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摘 要： 摘 要：不可再生資源的快速消耗與環境污染等問題給人類的未來工業發展帶來了新的挑戰，隨著人類對可再生能源的越發重視，太陽能發電技術被認為是解決能源危機的一種有效思路。本文重點闡述了光伏發電和光熱發電原理、分類、特點，及優缺點，指出了不同的光伏
摘 要：不可再生資源的快速消耗與環境污染等問題給人類的未來工業發展帶來了新的挑戰，隨著人類對可再生能源的越發重視，太陽能發電技術被認為是解決能源危機的一種有效思路。本文重點闡述了光伏發電和光熱發電原理、分類、特點，及優缺點，指出了不同的光伏發電材料在近年來的研究進展，對硅系、無機型、有機型光伏發電材料及石墨烯、鈣鈦礦等新一代光伏發電材料的研究現狀進行了綜述，并分析了其發展前景。
關鍵詞：太陽能發電;光伏發電;光熱發電;光伏發電材料
0 引言
能源是各國經濟發展和繁榮的重要因素，目前全球大部分能源仍來自化石燃料，但是對化石能源的持續開采導致了能源危機的產生，開發無污染、可再生的新能源成為了全球大多數國家的共識。其中對風能，地熱能，核能和太陽能等新能源的開發和利用成為國際前沿科學的研究熱點。其中，太陽能是一種穩定且用之不竭的清潔綠色能源，每天以1.2×105MW 的能量落在地球表面，總能量相當于全世界 20 年 的總能源消耗量，具有滿足日益增長的世界電力需求的巨大潛力。與其他清潔能源相比，如核能，水電等相比，太陽能具有獲取更加容易、安全無害、不產生污染等特點。因此，太陽能發電日益成為世界新能源產業中規模數量增長最多、成果顯著的重要技術。根據原理不同，太陽能發電主要分為光伏發電和光熱發電。其中，我國在分布式光伏發電在政策和資金上給予了很大的支持和鼓勵，為推進太陽能發電產業的發展進程以及中國能源補給和環境保護貢獻了重要力量。
1 光伏發電技術
1.1光伏發電技術的產生與原理
1954 年，美國科學家皮爾松在貝爾實驗室首次制成了光電轉化效率6%，能夠實際使用的單晶硅太陽能電池，這意味著將太陽能轉換為電能的能夠面向市場的光伏發電技術正式產生。
光伏發電技術采用的是直接將太陽光的輻射轉化為電能的發電模式，利用了半導體 PN 結的光生伏特效應當太陽光照射在 PN 結上時，部分光被反射，其余部分或變成熱能，或使光子與半導體的原子價電子發生碰撞形成空穴電子對。由于存在擴散運動，P 區帶正電，N 區帶負電，PN 結兩端產生電勢差，如果將多個電池串聯或并聯在一起，接通外電路就會形成電壓和電流，太陽能便被轉化為電能[1]。
與光熱發電相比，光伏發電不會受到水資源約束，這是因為光伏發電的過程中不需要添加冷卻水，光伏發電的可利用太陽輻射總量，不僅包含有法向直射，還包含有漫射輻射，所以，光伏發電相比較于光熱發電，可以更加充分地利用太陽能資源，即使太陽輻射程度比較低的情況下，也能正常發電，對整個發電系統的影響力度比較小。從全球范圍內的太陽輻射總量看來，適合光伏發電的地區較為廣泛，主要集中在南緯和北緯的40°以內的地區。此外光伏發電采用模塊化結構，體積小，對地形要求低，跟進一步促進其推廣。
1.2 光伏發電技術的分類
與光伏發電材料的光電性能是光伏發電轉換效率的直接影響 ，依據光伏材料的不同，光伏發電可以分為四類：(1)硅系類，其又包括單晶硅與多晶硅，其制備技術在光伏發電材料中發展時間最長，工業化制備工業相比較最為成熟;(2)無機型化合物，主要由III-IV 族化合物組成，例如銅銦硒太陽電池;(3)有機型化合物，被稱為“有機光伏”。有機小分子太陽能光伏材料具有重量輕、低成本、化學穩定性好且制備方便等優勢，但其遷移率較低因此，所以現在還未投入大規模的商用過程中。(4)其余新型光伏材料，如石墨烯。
1.2.1硅系類材料
