低成本高性能可見光響應(yīng)型太陽能電池項(xiàng)目合作可行性報(bào)告目錄

第一章太陽能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1

1.1太陽能電池的發(fā)展歷程1

1.2太陽能電池的分類2

1.2.1硅系太陽能電池2

1.2.2化合物半導(dǎo)體太陽能電池4

1.2.3染料敏化納米晶化學(xué)太陽能電池4

1.3太陽能電池發(fā)展的瓶頸5

1.4太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)6

第二章國內(nèi)太陽能電池的研究現(xiàn)狀8

第三章低成本高性能可見光響應(yīng)型太陽能電池10

3.1可見光響應(yīng)型太陽能電池研究的重大意義10

3.2可見光響應(yīng)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)10

3.3可見光響應(yīng)型太陽能電池的制備技術(shù)11

3.4關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新11

第四章可見光響應(yīng)型太陽能電池的研發(fā)計(jì)劃12

4.1現(xiàn)有研究進(jìn)展12

4.2研究工作基礎(chǔ)和條件12

4.3課題組介紹15

4.4下一步研究計(jì)劃15

第五章可見光響應(yīng)型太陽能電池的市場(chǎng)前景18

5.1太陽能電池發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境18

5.1.1豐富的太陽能資源18

5.1.2嚴(yán)峻的能源與環(huán)保形勢(shì)20

5.1.3可再生能源法實(shí)施帶來巨大機(jī)遇22

5.2太陽能電池的市場(chǎng)現(xiàn)狀22

5.2.1不愁銷路的產(chǎn)品22

5.2.2需求強(qiáng)勁的國外市場(chǎng)23

5.2.3起步階段的國內(nèi)市場(chǎng)25

5.2.4高額的利潤回報(bào)25

5.2.5太陽能電池上市公司受到熱烈追捧26

5.3太陽能電池的市場(chǎng)預(yù)測(cè)27

5.4可見光響應(yīng)型太陽能電池的市場(chǎng)前景28

5.4.1太陽能電池的消費(fèi)結(jié)構(gòu)28

5.4.2晶硅太陽能電池發(fā)展的隱憂30

5.4.3可見光響應(yīng)型太陽能電池的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)31

5.4.4可見光響應(yīng)型太陽能電池的市場(chǎng)份額及盈利預(yù)測(cè)31

第六章國內(nèi)外太陽能電池生產(chǎn)現(xiàn)狀32

6.1世界太陽能電池的產(chǎn)能及其分布32

6.2國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)及其規(guī)模34

第七章可見光響應(yīng)型太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化策略38附：圖表目錄

圖1從石英砂到晶硅太陽能電池的工藝流程3

圖2晶硅系太陽能電池產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)5

圖3可見光響應(yīng)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)10

圖4我國太陽能資源分布圖18

圖5全球太陽能電池實(shí)際產(chǎn)量（需求量）預(yù)測(cè)23

圖6全球1992年～2004年累計(jì)安裝的太陽能發(fā)電系統(tǒng)24

圖7SolarWorld股價(jià)走勢(shì)圖26

圖8Tokuyama股價(jià)走勢(shì)圖27

圖9各種能源形式發(fā)電成本30表1我國各種太陽能電池實(shí)驗(yàn)室研究的最高效率8

表2中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)20

表3全球太陽能行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)28

表4我國近年與將來的光伏發(fā)電市場(chǎng)消費(fèi)結(jié)構(gòu)29

表5多晶硅原料成本構(gòu)成30

表6世界十大太陽能電池廠商2003~2005年排名與產(chǎn)量32

表7太陽能電池產(chǎn)量地區(qū)分布33

表81999-2004年各類太陽能電池產(chǎn)量百分比33

表9我國太陽能電池的主要生產(chǎn)企業(yè)及其產(chǎn)能37第一章太陽能電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1太陽能電池的發(fā)展歷程

自從公元1800年意大利人伏特發(fā)明第一個(gè)電池后，人類的生活就注定要與“電”結(jié)下密不可分的關(guān)系。1879年美國人愛迪生發(fā)明電燈，不僅點(diǎn)亮了黑暗的夜晚，更照亮了人類光明璀璨的歷史文明。電的產(chǎn)生方式有很多種，包括：石油、瓦斯、煤、鈾、……等。但是這些能源的儲(chǔ)量有限，在人類高度的開發(fā)利用下，終有消耗殆盡的一天。因此，世界各國無不積極地研發(fā)新的替代能源，太陽能電池就是一種最佳的選擇。

太陽能電池又稱光電池，光生伏打電池。是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。工作原理是基于半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池表面受到光照時(shí)，在電池內(nèi)部產(chǎn)生的光生電子－空穴對(duì)擴(kuò)散到P-N結(jié)并受結(jié)電場(chǎng)影響而分開，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，這樣在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)外電路連接起來時(shí)就有電流通過。目前太陽能電池已經(jīng)在電力、通訊、電子產(chǎn)品及交通運(yùn)輸?shù)确矫?，占有舉足輕重的地位，尤其在太空及部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，更是扮演無可取代的角色。

第一個(gè)太陽能電池是在1954年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab.）所制造出來的，當(dāng)時(shí)是希望能替偏遠(yuǎn)地區(qū)的通訊系統(tǒng)提供電源。不過由于效率太低（只有6％），而且造價(jià)太高（357美元／瓦），因而缺乏商業(yè)上的價(jià)值。

