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銅銦鎵硒太陽能電池(GIGS )在光伏建筑一體化(BIPV)的應(yīng)用

來源:09年會(huì)論文集  作者: 黎威林  日期:2009-4-22
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摘要:本文介紹了光伏建筑一體化(BIPV)最新的發(fā)展和未來的前景,重點(diǎn)介紹銅錮稼硒太陽能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r。
關(guān)鍵詞:光伏建筑一體化Binding Integrated Photovoltaica ( BIPV) ;光電幕墻photoelectrieity curtain wall;晶體硅電池crystal silicon cell;非晶硅電池amorphous silicon cell
  1.前言
  光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。因?yàn)殛柟馄照沾蟮兀夥l(fā)電較少受地域限制;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的應(yīng)用。(如圖1.1-1.4)

  2.太陽能電池板種類介紹
  自從1954年第一塊光伏電池問世以來,太陽光伏發(fā)電取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但比計(jì)算機(jī)和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。因?yàn)槿藗儗?duì)信息的追求特別強(qiáng)烈,而常規(guī)能源還能滿足人類對(duì)能源的需求。1973年的石油危機(jī)和90年代的環(huán)境污染問題大大促進(jìn)了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。在21世紀(jì)的今天,隨著科技的飛速進(jìn)步,太陽光伏發(fā)電呈多極化發(fā)展,相互之間也逐漸進(jìn)人良性競(jìng)爭(zhēng)循環(huán)。目前太陽能電池主要分兩大類:晶圓型和薄膜型。晶圓型主要有單晶硅多晶硅、GaAs,(CIS.CIGS)薄膜型主要有非晶硅(a-Si)、微晶硅下面是各種太陽能電池的轉(zhuǎn)換率比較〔圖2.1,2.2):

  3.銅銦鎵硒(GIGS )一太陽能電池的第三次技術(shù)革命
  在30多年前,因?yàn)榫w硅太陽能電池的出現(xiàn),有了太陽能電池的第一次技術(shù)革命。從發(fā)明至今,晶體硅一直作為光伏發(fā)電市場(chǎng)的主導(dǎo)者,雖然目前在航天、通訊及微功耗電子產(chǎn)品領(lǐng)域中已占據(jù)了不可替代的位置,但作為社會(huì)整體能源結(jié)構(gòu)的組成部分所占比例尚不足1%。

  盡管技術(shù)工藝上不斷改進(jìn),但晶體硅電池的內(nèi)在缺點(diǎn)—原材料成本高,資金效率低始終無法解決。由于硅不能強(qiáng)有力地吸收光能,所以制造晶體硅太陽能電池需要大量的半導(dǎo)體材料,而且晶片容易碎。所以晶體硅電池的生產(chǎn)加工工藝一直都無法適應(yīng)大規(guī)模的工廠化生產(chǎn)。

  在10多年前,隨著第一個(gè)商用“薄膜”太陽能電池誕生,標(biāo)志著太陽能第二次技術(shù)革命的到來。它采用了新型的無硅半導(dǎo)體材料,降低了太陽能電池的材料成本,而且此類電池的吸收體(半導(dǎo)體)厚度比硅晶片電池更薄。

  然而,太陽能第二次技術(shù)革命不能徹底改變太陽能電池總體成本高,資金效率低的狀況。薄膜沉積技術(shù)的真空限制導(dǎo)致處理成本過高。因此,利用真空薄膜沉積技術(shù)生產(chǎn)的太陽能電池始終無法替代晶體硅電池。