硅系類材料主要分為單晶硅和多晶硅。單晶硅是目前工業生產和人類生活中大量推廣使用的光伏發電材料，單晶硅光伏發電的工作原理一般歸納為四個轉換過程：①需要陽光照射，通常是單色、陽光，或者為模擬狀態的太陽能光源;②將光子注入單晶硅形態的半導體中，使其激活電子狀態的空穴對，在其死去分開之前，此種電子洞具備充足的生命[2];③具備靜電場，靜電場具有將電子洞分開的功能，形成電子集中一側，而洞集中于另一側的現象，諸多單晶硅材料的太陽能電池在進行使用時，P-N 結對電子孔進行分離，實現阻擋層的效果，PN 結屬于單晶硅材料太陽能電池核心部分;④對電子與孔進行分離，運用電極采集，并輸出于電池體外，逐漸形成電流。并且利用單晶硅微納結構處理和微區化學摻雜可有效改善其光電轉換性,有諸多研究者系統地研究了硅微納結構提高光電轉換率對單晶硅光伏發電材料。
1.2.2無機型材料
III-IV 族化合物半導體光伏材料具有直接帶隙和擁有較寬的太陽光吸收波段等優點，非常適合用于光伏發電材料。此外，地球礦物中上富含的 Cu，In，Se 和 Zn 等元素，可用材料來源廣，能夠有效控制生產成本，加工效益高。目前，已有 Liang等以金屬基板為襯底與Ga As納米晶層復合,制備了具有良好吸光性、較高載流子收集率、較高光電轉換率且呈納米狀的太陽能光伏發電材料。因此，無機型光伏材料逐漸受到研究人員的關注。
其主要的研究進展有銅銦硒太陽電池(CIS)作為一種多晶薄膜電池在20世紀80年代逐漸發 展起來。鑒于 CIS 電池其成本低、效率高、非常類似于單晶硅太陽電池的穩定性與空間抗輻射性等多種優異特點，受到了全世界光伏工作者普遍關注。德國太陽能技術研究所經過10余年的研究，開發出了一種新技術，即新型薄膜太陽能電池，該技術采用電沉積連續制備工藝，在銅箔上制作出了用于薄膜太陽能電池的帶卷，再通過一種非常特別的封裝工藝組裝成具有柔軟特性的太陽能電池。日本研究所發明了一種低成本，安全耐用的復合物半導體薄膜作為吸收層，替代原來的稀有金屬材料的 CIS 電池基，利用太陽光譜頻寬提高轉換效率。此外，以納米 TiO2 為主的薄膜太陽電池，因為其工作原理獨特，生產成本低廉而引起了世界廣泛關注。
1.2.3有機型材料
在光伏領域，出現了一種以有機材料為基礎的新的太陽能電池，被稱為“有機光伏”。有機小分子太陽能光伏材料具有重量輕、低成本、化學穩定性好且制備方便等優勢，但其遷移率較低，提高有機小分子光電材料的轉換效率是研究的重點。
Janssen 等首次將苝酰亞胺衍生物作為N 型半導體材料，以低聚亞苯基亞乙烯基 (OPV) 作為 P 型半導體材料，制備了一類P-N 交替的共聚物，然而該類材料的電荷傳輸速率低。雖然二酰亞胺類材料具有在可見光區吸收強、電子親和能較高、廉價、光和熱穩定性較高等優點，但其電荷傳輸效率低限制了其在聚合物太陽能電池方面的廣泛使用。
1.2.4新型光伏發電材料
新型發電材料主要以石墨烯和鈣鈦礦為主導，石墨烯特有的二維結構使其具有絕佳的導電性、良好的的熱導率、極高的載流子遷移率以及極具發展前景的柔韌性，這都使得石墨烯在光伏發電材料中成為了新一代的熱門研究方向。其中新加坡國立大學的研究人員報道了一種采用石墨烯透明導電電極的有機太陽能電池，系統地研究石墨烯的層數以及石墨烯摻雜對太陽能電池光伏性能的影響;清華大學的研究人員首次報道了將石墨烯薄膜覆蓋到 n 型硅片上制備了基于石墨烯的肖特基結太陽能電池，該器件具有明顯的光伏特性，經過測試，其光電轉換效率達到了1.65%。香港理工大學的研究人員將石墨烯薄膜覆蓋到 n 型砷化鎵基底上也構建了基于石墨烯的肖特基結太陽能電池。
鈣鈦礦太陽能電池以其工藝簡單、質量小、價格低廉、可彎曲性能好以及大面積制備等特點，成為目前研究的熱點。因其理論極限高達50%的光電轉換效率而引起國內外學術人員和生產廠家的高度關注。鈣鈦礦太陽能光伏材料主要包括鈣鈦礦吸光材料、空穴傳輸材料、電子傳輸材料。英國牛津大學教授的Snaith 研發出一種新型的全固態鈣鈦礦太陽能電池中，在這種電池中，其太陽能電池的吸光材料由有機金屬鹵化物鈣鈦礦結構組成。該項發明被認為是鈣鈦礦光伏發電材料領域的突破性新進展。近年來，以有機-無機復合鈣鈦礦材料為代表的太陽能發電技術展現出了非常光明的產業化發展前景。