就在此時(shí)，開創(chuàng)人類歷史的另一項(xiàng)計(jì)劃——太空計(jì)劃也正如火如荼地進(jìn)行著，而因?yàn)樘柲茈姵鼐哂胁豢扇〈闹匾裕沟锰柲茈姵氐靡哉业搅硪黄l(fā)展的天空。從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開始，太陽能電池就肩負(fù)著太空飛行任務(wù)中一項(xiàng)重要的任務(wù)，一直到1969年美國人登陸月球，太陽能電池的發(fā)展可以說達(dá)到顛峰。

可是因?yàn)樘柲茈姵馗甙旱脑靸r(jià)，使得太陽能電池的應(yīng)用范圍受到限制。1970年代初，由于中東戰(zhàn)爭(zhēng)，石油禁運(yùn)，工業(yè)國家的石油供應(yīng)中斷造成能源危機(jī)，迫使人們不得不再度重視太陽能電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)的可行性。在20世紀(jì)70年代中期，研制出超薄單晶硅光伏電池。

1990年以后，人們開始將太陽能電池發(fā)電與民生用電結(jié)合，于是“與市電并聯(lián)型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)”（grid-connectedphotovoltaicsystem）開始推廣。此即把太陽能電池與建筑物的設(shè)計(jì)整合在一起，并與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相連結(jié)，如此就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負(fù)荷外，剩余的電力還可儲(chǔ)存或是回售給電力公司。

到目前，太陽能電池已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代太陽能電池主要是基于硅晶片，采用單晶硅和多晶硅及GaAs材料制作。其技術(shù)已發(fā)展成熟，但高昂的材料成本在全部生產(chǎn)成本中占據(jù)主導(dǎo)地位。要真正達(dá)到大規(guī)模利用太陽能電池的目標(biāo)，降低材料的成本就成為降低光伏電池成本的主要手段。以至于使得人們不惜以犧牲電池的轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)來開發(fā)薄膜電池。第二代太陽能電池是基于薄膜技術(shù)的一種太陽能電池。構(gòu)成薄膜太陽能電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘以及銅銦硒，其中以多晶硅薄膜太陽能電池性能最優(yōu)。第三代太陽能電池是21世紀(jì)以來的主要發(fā)展方向，主要本著以提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本為根本目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)。目前投入應(yīng)用的主要有疊層太陽能電池、納米太陽能電池、玻璃窗式太陽能電池等結(jié)構(gòu)。

1.2太陽能電池的分類

按應(yīng)用可將太陽能電池分為空間用太陽能電池與地面用太陽能電池。地面用太陽能電池又可分為電源用太陽能電池與消費(fèi)電子產(chǎn)品用太陽能電池。對(duì)每種太陽能電池的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求不同?？臻g用太陽能電池要求耐輻射、轉(zhuǎn)換率高、單位電能所需的重量??；地面電源用太陽能電池要求發(fā)電成本低、轉(zhuǎn)換效率高；消費(fèi)電子用太陽能電池則要求薄而小、可靠性高等。

根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池主要可分為硅系太陽能電池、化合物半導(dǎo)體太陽能電池和染料敏化納米晶化學(xué)太陽能電池。下面主要按這種分類來介紹太陽能電池。

1.2.1硅系太陽能電池

單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池是開發(fā)最早、發(fā)展最快的一類太陽能電池，目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最大已達(dá)到24.7%，為澳大利亞新南威爾士大學(xué)創(chuàng)造并保持。代表性的單晶硅電池商品主要有荷蘭ShellSolar,西班牙Isofoton,印度Microsol等廠家。

高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)在單晶硅的電池工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合，通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率；通過以上制得的電池轉(zhuǎn)換效率超過23%，最大值可達(dá)23.3％。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm×2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm×5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。

單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。

多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池的主要優(yōu)勢(shì)是降低成本。由于單晶硅太陽能電池需要高純硅材料（空間太陽能電池用硅材料純度≥9N，地面太陽能電池用硅材料純度6~8N），其材料成本占電池總成本的一半以上。相比之下，多晶硅電池材料制備方法簡(jiǎn)單、耗能少，可連續(xù)化生產(chǎn)。但多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率較低，目前商業(yè)化電池的效率僅為14%左右。實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到20.3%，為德國研究機(jī)構(gòu)獲得。具有代表性的商品有Q-Cell,Motech,Suntech等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。

人們從70年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4為反應(yīng)氣體，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國費(fèi)萊堡太陽能研究所采用區(qū)熔再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)16.42%。

液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12.2％。我國光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良教授采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長出硅晶粒，并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅粒”太陽能電池，但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見到。

從石英砂制備單晶硅和多晶硅太陽能電池的工藝流程如下圖所示。

圖1從石英砂到晶硅太陽能電池的工藝流程

非晶硅太陽能電池

非晶硅太陽能電池的優(yōu)勢(shì)是硅資源消耗少、生產(chǎn)成本低，近年來發(fā)展迅速。目前非晶硅單結(jié)電池的最高效率已可達(dá)到14.6%左右，大量生產(chǎn)的可達(dá)到8%～10%左右。疊層電池的最高效率可達(dá)到21.0%。比較代表性的非晶硅電池生產(chǎn)廠家有德國RWESchottSolar，日本Kenaka和美國UnitedSolar。

由于非晶硅對(duì)太陽光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽能電池可以做得很薄，通常硅膜厚度僅為1-2μm，是單晶硅或多晶硅電池厚度（0.5mm左右）的1/500，所以制作非晶硅電池資源消耗少。