  自20世紀(jì)90年代中后期以來,薄膜型太陽能電池呈多極化發(fā)展,其中的CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池由于材料有近似最佳的光學(xué)能隙(Eg)、吸收率高(105/cm)、杭輻射能力強(qiáng)和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性等特點(diǎn),被國(guó)際上稱為最有希望獲得大規(guī)模應(yīng)用的太陽能電池之一。近年來,CIGS技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。先是CIGS電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率再創(chuàng)新高,美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)2008年3月28日公布其GIGS電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率再度刷新其原先締造的19.5%的歷史紀(jì)錄,達(dá)到19.9%,使得GIGS電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步逼近多晶硅電池的20.3%。同時(shí)CIGS的制備方法也不斷的成熟。GIGS太陽電池的結(jié)構(gòu)主要包括GIGS薄膜、緩沖層US薄膜、口層ZnO和ZnO:Al薄膜(見圖3.1),其核心是作為吸收層的GIGS薄膜。GIGS薄膜的制備以往有兩種技術(shù)路線,即共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。共蒸發(fā)法特點(diǎn)是薄膜質(zhì)量好,容易實(shí)現(xiàn)元素的梯度分布,電池轉(zhuǎn)換效率高,但是該方法對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格,蒸發(fā)過程不容易控制,大面積均勻性與連續(xù)化生產(chǎn)難度很大。濺射后硒化法是先按照元素比例濺射沉積金屬預(yù)制層,在Se氣氛中硒化反應(yīng)形成銅銦硒(簡(jiǎn)稱CIS)或銅銦鎵硒(簡(jiǎn)稱CIGS)化合物半導(dǎo)體薄o雖然目前a射后硒化法制備的電池轉(zhuǎn)換效率低于共蒸發(fā)法,但它是相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工亞化生產(chǎn)的技術(shù)途徑,該方法制備的大面積GIGS薄膜均勻性好,設(shè)備和工藝比較容易實(shí)現(xiàn)。濺射后硒化法工業(yè)化一般使用固態(tài)硒顆粒為硒源,其有效避免了采用硒化氫(H2Se)為硒源產(chǎn)生的H2Se氣體劇毒,易燃易爆,安全性不好,價(jià)格昂貴.運(yùn)輸儲(chǔ)存困難等缺點(diǎn)。

  2008年,CIGS薄膜太陽能電池出現(xiàn)沉積新方法,它使用了納米顆粒油墨,運(yùn)用簡(jiǎn)單的印刷方法來制備CIGS薄膜太陽能電池,此種制備方法目前能生產(chǎn)出轉(zhuǎn)換效率接近14%的薄膜。該工藝避免了需采用高真空腔室以及基于高真空的沉積技術(shù)。它的出現(xiàn),代表著太陽能第三次技術(shù)革命的到來。

  太陽能第三次技術(shù)革命繼承了第二次技術(shù)革命的優(yōu)點(diǎn),而且從根本上進(jìn)行變革,它通過粒子墨水、半導(dǎo)體印刷、導(dǎo)電底層、roll-to-roll加工、低成本的上電極、成型電他裝配、大電流面板這七項(xiàng)基本技術(shù)革新來使太陽能電池板和太陽能體系的成本大大減少,而且年產(chǎn)能力已達(dá)1GW.
  4.光伏建筑一體(BIPV)

  以太陽能電池板為建筑材料,進(jìn)行建筑物外觀構(gòu)造設(shè)計(jì),達(dá)到建筑與發(fā)電之雙重功能,稱為BIPV,從零四年以來,BIPV這個(gè)詞越來越多的出現(xiàn)在幕墻行業(yè)中,有人也稱其為“光伏建筑一體化”。目前很多幕墻公司只是簡(jiǎn)單把光電他板塊取代原來的玻璃板塊,或者將其作為獨(dú)立的體系安裝在幕墻之外,其實(shí)都不能完全體現(xiàn)BIPV的真正含義。

  BIPV需要的是建筑的總體規(guī)劃設(shè)計(jì),在建筑規(guī)劃的時(shí)候就要考慮環(huán)境,需求等一系列間題。BIPV經(jīng)常面臨的間題有:

  (1)繁華市區(qū)大樓林立擁擠,彼此是否遮蔽了陽光的照射量
  (2)建筑物坐落的緯度、方位,以及環(huán)境干擾因素
  (3)與建筑物結(jié)合一體,除需互相遷就外,設(shè)計(jì)與施工均較復(fù)雜,技術(shù)要求度很高。

  (4)價(jià)格仍相當(dāng)昂貴。   (5)晶體硅模板背部因通風(fēng)較差,溫度可能上升至Sa1C或更高,導(dǎo)致發(fā)電效率降低10%以上。

  (6)大部分采取垂直設(shè)置,將減少約40%的發(fā)電量。

  (7)當(dāng)陰影遮蔽一片模組的一部分時(shí),將減少整片模組及其他串聯(lián)模組的發(fā)電量。 這些問題需要在做BIPV前仔細(xì)的研究,看建筑物是否適合,不能勉強(qiáng)。

