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67
非晶硅3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25
薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CIS?? 2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CdTe? 1.50/2.501.20/2.000.75/1.25?
表5太陽能電池成本與市場的關(guān)系
太陽能電池成本?(美元/峰瓦)可進入的市場
＞6少量應(yīng)用2～5通信、邊遠地區(qū)
1～2城市屋頂系統(tǒng)＜1大規(guī)模發(fā)電
?2．2．3光伏新技術(shù)發(fā)展日新月異?
近年來，圍繞光電池材料、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題，光伏技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異。晶體 硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。限制單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要技術(shù)障礙有：①電池表面柵線遮光影響；②表面光反射損失；③光傳導(dǎo)損失； ④內(nèi)部復(fù)合損失；⑤表面復(fù)合損失。針對這些問題，近年來開發(fā)了許多新技術(shù)，主要有：① 單雙層減反射膜；②激光刻槽埋藏柵線技術(shù)；③絨面技術(shù)；④背點接觸電極克服表面柵線遮 光問題；⑤高效背反射器技術(shù)；⑥光吸收技術(shù)。隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)明了不少新的電池種類，極大地提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，如澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授采用 激光刻槽埋藏柵線等新技術(shù)將高純化晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24.4%，他在1994 年5月表示能用純度低100倍的硅制成高效光電池，約在10年后采用該類電池的太陽能發(fā)電成 本可降至5～8美分/kWh.〔15〕.。光伏技術(shù)發(fā)展的另一特點是薄膜太陽能電池研究取得重大進展和各種新型太陽能電池的不斷涌現(xiàn)。晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率雖高，但其成本難 以大幅度下降，而薄膜太陽能電池在降低制造成本上有著非常廣闊的誘人前景。早在幾年前，澳大利亞科學(xué)家利用多層薄膜結(jié)構(gòu)的低質(zhì)硅材料已使太陽能電池成本驟降80%，為此， 澳大利亞政府投資6400萬美元支持這項研究，并希望10年內(nèi)使該項技術(shù)商業(yè)化。?
高效新型太陽能電池技術(shù)的發(fā)展是降低光電池成本的另一條切實可行的途徑，近年來，一些新型高效電池不斷問世。專家推斷，只要有一二種取得突破，就會使光電池局面得到極大的改觀。?
(1)硒化銅銦(CuInSe\-2,CIS)薄膜太陽能電池.：1974年CIS電池在美國問世，1 993年美國國家可再生能源實驗室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達16.7%，由于CIS太陽能電池具有成 本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效率(理論值為單晶30%，多晶24%)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點，各國都在爭相研究開發(fā)，并積極探索大面積 應(yīng)用的批量生產(chǎn)技術(shù)。?
(2)硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池〔18〕：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。研究表明，把1.3ev和1.7ev光 學(xué)禁帶度組合起來的薄膜非晶硅與多晶硅串聯(lián)電池轉(zhuǎn)換效率最高。它具有成本低、耗能少、工序少、價廉高效等優(yōu)點
(3)用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池〔19〕：Ⅲ-Ⅴ族化合物(如GaAs,InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉(zhuǎn)換效率 提高到35%以上。而這種多層結(jié)構(gòu)很容易用CBE法制作，并能以低于1美元/Wp的成本獲得超高效率。?
(4)大面積光伏納米電池：1991年瑞士M.Grtzel博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組 ，用納米TiO\-2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。計算表明，可制造出轉(zhuǎn)換效率至少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應(yīng)用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。?
2.2.4各國的光伏計劃雄心勃勃?
