非晶硅電池板在光伏建筑一體化（BIPV）上的應用

1、前言
　　中國是全球人均能源保有量最低的國家之一，但人均能源消費量居世界第二，中國的經濟總量排名世界第三，但電力消耗卻緊次于美國； 能源的緊缺成為中國乃至世界各國家發(fā)展的主要問題，解決能源緊缺的問題成為各國首當其沖的任務。化石能源的資源的有限性和開發(fā)利用帶來的環(huán)境問題嚴重制約著經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展?？稍偕茉促Y源豐富、分布廣泛、環(huán)境影響小、可持續(xù)利用。加快可再生能源的開發(fā)利用是解決我國能源和環(huán)境問題的重要途徑和措施。中國和世界常規(guī)能使用及規(guī)劃見下圖源；

　　我國是耗能大國，建筑能耗占全社會總能耗的25%，其中建筑采暖、空調、照明占14%，建筑建造能耗為11%，今后比例還可能有所上升，因此，我國政府在“十一五”規(guī)劃綱要(草案)中，明確提出我國將建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。規(guī)劃綱要中提出，到2010年，GDP單位能耗要降低20%，為此，可再生能源，特別是太陽能的有效利用，將對我國的能源結構產生深遠的影響。節(jié)能的65%主要由建筑圍護系統(tǒng)承擔,因此，通過建筑一體化設計，更廣泛的推廣使用光電幕墻有著重要的意義。

　　2、光電的發(fā)展歷史
　　早在1839年，法國科學家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。1954年，美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發(fā)電技術。太陽電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應，就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。即當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓，使PN結短路，就會產生電流。

　　光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯(lián)后進行封裝保護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。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;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輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設同期短的優(yōu)點。
　　光伏發(fā)電的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀自從1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程簡列如下： 1893年 法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”，即“光伏效應”。1930年朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1941年 奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應。 1954年 恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。 1955年 吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優(yōu)化設計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。 1957年 硅太陽電池效率達8%。 1958年 太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1990年 德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。 1995年 高效聚光砷化鎵太陽電池效率達32%。 1997年 美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”，在2010年以前為100萬戶，每戶安裝3~5kWp。自1996年以來，世界光伏發(fā)電高速發(fā)展。表現(xiàn)在幾種主要太陽電池效率不斷提高，總產量年增幅保持在30%~40%，1998年已達200MWp/a；應用范圍越來越廣，尤其是光伏技術的屋頂計劃，為光伏發(fā)電展現(xiàn)了無限光明的前途。

　　3、太陽能電池的發(fā)展歷史
　　從光電池的發(fā)展歷史來劃分，目前將太陽能電池分為以下幾類，晶體硅電池、非晶體硅電池以及其它各種不同的半導體材料的化合物的電池。主要的材料有：GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、CuInSe2(CIS)、CuInGaSe2(CIGS)等。晶體硅電池又分為單晶硅電池和多晶硅電池；非晶硅電池是在硅中加有其它半導體材料，不用提純、切片等復雜的生產加工工序。
　　以上幾類光電池，按照各自不同的特點，有各自最為適合的使用范圍，單晶硅電池和多晶硅電池可以用于建造獨立的光伏電站。而非晶硅電池以其獨特的美觀性能、穩(wěn)定可靠的發(fā)電性能、經濟低廉的成本和設計選型的多樣性，能夠比較完美的實現(xiàn)光電一體化（BIPV）。

　　4、非晶硅電池在建筑物上運用的優(yōu)勢
　　（1）材料和制造工藝成本低。每平米的造價約低40%左右。這是因為生產工藝更簡化，能耗更低，硅薄膜僅有數(shù)千埃厚度，昂貴的純硅材料用量很少。同時襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。

　　（2）易于形成大規(guī)模生產能力。這是因為核心工藝適合制作持大面積無結構缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)PIN結以及相應的迭層結構；生產可全流程自動化。
　?。?）品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽電池易子實現(xiàn)集成化。器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產品。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合用于建筑物的安裝。
　?。?）具備弱光發(fā)電的性能，這是由于光吸收系數(shù)高，暗電導，非晶硅材料的價帶電子的能級較低，在太陽輻射強度很低時就具備了發(fā)電性能，也就是，該性能使得非晶硅薄膜電池受風沙、雨雪等天氣的影響很小，年發(fā)電天數(shù)達320天左右，日發(fā)電最長時間可以從早上6點延續(xù)到晚上7點。日發(fā)電達到13小時左右。
　?。?） 非晶硅薄膜電池具有透光性，透光度可從5%到75%，當然，隨著透光性的增加，光電池的轉化效率會隨著下降，運用到建筑上的最理想的透光度為25%。

　?。?）由于a-Si材料的先帶隙比單晶硅和多晶硅寬，因此a-Si太陽電池的功率輸出不明顯依賴電子溫度。在實際工程運用之中，承受的工作溫度晶體硅要高。