太阳能的利用及发展前景

　　3000年前的西周时期,就已经有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是 形似凹面镜的金属圆盘， 对着太阳聚光， 在聚光点点燃艾绒等易燃物， 取得火种。 这是一种最古老的太阳能聚光器。 而早在两千多年前的战 国时期，中国古代劳动人民就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点 火;利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日趋 广泛，技术日趋成熟。它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用 和太阳能的光化学利用等。 现在， 不论当你走在充满乡土气息的郊区， 还是走在及具现代化 色彩的大城市， 你都随处可见一架架整齐的排列在楼顶的各种品牌的 太阳能热水器。是的，太阳能的清洁，廉价，高效，取之不尽，用之 不竭是我们大家有目共睹的， 那么现在就让我们来讨论以下有关太阳 能及其利用方面的一些知识。

　　一、我们为什么要推广使用太阳能?

　　随着我们赖以生存的地球上传统能源燃料(例如：电力，煤炭，石油)的一天天减少甚至不断趋于枯竭，以及煤炭，石油等非可再生 的传统燃料的燃烧对我们生存环境造成的日益严重危害 (例如全球气 候变暖，空气污染) 。同时，全球还有二十亿的人口得不到正常的能 源供应。当能源问题日益成为制约国际社会经济可持续发展的瓶颈 时， 全世界都把目光投向了寻找一种可再生能源， 希望可再生能源能 够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。 此时，人们自然而然的把目光投向了自然界中常见的，廉价的， 而又不被被人们重视的一些可再生能源，如风能，太阳能，水能，潮汐能，地热能，生物能等，而在这之中太阳能以其独有的清洁性，廉 价性， 高效性， 储量丰富而又取之不尽成为人们关注的焦点。 事实上， 太阳能是地球上最根本的能源， 煤， 石油中的化学能是由太阳能转化 而成的，风能，生物能，海洋能等究其根源也是来自太阳能。而且， 最重要的是太阳能是唯一人们能够自由利用的资源。 太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假如把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%，每年发电量可达 5.6×1012 千 瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍。这个数据的确非常惊人。 那么既然太阳能的发电量如此之可观， 我们应该怎样有效的利用这一 大自然给于我们的馈赠呢?

　　二 、我国大规模发展太阳能发电的优势及劣势

　　1、 我国大规模发展太阳能发电的优势

　　我国地处北半球，大部分地区位于北纬 45°以南，年平均日辐射 量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时, 年日照时数大于 2000 小时，与青海，新疆，宁夏，甘肃，内蒙等地 的总辐射量和日照时数同为全国最高， 属世界太阳能资源丰富地区之 一。我国陆地表面每年接收到的太阳能辐射能约为 5×10 焦，相当 于 2.4 万亿吨标准煤，因而太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。

　　2、我国大规模发展太阳能发电的劣势

　　　尽管我国有着很好的太阳能资源和太阳能电池的制造能力， 但我国太 阳能光伏产业的整体水平与发达国家还有很大的差距，这主要表现 在： 太阳能光伏产业链的上游即多晶硅原料的生产严重依赖进口自给率仅为 2.6%;半导体级硅材料短缺导致光电池价格居高不下，而 太阳能级硅料存在巨大的成本下降空间。太阳能光伏产业的市场还很小。

　　虽然目前已经在偏远地区通过“送电到乡”等国家工程推广了一些户 用光伏发电系统和小型光伏电站，解决了部分无电地区的供电问题， 但是由于太阳能光伏发电的成本较高， 全国目前太阳能发电的确规模 还是很小，很难将太阳能发电普及。

　　三、太阳能电池的材料和分类

　　制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同， 太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓 III-V 化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分 子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。

　　1、 硅系太阳能电池

　　单晶硅太阳能电池

　　硅系列太阳能电池中， 单晶硅大阳能电池转换效率最高， 技术也最为 成熟。 现在单晶硅的电池工艺己近成熟。 国内北京太阳能研究所也积 极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发。 单晶硅太阳能电池转换 效率无疑是最高的， 在大规模应用和工业生产中占据主导地位， 但由 于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响， 致使单晶硅成本 价格居高不下，想大幅度降低其成本是非常困难的。 5