隨著太陽能光電技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化發(fā)展，太陽能光電技術(shù)的推廣應(yīng)用有了長足的進展 。目前，已建成多座兆瓦級光伏電站，最大的是位于美國加州的光伏電站，容量為6.5MWp，現(xiàn)正在希臘克里特島建造的一座陽光電站，容量為50MW.p，估計2003年可建成供電，總投資1775萬美元新能源，1997，19(2)：23。而在美國準備建造的另一座電站規(guī)模將達到100MW.p，已與太陽能熱發(fā)電站容量相匹敵。除此之外，一些國家推出的屋頂 計劃將更引人注目，顯示了陽光發(fā)電的廣闊應(yīng)用前景和強大的生命力。1990年，德國政府率先推出的“千頂計劃”，至1997年已完成近萬套屋頂光伏系統(tǒng)，每套容量1～5kW.p，累計安裝量已達33MW.p，遠遠地超出了當(dāng)初制定的計劃規(guī)模。日本政府從1994年開始實施“朝日七年計劃”，計劃到2000年安裝16.2萬套屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘窟_185MW.p，1997年又再次宣布實施“七萬屋頂計劃”，每套容量擴大到4kW.p，總?cè)萘繛?80MW.p。印度于1997年12 月宣布在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。意大利1998年開始實施“全國太陽能屋頂計劃”，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_50MW.p。而最雄心勃勃的屋頂計劃當(dāng)屬1997年6月美國總統(tǒng)克林頓宣布實施的美國“百萬屋頂計劃”，計劃從1997年開始至2010年，將在百萬個屋頂上，安裝總?cè)萘窟_到3025MW.p的光伏系統(tǒng)，并使發(fā)電成本降到6美分/kWh。上述各國屋頂計劃的實施，將有力地促進太陽能光電的應(yīng)用普及，使太陽能光電進入千家萬戶。?
與此相呼應(yīng)，當(dāng)前世界上實力雄厚的10家光伏公司，雖然目前的生產(chǎn)能力都不大，但都有雄心勃勃的擴展計劃。各公司年產(chǎn)目標(biāo)為：Kyocera公司和夏普公司60MW，BP太陽能公司50MW ，西門子公司和Solarex公司30MW，殼牌/Pilington公司和ASE公司25MW，Photo wott公司， AP公司和三洋/Solec公司15MW。據(jù)美國Spire公司預(yù)測，2003年世界光電池的生產(chǎn)能力將達 到350MW，而2010年的光電池組件交易量將達到700～4000MW/年?。?
光伏技術(shù)發(fā)展的趨勢，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各 種新型太陽能光電池的發(fā)展。應(yīng)用上將從屋頂系統(tǒng)突破，逐步過渡到與建筑一體化的大型并網(wǎng)光伏電站的發(fā)展。?
2.3太陽能光電制氫?
70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門新興學(xué)科--光電化學(xué)。隨著光 電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗的發(fā)展，使得太陽能制氫成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。?
1995年，美國科學(xué)家利用光電化學(xué)轉(zhuǎn)換中半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面產(chǎn)生的隔柵電壓，通過固定兩個光粒子床的方法，來解決水的光催化分離問題取得成功〔22〕。其兩個光粒子床概念的光電化學(xué)水分解機制為：?
H2的光反應(yīng)4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+?
O2的光反應(yīng)4OH-+M+→O2+2H2O+4M°?
凈結(jié)果為：2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質(zhì))?
近來，美國國家可再生能源實驗室還推出了一種利用太陽能一次性分解成氫燃料的裝置。該 裝置的太陽能轉(zhuǎn)換率為12.5%，效率比水的二步電解法提高一倍，制氫成本也只有電解法的 大約1/4。日本理工化學(xué)研究所以特殊半導(dǎo)體做電極，鉑對極，電解質(zhì)為硝酸鉀，在太陽光照射下制得了氫，光能利用效率為15%左右。?