綜上所述，光伏發電材料的總結如表1-1，可進一步區分出三種光伏材料類型的利弊，為以后材料的選擇提供進一步的選擇。
在目前太陽能發電市場，電池材料是以硅材料為主的單晶、多晶硅占據主流市場份額，但是硅材料本身在光伏發電領域仍舊存在許多問題，因此一方面要尋找更為方便易行的硅材料提純技術，改進硅系光伏發電生產工藝，另一方面應該發展非硅材料應用于光伏發電領域。太陽能材料研究對太陽能光伏發電技術發展起著決定性的作用。每一種新材料的出現，都給太陽電池及太陽能光電利用帶來一次變革。因此，對于光伏發電材料，應著重于解決以下問題：
(1)不斷改良與提升單晶、多晶硅制備工藝，降低雜質影響，提升光電轉換效率;
(2)發展新型光伏發電材料，如石墨烯、鈣鈦礦及富勒烯等，盡可能提升其光電轉換效率，達到工業化水平，以補充當前太陽能市場硅材料的缺失;
(3)電池的制作工藝、電池的使用壽命和穩定性等有待進一步研究和提高。
1.3分布式光伏發電的技術優勢
光伏分布式發電是分布式供能技術的一種。區別于地面集中式光伏電站，分布式光伏發電系統主要指布置在用戶附近，利用建筑物外表面如屋頂、墻壁等處，裝機容量在幾千瓦到數個兆瓦級別的發電系統。我國發展分布式光伏技術較晚，近幾年來隨政策鼓勵和裝備制造水平的提高國內光伏發電技術得到了飛速發展。2015年后，分布式光伏產業在我國實現快速增長，并體現出新的產業格局。
光伏發電技術起步較早，美國的貝爾實驗室在1954 年就首先利用硅片技術成功將太陽能轉化為電能。在分布式光伏發電方面，美國和德國在政策和資金投入上給予了很大支持，其技術水平較長期一直處于世界前列。為推廣太陽能發電，美國在政策上出臺了最高達30%的太陽能投資稅收減免優惠。自2006年以來，美國太陽能裝機量猛增，截至 2017 年，美國累計光伏發電裝機容量達到了 50GW以上，2018年第一季度新增光伏發電裝機容量為2.5 GW左右，同比增長 13%。德國在1991年和2000年先后制定并頒布了《電力入網法》和 《可再生能源法》，并在 2004 年—2014 年間進行了 4 次修訂，從法律制度層面上推動太陽能發電技術的發展，2012 年光裝機容量7.6 GW，累計光伏裝機容量32.3 GW，居世界第一位。但因為補貼額巨大，財政負擔沉重，德國從2013年開始縮小光伏建設規模，2015 年—2017 年 3 年間，每年的光伏裝機容量只占高峰期的1/5。日本對太陽能發電也是持以政策支持、財政補貼的態度，光伏裝機容量緊追世界水平，同時在太陽能電池相關技術領域有很大的突破，特別是在柔性可彎曲太 陽能電池 (鈣鈦礦) 的研究上，處于全球領先水平。為此，我國也采取了大量措施來改進光伏發電技術
1)為了解決我國固有光伏電源基地與負荷需求在空間分布上不匹配的問題。地面式光伏電站大多建立在光照條件較好、具有大片平整土地的三北地區。但這些地方人口密度小，用電負荷小，同時電網配置落后，不能接受大容量光伏發電上網，造成嚴重棄光現象。分布式光伏系統適用于中東部經濟發達地區，電網系統成熟，只需要對現有電網稍加改造就能并網發電。在滿足工商業或居民用電需求的同時余電還可上網，緩解環保需求下限制煤電后的緊張能源供應形式。
2)充分結合建筑空間或取代建筑材料，節約用地。分布式光伏發電可依附于建筑物屋頂或外墻，安裝地點靈活。使用柔性電池等新型光伏組件可結合于屋頂瓦片或玻璃幕墻等建筑材料，在提供電力供應的同時承擔建筑功用，方便美觀。
3) 投資成本低。分布式光伏發電系統初始投資低，且后期基本不產生運行維護費用。對于戶用屋頂電站，國內市場報價約為8元/W，并且隨著技術進步來和市場更加成熟，成本將進一步降低。
4) 使用可再生能源，清潔環保。相比另一種已經商用的天然氣分布式供能技術，光伏分布式發電不消耗一次能源，可實現污染物零排放。對于緩解目前國內嚴峻的環境問題具有重要意義。
2光熱發電技術