　　多晶硅薄膜太阳能电池

　　多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又没有效率衰退问 题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池， 而效率高于非晶硅薄膜电池， 因此， 多晶硅薄膜电池不久将会在太阳 能电地市场上占据主导地位。

　　非晶硅薄膜太阳能电池

　　开发太阳能电池的两个关键问题就是： 提高转换效率和降低成本。 由 于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低， 便于大规模生产， 普遍受到人们 的重视并得到迅速发展。 但是它在实际应用中还存在一些诸如稳定性 和转化率较低等问题，如果能进一步解决这些问题，那么，非晶硅太 阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

　　2、 多元化合物薄膜太阳能电池

　　为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太 阳能电池外， 又不断研制其它材料的太阳能电池。 其中主要包括砷化 镓 III-V 族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。这几种电 池尽管效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低， 并且也易于大规模生产， 但由于镉有剧毒， 会对环境造成严重的污染， 因此，它并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代品。砷化镓 III-V 化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率而成为很理想的 电池材料。

　　3、 聚合物多层修饰电极型太阳能电池

　　在太阳能电池中以聚合物代替无机材料的原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料(电极)表面进行多层复 合，制成类似无机 P-N 结的单向导电装置。 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， 从而对大规模利用太阳能， 提供廉价电能具有重要意义。

　　4、 纳米晶化学太阳能电池

　　在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的， 但由于成本居 高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在 工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索.但由于此类电池的研究 和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

　　四、太阳能电池的工作原理

　　太阳能电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电力 之一种无污染之可再生能源， 与一般的电池不同的是，太阳 能电池是将太阳能转换成电能 的装置，且不需要透过电解质来传递导电离子， 而是改采半导体产生 PN 结来获得电位。 当光线照 射太阳能电池表面时， 一部分光子被硅材料吸收; 光子的能量传递给 了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形 成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流 过外部电路产生一定的输出功率。 这个过程的实质是： 光子能量转换 成电能的过程。因此，太阳能电池需要阳光才能运作，所以大多是将 太阳能电池与蓄电池串联， 将有阳光时所产生的电能先行储存， 以供 无阳光时放电使用。

　　五、太阳能的发展前景

　　从世界范围内看， 绿色能源和可持续发展问题是二十一世纪人类面临的两个重大课题， 在有限资源和环境保护严格要求的双重制约下 发展经济已成为全球热点和难点问题。而这其中能源问题将更为突 出， 这不仅仅表现在常规能源的匮乏， 更重要的是化石能源的开发利 用带来了一系列诸如环境污染，温室效应等问题。目前的环境问题， 很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的。 因此， 人 类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规 模地开发利用可再生的清洁能源。 从中国国内情况来看，能源也是国民经济发展的重要基础之一。 随着国民经济的发展， 能源变的越来越缺乏， 能源安全及能源在国民 经济中的地位越显突出。 但我国是世界上少数几个能源结构以煤为主 的国家之一， 也是世界上最大的煤炭消费国， 燃煤造成的环境污染日 益突出。目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等造成温室效应的气体的排放量也位居世界前列。 从我国目前能源生 产及能源消费的实际状况出发， 发展新能源及高效节能的技术及产品 是保证我国可持续发展的重要条件。2006 年是实施“中华人民共和 国可再生能源法” 的第一年。 可再生能源法的制订为我国可再生能源 的发展提供了法律上的保证， 这将极大地促进我国可再生能源产业的 发展。 同时国际的油价上涨和世界范围内对可再生能源产业的积极支 持， 为我国可再生能源产业的发展带来了前所未有的机遇。 中国应该 吸取经验教训， 改变过度依赖化石能源的能源结构， 积极发展可再生 能源，真正意义上实现人类与自然的和谐发展。 如此看来， 太阳能发电作为一种取之不尽， 用之不竭的清洁环保 能源将在二十一世纪得到前所未有的发展。 尤其是太阳能电池在使 用中不会释放包括二氧化碳在内的任何有害气体， 这将极大的改善生 态环境、 解决地球温室效应的问题， 因此太阳能电池有望成为二十一 世纪的主导新能源，并终将在世界能源结构中占有一席之地。 　　

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