在太陽能制氫產(chǎn)業(yè)方面，1990年德國建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資4 800萬美元，在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500kW太陽能電站制氫，用光伏-電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氧化物的形式貯存起來，保證運輸?shù)陌踩履茉?。?0年代以來，德、英、日、美等國已投資積極進行氫能汽車的開發(fā)。美 國佛羅里達太陽能中心研究太陽能制氫(SH)已達10年之久，最近用SH作為汽車燃料-壓縮天然氣的一種添加劑，使SH在高價值利用方面獲得成功，為氫燃料汽車的實用化提供了重要基礎(chǔ)。其他，在對重量十分敏感的航天、航空領(lǐng)域以及氫燃料電池和日常生活中 “貯氫水箱”的應(yīng)用等方面氫能都將獲得特別青睞。
由于氫是一種高效率的含能體能源，它具有重量最輕、熱值高、“爆發(fā)力”強、來源廣、品 質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點，因此，隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳氫化合物能源將是21世紀的一個重要發(fā)展趨勢。
在跨入21世紀之際，人類將面臨實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在 常規(guī)能源的匱乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源 的開發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能以其獨具的優(yōu)勢，其開發(fā)利用必將在21世紀得 到長足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)綱重任，成為21世紀后期的主導(dǎo)能源。?
1.太陽能與化石能源的簡要比較
1．1化石能源帶來的問題
(1)能源短缺
由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能 延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類遲早將面臨化石燃料枯竭的危機局面。
(2)環(huán)境污染
當(dāng)前，由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠利用太陽能等可再生潔凈能源來解決。
(3)溫室效應(yīng)
化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全 球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，其影響甚至已超過了對環(huán)境的污染，有關(guān)國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。
1．2 陽能資源及其開發(fā)利用特點
(1)儲量的“無限性”
太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023kW，其中到達地球的能量高達8×1013kW，相當(dāng)于6×109t標(biāo)準煤。按此計算，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準煤共約1.892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍〔2〕。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球的時間可以說是無限的。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。?
(2)存在的普遍性
雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。?
(3)利用的清潔性
太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。
(4)利用的經(jīng)濟性
可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟性，如太陽能熱水器一次投入較高，但其使用過程不耗能，而電熱水器和燃氣熱水器在使用時仍需耗費，有關(guān)研究結(jié)果表明〔3〕，太陽能熱水器已具很強的競爭力。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更明顯。
1.3? 21世紀后期太陽能將占主導(dǎo)地位
世界各國，尤其發(fā)達國家對21世紀的能源問題都特別關(guān)注。由于化石能源儲量的有限性和利用的污染性，各國專家都看好太陽能等可再生能源，盡管目前太陽能的利用僅在世界能源消費中占很小的一部分。如果說20世紀是石油世紀的話，那么21世紀則是可再生能源的世紀， 太陽能的世紀。據(jù)權(quán)威專家估計，如果實施強化可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，到下世紀中葉，可再生能源可占世界電力市場的3/5，燃料市場的2/5。在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，太陽能處于突出位置。美國的馬奇蒂博士對世界一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，太陽能將在21世紀初進入一個快速發(fā)展階段，并在2050年左右達到30%的比例，次于核能居第二位，21世紀末太陽能將取代核能居第一位〔5〕。殼牌石油公司經(jīng)過長期研究得出結(jié)論，下一世紀的主要能源是太陽能；日本經(jīng)濟企劃廳和三洋公司合作研究后則更 樂觀地估計，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。正如世界觀察研 究所的一期報告所指出：正在興起的“太陽經(jīng)濟”將成為未來全球能源的主流。其最新一期報告則指出，1997年全球太陽電池的銷售量增長了40%，已成為全球發(fā)展最快的能源。
2太陽能開發(fā)利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢?
人類利用太陽能已有幾千年的歷史，但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個 世紀的事情。1954年美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池，從此揭開了太陽能開發(fā) 利用的新篇章。之后，太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力地促進了太陽能開發(fā)利用。經(jīng)過近半個世紀的努力，太陽能光熱利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異 軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。迄今為止，太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個方面。
2.1太陽能熱利用及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展?
根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，太陽能熱利用在替代高含碳燃料的能源生產(chǎn)和終端利用中大有用武之地。太陽能熱利用具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可歸納為太陽能熱發(fā)電(能源產(chǎn)出 )和建筑用能(終端直接用能)，包括采暖、空調(diào)和熱水。當(dāng)前太陽能熱利用最活躍、并已形 成產(chǎn)業(yè)的當(dāng)屬太陽能熱水器和太陽能熱發(fā)電。?