非晶硅太陽能電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷（SiH4）氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低（200℃左右），因此制作時(shí)能量消耗少，成本比較低，且這種方法適于大規(guī)模生產(chǎn)，單片電池面積可以做得很大（例如0.5m×1.0m），整齊美觀。非晶硅電池的另一特點(diǎn)是對(duì)藍(lán)光響應(yīng)好，在一般的熒光燈下也能工作，因此被廣泛用作電子計(jì)算器和手掌電腦的電源，估計(jì)全世界使用量達(dá)到每月1千萬片左右。

非晶硅中由于原子排列缺少結(jié)晶硅中的規(guī)則性，往往在單純的非晶硅p-n結(jié)構(gòu)中存在缺陷，隧道電流占主導(dǎo)地位，無法制備太陽能電池。因此要在p層與n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以非晶硅太陽能電池一般具有pin結(jié)構(gòu)。如果制成pin/pin/pin的多層結(jié)構(gòu)便形成疊層結(jié)構(gòu)，在提高非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和改善穩(wěn)定性方面，疊層太陽能電池是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

非晶硅由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和大量氫原子的存在，具有光疲勞效應(yīng)（StaeblerWronski效應(yīng)），故非晶硅太陽能電池經(jīng)過長期工作穩(wěn)定性存在問題。近10年來經(jīng)努力研究，雖有所改善，但尚未徹底解決問題，故作為電力電源，尚未大量推廣。非晶硅太陽能電池的研究，現(xiàn)在主要著重于改善非晶硅膜本身性質(zhì)，以減少缺陷密度，精確設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間的界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。

1.2.2化合物半導(dǎo)體太陽能電池

化合物半導(dǎo)體太陽能電池突破了由硅原料-硅錠-硅片-太陽能電池的工藝路線，采用直接由原材料到太陽能電池的工藝路線，發(fā)展了薄膜太陽能技術(shù)，這適應(yīng)了太陽能電池的高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)化發(fā)展的要求。

目前，化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池的主要類型有CdS系太陽能電池、CdTe系太陽能電池、CuInSe2系列太陽能電池、CdS/CuInSe2太陽能電池、GaAs系列太陽能電池和InP系列太陽能電池。上述電池中，盡管CdS、CdTe多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代。

GaAs及CuInSe2系列薄膜電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的普遍重視。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙為1.4eV，正好為高吸收率太陽光的值，因此，是很理想的電池材料。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù)，其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯(cuò)、反應(yīng)壓力、III-V比率、總流量等諸多參數(shù)的影響。

除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等電池材料也得到了開發(fā)。1998年德國費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所制得的GaAs太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24.2％，為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉(zhuǎn)換效率為14.7％。另外，該研究所還采用堆疊結(jié)構(gòu)制備GaAs，Gasb電池，該電池是將兩個(gè)獨(dú)立的電池堆疊在一起，GaAs作為上電池，下電池用的是Gasb，所得到的電池效率達(dá)到31.1％。

銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱CIS。CIS材料的能降為1.leV，適于太陽光的光電轉(zhuǎn)換，另外，CIS薄膜太陽能電池不存在光致衰退問題。因此，CIS用作高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池材料也引起了人們的注目。

CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅、銦和硒，硒化法是使用H2Se疊層膜硒化，但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8％的轉(zhuǎn)換效率發(fā)展到目前的15％左右。日本松下電氣工業(yè)公司開發(fā)的摻鎵的CIS電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.3％（面積1cm2）。1995年美國可再生能源研究室研制出轉(zhuǎn)換效率為17.l％的CIS太陽能電池，這是迄今為止世界上該電池的最高轉(zhuǎn)換效率。

CIS作為太陽能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。

1.2.3染料敏化納米晶化學(xué)太陽能電池

受到綠色植物光合作用的啟發(fā)，納米晶材料太陽能電池于20世紀(jì)90年代誕生。有人稱這種納米晶太陽能電池為“人造樹葉”，也有人稱其為分子電子器件。目前納米晶太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為7~8%，使用壽命可達(dá)15年以上，加上它的成本僅為硅太陽能電池10%~20%，納米晶太陽能電池引起了全世界的關(guān)注。

納米晶化學(xué)太陽能電池（簡(jiǎn)稱NPC電池）是一種光電化學(xué)電池，它與自然界的光合作用有兩點(diǎn)相似：利用有機(jī)染料吸收光和傳遞太陽能；利用多層結(jié)構(gòu)來吸收和提高收集效率。

納米晶化學(xué)太陽能電池是由一種窄禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。納米晶TiO2太陽能電池工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

納米晶TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場(chǎng)。目前納米晶太陽能電池材料的研究熱點(diǎn)是：使用摻雜技術(shù)提高TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率；開發(fā)新的寬頻光電效應(yīng)和高光電轉(zhuǎn)換效率的新型納米晶體材料；尋找在低溫下燒結(jié)制備電極的途徑；開發(fā)固體電解質(zhì)新材料。

1.3太陽能電池發(fā)展的瓶頸

我國光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年不懈努力，已達(dá)到一定技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模。但現(xiàn)階段，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)還存在一些瓶頸。盡管目前國內(nèi)太陽能光伏電池生產(chǎn)技術(shù)基本上與國際同步，但是相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈非常不健全，原材料和生產(chǎn)設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口。此外，貸款難、人才稀缺、投資巨大等，也是制約國內(nèi)太陽能企業(yè)發(fā)展的“攔路虎”。另外，技術(shù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不盡完善。