2.1光熱發電技術的原理
太陽能光熱發電是另一種太陽能發電技術，主要是指聚焦型太陽能熱發電，即利用聚焦手段收集太陽能熱量，然后通過熱電轉換裝置進行發電。與光伏發電系統相比，光熱發電系統的一個顯著特點是可以通過儲熱及補燃的方式解決太陽能不穩定、不持續的問題，實現不間斷的電力輸出，太陽能聚集方式主要包括槽式、線性菲涅爾式、塔式及碟式4種，其中槽式集熱系統技術相對成熟，可規模化生產。
2.2光熱發電技術的趨勢
光熱發電不但不依賴于光照，可在夜晚或弱光條件下發電，而且與電網匹配性好，輸出電能穩定，具有良好的發展前景。光熱發電技術始于20 世紀 80 年代，美國建立了全球首座光熱示范電站，之后卻發展停滯不前。直到 2006 年，西班牙開始了第一個光熱示范項目后，光熱發電熱潮席卷而來。截至 2015 年底，西班牙投入運行的光熱裝機容量位居全球第一，美國裝機容量位居 全球第二。印度、阿聯酋等國家相繼發展光熱發電，發電量繼美國、西班牙之后居前。光熱發電相關技術也從早前發電效率較低的傳統平板式逐漸發展為反射鏡集光聚光式，利用光學、物理學原理，將各種各樣的反射鏡、定日鏡應用到發電系統中，提高了發電效率，使發電量劇增。
相關期刊推薦：《華電技術》(月刊)創刊于1979年，由國電鄭州機械設計研究所主辦。本刊的宗旨是立足電力行業，鼓勵科技創新，面向實際應用，跟蹤并介紹國際電力技術前沿信息，促進新技術、新產品的研發和推廣應用，為電力工程技術人員與國內外專家和學者架構相互交流、相互學習的渠道及紐帶，為提高我國電力裝備水平、促進電力技術進步服務。主要面向電力行業的管理部門、設計院、科研所、發電廠、制造廠、電建單位、水電站及相關高等院校發行。《華電技術》以技術前瞻性、學術性、應用性為先導，讀者對象為電力行業的各級管理人員、專家學者、工程技術人員、科研人員、電力一線人員和電力客戶。
光熱發電熱潮的襲來，使得世界各地加快了相關技術研究的步伐。光熱發電技術除了已經進入商用階 段的聚光光熱發電外，還有正在研發試用的太陽能半導體溫差發電(熱電發電)、太陽能熱風發電(煙囪發電)、太陽熱池發電、太陽能熱聲發電等技術。國內外研究機構對這些新型發電系統投入了大量研究精力，主要攻克的是類型選擇、細節處理、架構設計等問題，但目前還處在理論分析和實驗仿真階段，建立試驗裝置還需一定的時間。雖然光熱發電不需要強光照射，僅需集中熱量帶動蒸汽機發電，但是夜間的溫度較低，熱量少且散發快，不能連續發電。現階段，解決這一難題的途徑是通過熔融鹽儲熱技術，將余熱儲存起來供夜間發電，真正實現了全天不間斷發電供電。
未來，光熱發電的應用將越來越廣泛，光熱發電技術的相關研究也將越來越成熟，解決光熱發電的持續性發電問題、提高聚光比、降低發電成本、實現熱電聯合將是重要的關注點和發展趨勢。
3光伏發電技術與光熱發電技術比較
光伏發電與光熱發電的形式、機理和應用都不同。光伏發電應用廣泛、可實現建筑一體化，占地需求小、結構簡單、技術成熟、易于維護、大小規模都適用，容量可調節、無噪聲，但是不能連續發電，受天氣影響大、耗能高，廢棄蓄電池產生污染、回收體系不成熟、晶體硅成本高，工藝復雜;光熱發電可晝夜連續發電，效率高、產能高、耗能低、無污染，可輸出有功功率和無功功率，電能質量高，但是占地要求高、系統復雜、維護困難，不適用于小規模發電站，設備成本高、初期投資大。在具體選擇應用發電方式時，應根據場地條件、技術要求、天氣情況、成本預算等具體分析。
4結論
本文通過對比不同的太陽能發電技術，對其進行分類，進一步總結了其特點，效率和優缺點，對未來的應用方向有了初步的判斷。分布式光伏發電和光熱發電技術發展迅速，極具發展潛力，是未來發展可再生能源、順利進行能源轉型的重要支撐。研究新型太陽能電池材料，關注成本低、效率高、輕便安全的柔性可彎曲電池的發展，是未來便攜式太陽能的趨勢，也是建筑一體化的實現途徑;改進光熱發電聚光方式，提高聚光比和高效儲能，是光熱發電技術發展的方向。——論文作者：鄭哲