2.1.1 太陽能熱水器?
在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊 電熱水器市場和燃氣熱水器市場。國外的太陽能熱水器發(fā)展很早，但80年代的石油降價，加 之取消對新能源減免稅優(yōu)惠的政策導(dǎo)向，使工業(yè)發(fā)達國家太陽能熱水器總銷售量徘徊在幾十萬平方米。據(jù)報道，1992年國外太陽能熱水器總量為45萬m2，其中日本為20萬m2，美國為12萬m2，歐洲為8萬m2，其他國家為5萬m2。世界環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家又開 始重視太陽能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源和減少排放CO2方面的潛力，僅據(jù)美國加州首府薩克門托市的計劃，到2000年太陽能熱水器將取代該州47000套家用電熱水器；到2000年日本太 陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。1992年銷售量為50萬m2 ，為世界其他各國銷售量之和；1995年銷售量翻番，達100萬m2。據(jù)初步統(tǒng)計，1997年我國太陽能熱水器銷售量300萬m2，目前，我國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝 的企業(yè)達到1000余家，年產(chǎn)值20億元，從業(yè)人數(shù)1.5萬人能源工程，1999 ，(1)：59。但從房屋的熱水器安裝率來說，以色列已達80%，日本為11%，臺 灣達2.7%.〔6〕.，我國在千分之幾左右，其太陽能熱水器的推廣應(yīng)用潛力仍很大。國際上，太陽能熱水器產(chǎn)品經(jīng)歷了悶曬式、平板式、全玻璃真空管式的發(fā)展，目前其產(chǎn)品的發(fā) 展方向仍注重提高集熱器的效率，如將透明隔熱材料應(yīng)用于集熱器的蓋板與吸熱間的隔層，以減少熱量損失；聚脂薄膜的透明蜂窩已在德國和以色列批量生產(chǎn)。
隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識和節(jié)能意識的普遍提高，太陽能熱水器必將逐步替代電熱水器和 燃氣熱水器。雖然太陽能熱水器目前仍存在市場價格高、受季節(jié)和天氣影響的不利因素，但太陽能熱水器具有不耗能、安全性、無污染性等優(yōu)勢，而且隨著技術(shù)的發(fā)展其經(jīng)濟性也逐漸 顯露出來。表1為三種熱水器的經(jīng)濟指標(biāo)比較結(jié)果.，從中可以看出，太陽能熱水器在經(jīng)濟上已具有較強的競爭力。??
表1三種熱水器經(jīng)濟指標(biāo)對比
項目品種壽命(年) ?使用天數(shù) (天) ?購置費用?(元) ?運行費用?(元) ?總投資?(元) ?備 注
太陽能熱水器 ?10～15 ?300*2300 ?250 ?2550 ?均以日
產(chǎn)水量電熱水器 ?5～8 ?300 ?1000 ?4500 ?550080kg
水溫40燃氣熱水器 ?6 ?300 ?5003 ?700420 ?0～60℃計算
*有關(guān)專家認為該數(shù)字應(yīng)為250天左右。??
2.1.2 太陽能熱發(fā)電技術(shù)?
80年代太陽能熱利用技術(shù)的最大突破是實現(xiàn)了太陽能熱發(fā)電的商業(yè)化。Luz國際公司在美國 南加州自1984年至1991年共建造了9個柱形拋物槽鏡分散聚光系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電站，總功率為354MW，約占當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量的2%。9座電站中最大的容量為80MW，約有900條 聚光槽組成。由于美國政府和州政府先后在1991年取消對太陽能電站的投資減免稅優(yōu)惠政策，迫使第10號電站停建，公司宣告破產(chǎn)。另一頗具實力的Solel公司也在致力于太陽能熱發(fā) 電，它于1992年接收了破產(chǎn)的Luz公司的技術(shù)，將開發(fā)市場瞄向澳大利亞、以色列和北美洲。Solel公司自稱具有建造300MW大型太陽能熱發(fā)電站的能力。該公司已開始在澳大利亞建造一座70MW的槽型太陽能熱發(fā)電裝置，并計劃在以色列建一座200MW的電站，同時正在洽談在 北美洲和另兩洲建三座電站，每座200～300MW。Solel公司在澳大利亞的另一目標(biāo)是2000年的悉尼奧運會，它和米爾斯公司將合建一個太陽能熱發(fā)電的聯(lián)合體，為奧運村旅館和運動會主會場提供10MW的電力。希臘政府1997年開始實施一項500MW的太陽能熱發(fā)電 項目，計劃于2003年完工，屆時將是世界上最大的太陽能電站。此外，它的阿莫科石油公司將在印度沙漠地區(qū)建造一座更大的太陽能熱電站。?