目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽能電池是晶體硅太陽能電池，而生產(chǎn)晶體硅太陽能電池的原材料――高純度多晶硅在我國卻極度短缺，絕大部分需要依賴進(jìn)口。我國生產(chǎn)太陽能電池所需的硅原料呈現(xiàn)“兩頭在外”的格局，即90%以上的原料進(jìn)口，90%的產(chǎn)品出口。

據(jù)我國工程院的專家調(diào)查，2005年我國對(duì)多晶硅的需求量為3800噸，其中光伏產(chǎn)業(yè)需求2691噸，而2004年我國多晶硅的產(chǎn)量只有60噸，主要企業(yè)為峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽單晶硅有限公司，即使全部供應(yīng)光伏產(chǎn)業(yè)，也僅是市場(chǎng)需求的2.6％，其余只能依賴進(jìn)口。據(jù)報(bào)道，四川新光硅業(yè)科技有限責(zé)任公司是我國最大的多晶硅生產(chǎn)單位，目前已投資11億元正在建設(shè)1200噸多晶硅生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2006年年底投產(chǎn)，洛陽中硅高科技有限公司300噸多晶硅項(xiàng)目于2005年9月投產(chǎn)。但與巨大的原料需求而言，仍無法滿足國內(nèi)太陽能電池廠家的需求。

而目前國際市場(chǎng)上的多晶硅也供不應(yīng)求。電子和太陽能兩個(gè)行業(yè)使用的高純度硅從2004年的31000噸增長到2005年的35000噸左右，這個(gè)增長是由電子行業(yè)5%的年用量增長和太陽能行業(yè)20%的年用量增長推動(dòng)的。太陽能行業(yè)中，按照從硅料到電池的產(chǎn)業(yè)劃分，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈明顯的金字塔結(jié)構(gòu)。

圖2晶硅系太陽能電池產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

高居塔尖的是7家太陽能多晶硅廠商：Tokuyama、MitsubishiMaterial、MitsubishiPolysilicon、HemlockSemiconductor、AdvancedSiliconMaterials、SolarGradeSilicon、WackerPiktsilicon；第二層是15家硅片廠商，包括RWESchottSolar、Sharp、BPSolar、DeutscheSolar、Kyocera等，在這一環(huán)節(jié)主要的技術(shù)流程包括鑄錠（或單晶生長）、切方滾磨、用多線切割機(jī)切片、化學(xué)腐蝕拋光，其中鑄錠（或單晶生長）環(huán)節(jié)屬于高能耗，切割機(jī)等投資規(guī)模亦相對(duì)較大，設(shè)備投資約占初期總投資的60%以上；第三層是太陽能電池制造，按照2004年產(chǎn)量，Sharp為全球最大之電池制造商，ShellSolar、Kyocera、BPSolar、RWESchottSolar分列二至五位，根據(jù)2004年底數(shù)據(jù)，全球電池廠商有40余家；下面是組件，將制作好的電池封裝，技術(shù)含量相對(duì)較低，進(jìn)入門檻亦低，屬于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，全球廠商數(shù)量超過200家，國內(nèi)亦有相當(dāng)多企業(yè)進(jìn)行封裝作業(yè)。

由于市場(chǎng)供不應(yīng)求，多晶硅的價(jià)格大幅上漲，一公斤太陽級(jí)多晶硅材料由兩三年前的13美元，一路猛漲到46美元，漲幅高達(dá)250％，甚至達(dá)到60美元~80美元。但由于制作太陽能電池所需的提純硅技術(shù)主要被西方國家壟斷。所以，目前在國內(nèi)幾乎沒有企業(yè)能生產(chǎn)高純度硅原料，大部分依靠進(jìn)口，而我國大多數(shù)光伏企業(yè)通過外購電池片封裝加工組件，不但增加成本，更失去了掌握市場(chǎng)的主動(dòng)性。國外主要多晶硅生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)已形成了企業(yè)聯(lián)盟，嚴(yán)格控制技術(shù)轉(zhuǎn)讓并壟斷全球硅材料市場(chǎng)，抬高多晶硅價(jià)格。這使得國內(nèi)有的太陽能電池生產(chǎn)廠在當(dāng)前遭遇了即使出高價(jià)也購買不到多晶硅的“無米下鍋”局面。目前，國內(nèi)多數(shù)太陽能電池制造企業(yè)產(chǎn)能都有放空現(xiàn)象。

國內(nèi)正在興起一股太陽能電池投資熱潮，這將進(jìn)一步引起原料的爭(zhēng)奪大戰(zhàn)，從而加劇原料供應(yīng)的緊張。由于晶硅原料占太陽能電池生產(chǎn)成本的40％左右，因此，原料成本進(jìn)一步提高了多晶硅太陽能電池制造成本，這將威脅到晶硅基太陽能電池的發(fā)展。但另一方面，為非硅基太陽能電池（如低成本高性能可見光響應(yīng)型太陽能電池）的發(fā)展創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。

1.4太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)

人類利用太陽能已有幾千年的歷史，但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個(gè)世紀(jì)的事情。1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一塊太陽能電池，從此揭開了太陽能開發(fā)利用的新篇章，之后，太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力地促進(jìn)了太陽能的開發(fā)利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實(shí)施，太陽能的開發(fā)利用又被推到新高度。21世紀(jì)初至中葉將是太陽能開發(fā)利用技術(shù)的重要發(fā)展時(shí)期。世界范圍內(nèi)的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。

光伏技術(shù)的發(fā)展，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各種新型太陽能電池的發(fā)展。如前所述，晶體硅太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、商業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問題。高效新型太陽能電池技術(shù)的發(fā)展是降低光電池成本的一條切實(shí)可行的途徑，近年來，一些新型高效電池不斷問世：

