非晶硅電池板在光伏建筑一體化（BIPV）上的應(yīng)用

1、前言
　　中國(guó)是全球人均能源保有量最低的國(guó)家之一，但人均能源消費(fèi)量居世界第二，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)總量排名世界第三，但電力消耗卻緊次于美國(guó)； 能源的緊缺成為中國(guó)乃至世界各國(guó)家發(fā)展的主要問題，解決能源緊缺的問題成為各國(guó)首當(dāng)其沖的任務(wù)。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(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。可再生能源資源豐富、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(guó)能源和環(huán)境問題的重要途徑和措施。中國(guó)和世界常規(guī)能使用及規(guī)劃見下圖源；

　　我國(guó)是耗能大國(guó)，建筑能耗占全社會(huì)總能耗的25%，其中建筑采暖、空調(diào)、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(guó)政府在“十一五”規(guī)劃綱要(草案)中，明確提出我國(guó)將建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。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(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。節(jié)能的65%主要由建筑圍護(hù)系統(tǒng)承擔(dān),因此，通過建筑一體化設(shè)計(jì)，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(guó)科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。1954年，美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。即當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓，使PN結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。

　　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。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛柟馄照沾蟮?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)同期短的優(yōu)點(diǎn)。
　　光伏發(fā)電的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀自從1954年第一塊實(shí)用光伏電池問世以來，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。其原因可能是人們對(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。其發(fā)展過程簡(jiǎn)列如下： 1893年 法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。1930年朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”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(yīng)。 1954年 恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，首次制成了實(shí)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(yīng)，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(jìn)行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計(jì)。同年，第一個(gè)光電航標(biāo)燈問世。美國(guó)RCA研究砷化鎵太陽電池。 1957年 硅太陽電池效率達(dá)8%。 1958年 太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星電源。1990年 德國(guó)提出“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”，每個(gè)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(dá)32%。 1997年 美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)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(chǎn)量年增幅保持在30%~40%，1998年已達(dá)200MWp/a；應(yīng)用范圍越來越廣，尤其是光伏技術(shù)的屋頂計(jì)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(dǎo)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(dǎo)體材料，不用提純、切片等復(fù)雜的生產(chǎn)加工工序。
　　以上幾類光電池，按照各自不同的特點(diǎn)，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(dú)立的光伏電站。而非晶硅電池以其獨(dú)特的美觀性能、穩(wěn)定可靠的發(fā)電性能、經(jīng)濟(jì)低廉的成本和設(shè)計(jì)選型的多樣性，能夠比較完美的實(shí)現(xiàn)光電一體化（BIPV）。

　　4、非晶硅電池在建筑物上運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)
　　（1）材料和制造工藝成本低。每平米的造價(jià)約低40%左右。這是因?yàn)樯a(chǎn)工藝更簡(jiǎn)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(shí)襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價(jià)格低廉。

　　（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)楹诵墓に囘m合制作持大面積無結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)PIN結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動(dòng)化。
　　（3）品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽電池易子實(shí)現(xiàn)集成化。器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)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。
　　（4）具備弱光發(fā)電的性能，這是由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)，非晶硅材料的價(jià)帶電子的能級(jí)較低，在太陽輻射強(qiáng)度很低時(shí)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(fēng)沙、雨雪等天氣的影響很小，年發(fā)電天數(shù)達(dá)320天左右，日發(fā)電最長(zhǎng)時(shí)間可以從早上6點(diǎn)延續(xù)到晚上7點(diǎn)。日發(fā)電達(dá)到13小時(shí)左右。
　　（5） 非晶硅薄膜電池具有透光性，透光度可從5%到75%，當(dāng)然，隨著透光性的增加，光電池的轉(zhuǎn)化效率會(huì)隨著下降，運(yùn)用到建筑上的最理想的透光度為25%。

　　（6）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(shí)際工程運(yùn)用之中，承受的工作溫度晶體硅要高。