目前，太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上和經(jīng)濟上可行的三種形式是：①30～80MW線聚焦拋物面槽式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面槽式)；②30～200MW點聚焦中央接收式太陽熱發(fā)電技術(shù)(簡稱塔式 )；③7.5～25kW的點聚焦拋物面盤式太陽能熱發(fā)電技術(shù)(簡稱拋物面盤式)。在上述三種技術(shù)中，拋物面槽式領(lǐng)先一步，美國加州的9座太陽熱發(fā)電站可以代表槽式熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)狀。塔式太陽熱發(fā)電技術(shù)也是集中供電的一種適用技術(shù)，目前只有美國巴斯托建的一座叫 “SolarⅡ”的電站，功率為43MW，該電站成功運行兩年后，兩家美國電力公司計劃建兩座100MW的電站。為了提高塔式電站的效率，有人提出了一種新想法， 把帶有太陽能塔的定日鏡陣列附加到先進聯(lián)合循環(huán)電站上作為燃料節(jié)省裝置，采用甲烷重整工藝，以太陽能提高天然氣等級。拋物面盤式太陽熱發(fā)電技術(shù)很適合于分散式發(fā)電，可以在 偏遠地區(qū)用作獨立系統(tǒng)。作為太陽能供電的一種方式，太陽熱發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟上是可行的，而且有較大的市場潛力。在美國加州的太陽熱發(fā)電站建造過程中，由于技術(shù)進步及容量的增大，電站的裝機造價和發(fā)電成本顯著下降，1984年Ⅰ號電站(14MW)造價為5979美元/kW，發(fā)電成本26.5美分/kWh；到1990年的Ⅷ號電站(80MW)，造價降至3011美元/kW，發(fā)電成本降到 8.9美分/kWh。因此，拋物面槽式在太陽能豐富的地區(qū)，經(jīng)濟上已能與燃油的火力電站競爭。我國西南電力設(shè)計院曾對西藏地區(qū)以引進Luz公司太陽能熱電站進行估算， 如果考慮設(shè)備的折舊和還貸，太陽能熱電站和火力發(fā)電站的發(fā)電成本均為1.1元/kWh，如果不考慮設(shè)備折舊，僅計入運行和維護費用，則太陽能電站的發(fā)電成本為0.1元/kWh，而火力 發(fā)電站的成本為0.8元/kWh。有人估算過13種太陽熱電站在不同日照射條件下的發(fā)電成本，結(jié)果表明，隨著年產(chǎn)電量的增加，主要是隨著機組容量的增大、 日射強度的增高、部件和系統(tǒng)的進一步改進，發(fā)電成本顯著下降。進而對地中海國家的太陽 能熱發(fā)電應(yīng)用進行過可行性研究，認為太陽能的熱利用在這一地區(qū)具有特殊重要性，具有巨大的市場潛力。一方面，地中海國家技術(shù)水平高、資金雄厚，且有很好的太陽 熱發(fā)電示范和早期商業(yè)化基礎(chǔ)；另一方面，未來幾十年里，地中海國家能源需求量大，每年要新增5～6GW，加之該地區(qū)太陽能資源豐富，年輻射強度大于1700kWh/m\+2的面積達到700 萬km\+2，太陽熱可發(fā)電容量達1200GW，是目前全球電力需求的4倍。所有這一切形成了地中海地區(qū)廣闊的太陽能熱發(fā)電市場。?