銅銦硒(CuInSe2，CIS)薄膜太陽能電池：1974年CIS電池在美國問世，1993年美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室使它的本征轉(zhuǎn)換效率達(dá)16.7％，由于CIS太陽能電池具有成本低(膜厚只有單晶硅的1／100)、可通過增大禁帶寬度提高轉(zhuǎn)換效率(理論值為單晶30％，多晶24％)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點(diǎn)，各國都在爭(zhēng)相研究開發(fā)，并積極探索大面積應(yīng)用的批量生產(chǎn)技術(shù)。

硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。它具有成本低、耗能少、工序少、價(jià)廉高效等優(yōu)點(diǎn)。

用化學(xué)束外延(CBE)技術(shù)生產(chǎn)的多結(jié)III-V族化合物太陽能電池：III-V族化合物(如GaAs，InP)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高到35％以上。而這種多層結(jié)構(gòu)很容易用CBE法制作，并能降低成本獲得超高效率。

大面積光伏納米電池：1991年瑞士M.GRATZEL博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，用納米TiO2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機(jī)物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶染料敏感太陽能電池，簡(jiǎn)稱納米電池。計(jì)算表明，可制造出轉(zhuǎn)換效率至少為12％的低成本電池。這種電池為大面積應(yīng)用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。

隨著研發(fā)投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專家斷言，只要有一、二種新型電池取得突破，就會(huì)使光電池局面得到極大的改善。

隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，使得太陽能制氫成為氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。20世紀(jì)90年代在太陽能制氫方面獲得了較大進(jìn)展，1990年德國建成一座500KW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350KW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4800萬美元，在每年有300個(gè)晴天的塔爾沙漠中建造一座500KW太陽能電站制氫，用光伏—電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來，保證運(yùn)輸?shù)陌踩?。氫能具有重量輕、熱值高、爆發(fā)力強(qiáng)、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)。隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展。用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹?1世紀(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高，光伏技術(shù)將逐步由農(nóng)村、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及其它特殊應(yīng)用場(chǎng)合向城市推進(jìn)，伴隨著更多國家屋頂計(jì)劃的實(shí)施，光伏發(fā)電將走進(jìn)城市的千家萬戶。

隨著人類航天技術(shù)以及微波輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，空間太陽能電站的設(shè)想可望得到實(shí)現(xiàn)。由于空間太陽能電站不受天氣、氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出美好的前景，是人類大規(guī)模利用太陽能的另一條有效途徑。

第二章國內(nèi)太陽能電池的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于太陽能電池的研究主要集中在實(shí)用型的單晶硅太陽能電池、高效單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、空間用的硅太陽能電池及其系統(tǒng)、銅銦硒及碲化鎘化合物薄膜太陽能電池、聚光太陽能電池及系統(tǒng)和納米晶化學(xué)太陽能電池。對(duì)一些太陽能電池用的材料也進(jìn)行了研究和國產(chǎn)化。

目前，國內(nèi)太陽能電池的研究機(jī)構(gòu)主要集中在大學(xué)和研究所，如北京市太陽能研究所、信息產(chǎn)業(yè)部第18研究所、上海811研究所、中科院半導(dǎo)體所、等離子體所和廣州能源研究所、西安交通大學(xué)太陽能研究所、南開大學(xué)、上海交通大學(xué)、云南師范大學(xué)、四川大學(xué)等等。光伏企業(yè)中，無錫尚德太陽能電力公司建立了研發(fā)中心。

表1我國各種太陽能電池實(shí)驗(yàn)室研究的最高效率類型最高效率(%)面積(cm2)單晶硅電池20.414-162′2商業(yè)化GaAs電池21.91′1多晶硅電池16.013-152′2商業(yè)化CuInSe2電池12.11′1CdTe電池13.360．5多晶硅薄膜電池13.61′1,非活性硅襯底非晶硅電池11.2(單結(jié))11.4(雙結(jié))幾平方毫米幾平方毫米10′1020′2030′30二氧化鈦納米有機(jī)電池101′1南開大學(xué)從1978年開始對(duì)非晶硅材料和非晶硅太陽能電池進(jìn)行研究與開發(fā)，至今已有二十多年的歷史。在這期間，南開大學(xué)取得了15項(xiàng)研究成果；并獲得實(shí)用新型專利一項(xiàng)；獲得國家科委、國家教委“30cm*30cm非晶硅太陽電池中試線”重大科技成果獎(jiǎng)一項(xiàng)。并成功地建設(shè)了非晶硅太陽能電池試驗(yàn)線和中試線。為其產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

四川大學(xué)太陽能材料與器件研究所在馮良桓教授的帶領(lǐng)下，率先在我國開展了碲化鎘薄膜太陽能電池的研究。在“九五”期間，承擔(dān)了科技部資助的科技攻關(guān)計(jì)劃課題：“Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池的研制”?，F(xiàn)在承擔(dān)的“碲化鎘薄膜太陽電池的制造技術(shù)及中試生產(chǎn)線”是國家863計(jì)劃中的重點(diǎn)課題之一，再次創(chuàng)造我國碲化鎘電池轉(zhuǎn)換效率的新紀(jì)錄——13.38%，也創(chuàng)造了我國各種新型太陽能電池的新紀(jì)錄。專家們認(rèn)為，這項(xiàng)紀(jì)錄是在沒有使用減反射膜的情況下得到的，實(shí)際上已接近世界領(lǐng)先水平。目前，該項(xiàng)目已申請(qǐng)和獲得了11項(xiàng)中國發(fā)明專利，所提供的成果既包含全套大面積碲化鎘薄膜太陽能電池組件的制造技術(shù)，還包含1000萬元以上的關(guān)鍵設(shè)備。

單晶硅太陽能電池由于制作工藝復(fù)雜，使得生產(chǎn)成本很高，遠(yuǎn)不能達(dá)到大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。多晶硅、非晶硅及鎘碲化合物半導(dǎo)體太陽能電池中光的吸收和電子-空穴的分離幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，為了避免電子-空穴的復(fù)合，所用材料必需具有高純度而且沒有結(jié)構(gòu)缺陷，這樣造成了半導(dǎo)體材料的高成本。同時(shí)像Cd、Te、Ga、In等還有毒性，這些因素限制了這類液結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，人們一直在探索高比表TiO2薄膜的制備方法，并用光敏化材料對(duì)其敏化以提高光電轉(zhuǎn)換特性，但是轉(zhuǎn)換效率低，單色光的光電轉(zhuǎn)換效率一直低于3%。1991年，瑞士的Gratzel等人提出了一種以羧酸聯(lián)吡啶釕(Ⅱ)配合物染料敏化TiO2納米薄膜為光陽極，選用含Ⅰ-/Ⅰ3-等低揮發(fā)性鹽作電解質(zhì)制成的納米晶化學(xué)太陽能電池(NanocrystillinePhotoelectrochemicalCell簡(jiǎn)稱NPC電池)取得了模擬太陽光下(AM1.5)7.1%的光電能轉(zhuǎn)換效率。這種染料敏化的NPC僅在一個(gè)帶上產(chǎn)生載流子，即陽極發(fā)生敏化后，電子注入納米TiO2導(dǎo)帶，而空穴仍留在表面的染料上，因此電荷的重新復(fù)合受到抑制，從而可以使用純度不高的材料，成本大為降低。此后，NPC電池引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。我國無論在NPC電池的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都取得了不少階段性的成果。在科學(xué)研究上，北京大學(xué)黃春暉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在純有機(jī)染料、電極材料的修飾以及多聯(lián)吡啶釕染料的優(yōu)化都取得了較好的結(jié)果；中科院化學(xué)研究所的肖緒瑞教授，林原教授等人在凝膠復(fù)合染料和半固態(tài)電解質(zhì)等方面取得了一定的結(jié)果；中科院物理所表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孟慶波教授等人在固態(tài)電解質(zhì)和緊湊有序陣列電極等方面有所創(chuàng)新；中科院等離子所戴松元教授等人對(duì)染料敏化太陽能電池組件及封裝技術(shù)做出了較系統(tǒng)的研究，浙江大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)和華僑大學(xué)對(duì)染料敏化納米晶太陽能電池研究也取得較好的成果，在染料敏化劑、納米薄膜修飾和電池光電效率上都與國際水平相接近，且在該領(lǐng)域具有一定的影響。在產(chǎn)業(yè)化研究上，經(jīng)過國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目和中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目的資助，現(xiàn)已在中國科學(xué)院等離子體物理研究所建成產(chǎn)業(yè)化初步實(shí)驗(yàn)線，并接近中試規(guī)模。其中，單片大面積染料敏化納米薄膜太陽能電池(15cm×20cm)的光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在5%以上，并通過拼裝的方式組裝成實(shí)用的太陽能電池板，面積達(dá)到40cm×60cm以上，室外測(cè)試電池效率達(dá)到5.5%以上，接近未來實(shí)用化水平，為目前國際較高水平，并已突破染料敏化納米薄膜太陽能電池在電極、密封和連接等應(yīng)用“瓶頸”，近期，在實(shí)驗(yàn)室小批量實(shí)用化生產(chǎn)和技術(shù)研究上取得重大進(jìn)展，建成500瓦規(guī)模的小型示范電站，其電池方陣面積為14.4平方米，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5%。2005年，中國科學(xué)院物理研究所孟慶波研究員和陳立泉院士等合作，合成了一種新型的具有單碘離子輸運(yùn)特性的有機(jī)合成化合物固態(tài)電解質(zhì)，研制的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽能電池效率達(dá)到了5.48％。這些工作都為NPC電池的最終產(chǎn)業(yè)化，知識(shí)產(chǎn)權(quán)國產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但對(duì)NPC電池來說，目前還存在著以下一些制約因素。

（1）現(xiàn)在公認(rèn)使用效果最好的RuL2(SCN)2的制備過程比較復(fù)雜，而釕本身又是稀有金屬，因而價(jià)格比較昂貴，來源也較困難。另外，二氧化鈦易使染料光解，從而導(dǎo)致接觸不好。因此，尋找低成本而性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

（2）在NPC電池研制過程中，染料光敏化劑的光譜吸收特性和穩(wěn)定性是很重要的因素，若能找到具有更寬吸收范圍的染料光敏化劑，有助于提高光電能量轉(zhuǎn)換率。

（3）大量的實(shí)驗(yàn)表明，染料的多層吸附是不可取的，因?yàn)橹挥蟹浅？拷趸伇砻娴拿艋瘎┓肿硬拍馨鸭ぐl(fā)態(tài)的電子順利注入到二氧化鈦導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的存在反而會(huì)阻礙電子的輸送，導(dǎo)致光電能量轉(zhuǎn)換率下降。

（4）為使單層吸附的效率提高，可以采取以下方法：使用高比表面的多孔膜來代替平整膜；提高染料在電極表面的吸附能力，因?yàn)槿玖系募ぐl(fā)態(tài)壽命很短，只有與電極緊密結(jié)合的染料才有可能將能量及時(shí)傳遞給電極，所以染料最好能化學(xué)吸附在電極上。另外，設(shè)計(jì)更多、更有效的多吡啶釕化合物，或者其他替代物也是重要的努力方向。

第三章低成本高性能可見光響應(yīng)型太陽能電池

3.1可見光響應(yīng)型太陽能電池研究的重大意義

近年來太陽能電池發(fā)展很快，1999年以來，每年的發(fā)展速度都在35%以上，2004年全球產(chǎn)量更是達(dá)到1194MW，可謂發(fā)展迅速。即便如此，世界太陽能電池產(chǎn)量仍然供不應(yīng)求，尤其是德國實(shí)行了新的并網(wǎng)電價(jià)后，光伏發(fā)電在德國成了很有前途的產(chǎn)業(yè)，吸引德國民眾踴躍參與，更是加劇了這種供應(yīng)緊張趨勢(shì)。這種現(xiàn)象并不是暫時(shí)的，需求量尚未達(dá)到最高峰，隨著歐美、日本等發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家包括中國繼續(xù)實(shí)施龐大的光伏屋頂計(jì)劃，對(duì)太陽能電池的需求會(huì)更加迫切。不過與目前的常規(guī)能源相比，太陽能電池的使用成本還是很高。通過改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝，設(shè)計(jì)新的電池結(jié)構(gòu)，開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池研發(fā)的主要方向。許多科研工作者在這些方面進(jìn)行了大量的研究工作，南京大學(xué)用可見光響應(yīng)型光電極制備的太陽能電池作為新一代太陽能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創(chuàng)性，結(jié)果表明有廣泛的實(shí)用化前景。它實(shí)際上是一種新型的納米晶太陽能電池，不用或少用染料敏化劑，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，方便大規(guī)模生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，發(fā)展可見光響應(yīng)型太陽能電池具有重要的意義。

3.2可見光響應(yīng)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)

可見光響應(yīng)型太陽能電池主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶氧化物半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液（含超敏化劑）和透明電極組成，每層厚度不大于200nm，導(dǎo)電玻璃層除外。其工作原理是，染料分子吸收太陽光能后躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶，而且氧化物半導(dǎo)體本身價(jià)帶上的電子也能被激發(fā)到導(dǎo)帶。半導(dǎo)體和染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

圖3可見光響應(yīng)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)

注：AM-1.5,100mW/cm2,JIS-A組是國際標(biāo)準(zhǔn)，是指在每平方厘米上有相當(dāng)于100mV的太陽能照射。

3.3可見光響應(yīng)型太陽能電池的制備技術(shù)

可見光響應(yīng)型太陽能電池的制備工藝主要為絲網(wǎng)印刷。清洗并烘干玻璃襯底，用化學(xué)氣相沉積法先在上面沉積一層SnO2膜制成透明導(dǎo)電玻璃，然后在透明導(dǎo)電玻璃上鍍一層多孔納米晶氧化物薄膜，熱處理后吸附上起電荷分離作用的單層染料構(gòu)成光電極，對(duì)電極由鍍有催化劑（如鉑、碳等）的導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，中間充入具有氧化還原作用的電解液（如含I-/I3-的有機(jī)溶劑），經(jīng)密封劑封裝后，從電極引出導(dǎo)線。

3.4關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新

該課題組用已開發(fā)出的新型可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物半導(dǎo)體制備光電極來開發(fā)新型可見光響應(yīng)型太陽能電池，波長在800nm以內(nèi)的光能激發(fā)這種太陽能電池。在不使用有機(jī)染料條件下其太陽光轉(zhuǎn)化率已達(dá)到1.0%；從根本上解決了染料敏化太陽能電池壽命低且不穩(wěn)定的弱點(diǎn)。該課題組最新研究結(jié)果表明，由多種新型可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物半導(dǎo)體制備的光電極配以少量的染料來敏化電極可獲得更高的電流和電壓而不會(huì)影響新型可見光響應(yīng)型太陽能電池的壽命。這是世界上第一次可見光響應(yīng)型太陽能電池的研究。

用可見光響應(yīng)型光電極制備的太陽能電池作為新一代太陽能電池，這是世界上首次的研究，其具有明顯的原創(chuàng)性，結(jié)果表明有廣泛的實(shí)用化前景。本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處是利用自己開發(fā)的可見光響應(yīng)型電極材料制備太陽能電池，有效利用半導(dǎo)體和染料的光吸收，使二者在產(chǎn)生電流過程中相輔相成，有望更高的能量轉(zhuǎn)化效率。該研究成果可以向市場(chǎng)提供高效率、低價(jià)格的光電轉(zhuǎn)換器件等一系列新產(chǎn)品，用于民用及軍事之目的。

第四章可見光響應(yīng)型太陽能電池的研發(fā)計(jì)劃

4.1現(xiàn)有研究進(jìn)展

該課題組已經(jīng)成功合成了在可見光領(lǐng)域動(dòng)作的氧化物半導(dǎo)體光催化劑，從根本上解決了可見光響應(yīng)型光電極材料。這一成果已于2001年末在《Nature》上發(fā)表，并開發(fā)出一系列新型光催化劑，在更寬的可見光領(lǐng)域（至600nm）有反應(yīng)，已申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專利。

4.2研究工作基礎(chǔ)和條件

可見光響應(yīng)型光電極材料是整個(gè)太陽能電池的關(guān)鍵，其性能的好壞直接關(guān)系到太陽能電池的效率。該課題組針對(duì)光電極材料做了大量研究工作，目前已獲得和申請(qǐng)七項(xiàng)專利：

（一）堿金屬和Ag的鉍系復(fù)合氧化物可見光響應(yīng)的光催化劑及其應(yīng)用

授權(quán)公告日：2005年8月17日

專利號(hào)：ZL03158264.8

鄒志剛、陳延峰、葉金花

【摘要】

堿金屬和Ag的鉍系復(fù)合氧化物可見光響應(yīng)的光催化劑，一般式：MBiO3?nH2O表示的復(fù)合氧化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的光催化劑(在式中，M必須表示Li、Na、K、Ag中的至少一個(gè)元素，0≤n≤2)。該復(fù)合氧化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的，用于分解有害化學(xué)物質(zhì)的光催化劑。用于分解有害化學(xué)物質(zhì)的光催化劑時(shí)，以對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行包括紫外線及可見光線在內(nèi)的光照為特點(diǎn)的，分解、去除有害化學(xué)物質(zhì)。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、堿金屬和Ag的鉍系復(fù)合氧化物可見光響應(yīng)的光催化劑，其特征是由下式：MBiO3?nH2O表示的復(fù)合氧化物半導(dǎo)體所構(gòu)成的光催化劑，在式中，M表示Li、Na、K、Ag中的至少一個(gè)元素，0≤n≤2。

（二）具有可見光響應(yīng)的多孔薄膜半導(dǎo)體光電極及光電化學(xué)反應(yīng)裝置及制備

申請(qǐng)日：2003年11月5日

申請(qǐng)?zhí)枺?00310106207.9

鄒志剛、陳延峰、葉金花

【摘要】

具有可見光響應(yīng)的多孔薄膜半導(dǎo)體光電極，這種進(jìn)行能量蓄積型反應(yīng)的光電化學(xué)電池所用的是薄膜半導(dǎo)體光電極，成多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體形成；該多孔薄膜半導(dǎo)體光電極由2類以上的元素構(gòu)成，至少有一種元素A為鉍，銀，銅，錫，鉛，釩，銦，鐠，鉻以及鎳中的一種：另一類元素B從鈦，鈮，鉭，鋯，鉿，鉬，鎢，鋅，鎵，銦，鍺以及錫中選出。本發(fā)明是可以將太陽光等可見光有效地轉(zhuǎn)換成氫氣等化學(xué)能源的簡(jiǎn)單裝置。即使是量子吸收率很低的電極，只要成膜方法盡可能地完善，其量子吸收率也將接近100％，因此，它將使得從取之不盡的太陽光和水中有效地制取氫氣成為可能，進(jìn)一步接近實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)的目標(biāo)。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、具有可見光響應(yīng)的多孔薄膜半導(dǎo)體光電極，其特征是這種進(jìn)行能量蓄積型反應(yīng)的光電化學(xué)電池所用的是薄膜半導(dǎo)體光電極，光電極由具有可見光響應(yīng)的，成多孔結(jié)構(gòu)的，復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體形成；該多孔薄膜半導(dǎo)體光電極由2類以上的元素構(gòu)成，價(jià)帶能級(jí)上部含有氧化物以外的元素能級(jí)的，具有可見光響應(yīng)的，復(fù)合金屬氧化物類半導(dǎo)體；這種復(fù)合金屬氧化物類半導(dǎo)體，由2種及以上的金屬元素構(gòu)成：這其中至少有一種元素A為鉍，銀，銅，錫，鉛，釩，銦，鐠，鉻以及鎳中的一種：另一類元素B從鈦Ti，鈮Nb，鉭Ta，鋯Zr，鉿Hf，鉬Mo，鎢W，鋅Zn，鎵Ga，銦In，鍺Ge以及錫Sn中選出。（三）可見光響應(yīng)的光催化劑及其應(yīng)用

申請(qǐng)日：2003年11月13日

申請(qǐng)?zhí)枺?00310106280.6

鄒志剛、陳延峰、葉金花

【摘要】

本發(fā)明提供高效的吸收太陽光中紫外線和可見光的高活性光催化劑，以及利用這些光催化劑分解有害化學(xué)物質(zhì)和分解水制氫的方法。這些光催化劑是由銦和元素周期表中5A元素以及過渡金屬元素M形成的復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，InAO4(A：5A元素)所表示的氧化物半導(dǎo)體和其中一部分銦被置換為過渡金屬M(fèi)后的化學(xué)式In1-xMxAO4，其中銦和M的摩爾數(shù)之和與A的摩爾數(shù)相等，這些復(fù)合氧化物半導(dǎo)體作為光催化劑。利用這些光催化劑在進(jìn)行含有紫外線和可見光的太陽光照射下，實(shí)現(xiàn)分解有害化學(xué)物質(zhì)和分解水制氫。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、可見光響應(yīng)的光催化劑，其特征是由銦和元素周期表中5A元素以及過渡金屬元素M形成的復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，InAO4(A：5A元素)所表示的氧化物半導(dǎo)體和其中一部分銦被置換為過渡金屬M(fèi)后的化學(xué)式In1-xMxAO4，其中銦和M的摩爾數(shù)之和與A的摩爾數(shù)相等，這些復(fù)合氧化物半導(dǎo)體作為光催化劑。（四）含鉍復(fù)合氧化物BiMO4和Bi2NO6型半導(dