太阳能光伏发电与光热发电技术现状及发展前景综述.docxVIP

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太阳能光伏发电与光热发电技术现状及发展前景综述

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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GaAs纳