2.2太陽能光電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)?
2.2.1太陽能光電已成為全球發(fā)展最快的能源?
50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世，揭開了光電技術(shù)的序幕，也揭開了人類利用太陽能 的新篇章。自60年代太陽電池進入空間、70年代進入地面應(yīng)用以來，太陽能光電技術(shù)發(fā)展迅猛。世界觀察研究所在其最近一期研究報告中指出，利用太陽能獲取電力已成為全球發(fā)展最 快的能量補給方式。報告說，1990年以來，全球太陽能光伏發(fā)電裝置的市場銷售量以年平均 16%的幅度遞增，目前總發(fā)電能力已達800MW，相當(dāng)于20萬個美國家庭的年耗電量太陽能。?
2.2.2提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本是光電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?
當(dāng)前影響光電池大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發(fā)電技術(shù)中，太陽能光 電仍是花費最高的一種形式，因此，發(fā)展陽光發(fā)電技術(shù)的主要目標(biāo)是通過改進現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)，開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率。近年來，光伏工業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，發(fā)展的特點是：產(chǎn)量增加，轉(zhuǎn)換效率提高，成本降低， 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。目前，世界太陽電池年產(chǎn)量已超過150MW，是1944年產(chǎn)量的兩倍還多， 如表2所示。單晶硅太陽電池的平均效率為15%，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的實驗室效率已 達24.4%；多晶硅太陽電池效率也達14%，實驗室最大效率為19.8%；非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率，單結(jié)6～9%，實驗室最高效率為12%，多結(jié)電池為8～10%，實驗室最高效率為11.83 %.。由于 生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)工藝的改進，晶體硅太陽電池組件的制造成本已降至3～3.5美元/W p，售價也相應(yīng)降到4~5美元/Wp；非晶硅太陽能電池單結(jié)售價3~4美元，多結(jié)售價為4～5 美元/Wp。與十年前相比，太陽光電池價格普遍降低20%。最近，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院M?格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換率高達33%，并成功地采用了一種無定形有機材料代替電解液，從而使它的成本比一塊差不多大的玻璃貴不了多少，使用起來也更加簡便?？梢灶A(yù)料，隨著技術(shù)的進步和市場的拓展，光電池成本及 售價將會大幅下降。表4為地面用光伏組件成本/價格的預(yù)測結(jié)果，表5為美國 國家可再生能源實驗室對太陽電池成本與市場的關(guān)系所做的估計。對比表4、表5，可以看出，2010年以后，由于太陽能電池成本的下降，可望使光伏技術(shù)進入大規(guī)模發(fā)展時期。??
表2世界光電組件的產(chǎn)量及年增長率
年份1989199019911992199319941995199619971998
年產(chǎn)量(MW)42.047.054.058.261.070.781.090.612
表3商品化光伏直流組件效率預(yù)測(%)
電池技術(shù)199019952000 2010
單晶硅12151822
澆鑄多晶硅11141620
帶狀硅12141721
聚光器(光電池)17202530
非晶硅(包括疊層電池)5～67～91014
CuInSe\-2-8～101214
CdTe-8～101214
低成本基片硅薄膜-8～101215
球粒電池-101214
表4地面用太陽能電池組件成本/價格預(yù)測(美元)
電池種類\年份 1990199520002010
單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00
多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00
聚光電池3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67
非晶硅3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25
薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CIS?? 2.00/3.331.20/2.000.75/1.25
CdTe? 1.50/2.501.20/2.000.75/1.25?
表5太陽能電池成本與市場的關(guān)系
太陽能電池成本?(美元/峰瓦)可進入的市場
＞6少量應(yīng)用2～5通信、邊遠地區(qū)
1～2城市屋頂系統(tǒng)＜1大規(guī)模發(fā)電
?2．2．3光伏新技術(shù)發(fā)展日新月異?
近年來，圍繞光電池材料、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題，光伏技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異。晶體 硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。限制單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要技術(shù)障礙有：①電池表面柵線遮光影響；②表面光反射損失；③光傳導(dǎo)損失； ④內(nèi)部復(fù)合損失；⑤表面復(fù)合損失。針對這些問題，近年來開發(fā)了許多新技術(shù)，主要有：① 單雙層減反射膜；②激光刻槽埋藏柵線技術(shù)；③絨面技術(shù)；④背點接觸電極克服表面柵線遮 光問題；⑤高效背反射器技術(shù)；⑥光吸收技術(shù)。隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)明了不少新的電池種類，極大地提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，如澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授采用 激光刻槽埋藏柵線等新技術(shù)將高純化晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24.4%，他在1994 年5月表示能用純度低100倍的硅制成高效光電池，約在10年后采用該類電池的太陽能發(fā)電成 本可降至5～8美分/kWh.〔15〕.。光伏技術(shù)發(fā)展的另一特點是薄膜太陽能電池研究取得重大進展和各種新型太陽能電池的不斷涌現(xiàn)。晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率雖高，但其成本難 以大幅度下降，而薄膜太陽能電池在降低制造成本上有著非常廣闊的誘人前景。早在幾年前，澳大利亞科學(xué)家利用多層薄膜結(jié)構(gòu)的低質(zhì)硅材料已使太陽能電池成本驟降80%，為此， 澳大利亞政府投資6400萬美元支持這項研究，并希望10年內(nèi)使該項技術(shù)商業(yè)化。?
高效新型太陽能電池技術(shù)的發(fā)展是降低光電池成本的另一條切實可行的途徑，近年來，一些新型高效電池不斷問世。專家推斷，只要有一二種取得突破，就會使光電池局面得到極大的改觀。?
(1)硒化銅銦(CuInSe\-2,CIS)薄膜太陽能電池.：1974年CIS電池在美國問世，1 993年美國國家可再生能源實驗室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達16.7%，由于CIS太陽能電池具有成 本低(膜厚只有單晶硅的1/100)、可通過增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效率(理論值為單晶30%，多晶24%)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點，各國都在爭相研究開發(fā)，并積極探索大面積 應(yīng)用的批量生產(chǎn)技術(shù)。?
(2)硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池〔18〕：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。研究表明，把1.3ev和1.7ev光 學(xué)禁帶度組合起來的薄膜非晶硅與多晶硅串聯(lián)電池轉(zhuǎn)換效率最高。它具有成本低、耗能少、工序少、價廉高效等優(yōu)點
(3)用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池〔19〕：Ⅲ-Ⅴ族化合物(如GaAs,InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉(zhuǎn)換效率 提高到35%以上。而這種多層結(jié)構(gòu)很容易用CBE法制作，并能以低于1美元/Wp的成本獲得超高效率。?
(4)大面積光伏納米電池：1991年瑞士M.Grtzel博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組 ，用納米TiO\-2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。計算表明，可制造出轉(zhuǎn)換效率至少為12%的低成本電池。這種電池為大面積應(yīng)用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。?
2.2.4各國的光伏計劃雄心勃勃?
隨著太陽能光電技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化發(fā)展，太陽能光電技術(shù)的推廣應(yīng)用有了長足的進展 。目前，已建成多座兆瓦級光伏電站，最大的是位于美國加州的光伏電站，容量為6.5MWp，現(xiàn)正在希臘克里特島建造的一座陽光電站，容量為50MW.p，估計2003年可建成供電，總投資1775萬美元新能源，1997，19(2)：23。而在美國準備建造的另一座電站規(guī)模將達到100MW.p，已與太陽能熱發(fā)電站容量相匹敵。除此之外，一些國家推出的屋頂 計劃將更引人注目，顯示了陽光發(fā)電的廣闊應(yīng)用前景和強大的生命力。1990年，德國政府率先推出的“千頂計劃”，至1997年已完成近萬套屋頂光伏系統(tǒng)，每套容量1～5kW.p，累計安裝量已達33MW.p，遠遠地超出了當(dāng)初制定的計劃規(guī)模。日本政府從1994年開始實施“朝日七年計劃”，計劃到2000年安裝16.2萬套屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘窟_185MW.p，1997年又再次宣布實施“七萬屋頂計劃”，每套容量擴大到4kW.p，總?cè)萘繛?80MW.p。印度于1997年12 月宣布在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。意大利1998年開始實施“全國太陽能屋頂計劃”，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_50MW.p。而最雄心勃勃的屋頂計劃當(dāng)屬1997年6月美國總統(tǒng)克林頓宣布實施的美國“百萬屋頂計劃”，計劃從1997年開始至2010年，將在百萬個屋頂上，安裝總?cè)萘窟_到3025MW.p的光伏系統(tǒng)，并使發(fā)電成本降到6美分/kWh。上述各國屋頂計劃的實施，將有力地促進太陽能光電的應(yīng)用普及，使太陽能光電進入千家萬戶。?