  建筑在做BIPV規(guī)劃的時(shí)候,一般需要考慮:

  (1)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境、入文、景觀等地方風(fēng)貌需能互相搭配結(jié)合。

  (2)安全 固定
  (3)發(fā)電性(主要功能)—使生活與用電密切結(jié)合
  (4》建筑藝術(shù)與創(chuàng)意設(shè)計(jì)
  (5)節(jié)能考慮—通風(fēng)、排氣、散熱、采光、透光
  (6)功能考慮—照明、抽水、空調(diào)
  目前BIPV一般常用的建筑部位有屋頂、風(fēng)雨棚、立面幕墻、大型遮陽百葉等位置,每種位置者隋它自身的特點(diǎn)。

  屋頂—對(duì)于建筑物的外觀影響最少的一種BIPV方法
  傳統(tǒng)屋頂一般均為深色不透明材料,太陽能電池板能夠很好的和屋頂結(jié)合。即使是現(xiàn)代很多建筑采用的直立鎖邊屋面板系統(tǒng),只要BIPV配置合理,也會(huì)有很好的效果。最常用的屋頂BIPV形式是玻璃采光頂。一般會(huì)把光電板加工到玻璃里面,然后通過申聯(lián)并聯(lián)將面板最終連接到逆變器。以下是采光頂光電板的一般節(jié)點(diǎn)做法:

德國(guó)萊比錫尼古拉教堂,作為德國(guó)一座古老的教堂,教主提出“保護(hù)造物,使用陽光發(fā)電”的信念,正式這個(gè)與自然和解的愿望,當(dāng)時(shí)遭到了多方面的反對(duì)與質(zhì)疑,在一連串的努力與溝通后,在教區(qū)主教、執(zhí)事與聯(lián)邦政府古跡保護(hù)委員會(huì)的允諾下,這項(xiàng)將太陽能發(fā)電結(jié)合在歷史性建筑物上的跨領(lǐng)域計(jì)劃才得以貫徹執(zhí)行。最后將原來的40平米斜屋頂全部換成深色太陽能光電板,并網(wǎng)發(fā)電,既保留了原建筑的整體風(fēng)格,又宣示了教主的信念。他的成就不僅在于發(fā)電的多寡,更在于教區(qū)、教堂執(zhí)事在尊重歷史建筑、在保護(hù)造物、在與大自然和解上,所愿意付出的努力與溝通。

  其他著名教堂BIPV簡(jiǎn)介:

  (1)斯圖加圣禾維西教堂—擁有最大的屋頂面積420平米,在教堂的南面屋頂,整片覆以薄膜晶片模組。

  (2)德東文化古都德瑞斯登—在教區(qū)與古跡保護(hù)局的折沖下,采用廠商特別制造的“整合于建筑形式內(nèi)的模組”,讓歷史建筑披上太陽光電外衣。其中,圣安東尼教堂裝置3.45kWP,在2002年獲得德國(guó)"21世紀(jì)議程之表?yè)P(yáng)。

  風(fēng)雨棚—廣泛應(yīng)用于鐵路站房建設(shè)
  風(fēng)雨棚作為鐵路站房建設(shè)的一部分,使用BIPV有以下優(yōu)勢(shì):

  (1)覆蓋面積大,而且擁有最理想的太陽輻射
  (2)外觀形狀單一規(guī)整,方便太陽能板的自由布設(shè)
  (3)逆變器布設(shè)也非常自由,既可以使用集中式方便控制,又可以使用分散式減少損耗
  (4)由于風(fēng)雨棚的開放式構(gòu)造,使日后的維護(hù)和檢修非常方便
  風(fēng)雨棚BIPV的一般節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造:(圖4.5)
  以下是國(guó)內(nèi)一些站房工程的介紹:

  青島火車站站房改造工程—其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為整個(gè)改造計(jì)劃的一部分,充分

  第十三條國(guó)家鼓勵(lì)和支持可再生能源并網(wǎng)發(fā)電。

  第十四條電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)當(dāng)與依法取幣別于政許可或者報(bào)送備案的可再生能源發(fā)電企業(yè)簽訂并網(wǎng)協(xié)議,全額收購(gòu)其電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電量,并為可再生能源發(fā)電提供上網(wǎng)服務(wù)。

  第十七條國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)。

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