與此相呼應(yīng)，當(dāng)前世界上實力雄厚的10家光伏公司，雖然目前的生產(chǎn)能力都不大，但都有雄心勃勃的擴展計劃。各公司年產(chǎn)目標(biāo)為：Kyocera公司和夏普公司60MW，BP太陽能公司50MW ，西門子公司和Solarex公司30MW，殼牌/Pilington公司和ASE公司25MW，Photo wott公司， AP公司和三洋/Solec公司15MW。據(jù)美國Spire公司預(yù)測，2003年世界光電池的生產(chǎn)能力將達 到350MW，而2010年的光電池組件交易量將達到700～4000MW/年?。?
光伏技術(shù)發(fā)展的趨勢，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各 種新型太陽能光電池的發(fā)展。應(yīng)用上將從屋頂系統(tǒng)突破，逐步過渡到與建筑一體化的大型并網(wǎng)光伏電站的發(fā)展。?
2.3太陽能光電制氫?
70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽光輻照下TiO2之類寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門新興學(xué)科--光電化學(xué)。隨著光 電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗的發(fā)展，使得太陽能制氫成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。?
1995年，美國科學(xué)家利用光電化學(xué)轉(zhuǎn)換中半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面產(chǎn)生的隔柵電壓，通過固定兩個光粒子床的方法，來解決水的光催化分離問題取得成功〔22〕。其兩個光粒子床概念的光電化學(xué)水分解機制為：?
H2的光反應(yīng)4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+?
O2的光反應(yīng)4OH-+M+→O2+2H2O+4M°?
凈結(jié)果為：2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質(zhì))?
近來，美國國家可再生能源實驗室還推出了一種利用太陽能一次性分解成氫燃料的裝置。該 裝置的太陽能轉(zhuǎn)換率為12.5%，效率比水的二步電解法提高一倍，制氫成本也只有電解法的 大約1/4。日本理工化學(xué)研究所以特殊半導(dǎo)體做電極，鉑對極，電解質(zhì)為硝酸鉀，在太陽光照射下制得了氫，光能利用效率為15%左右。?
在太陽能制氫產(chǎn)業(yè)方面，1990年德國建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資4 800萬美元，在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500kW太陽能電站制氫，用光伏-電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氧化物的形式貯存起來，保證運輸?shù)陌踩履茉?。?0年代以來，德、英、日、美等國已投資積極進行氫能汽車的開發(fā)。美 國佛羅里達太陽能中心研究太陽能制氫(SH)已達10年之久，最近用SH作為汽車燃料-壓縮天然氣的一種添加劑，使SH在高價值利用方面獲得成功，為氫燃料汽車的實用化提供了重要基礎(chǔ)。其他，在對重量十分敏感的航天、航空領(lǐng)域以及氫燃料電池和日常生活中 “貯氫水箱”的應(yīng)用等方面氫能都將獲得特別青睞。
由于氫是一種高效率的含能體能源，它具有重量最輕、熱值高、“爆發(fā)力”強、來源廣、品 質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點，因此，隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳氫化合物能源將是21世紀的一個重要發(fā)展趨勢。
工商網(wǎng)監(jiān)
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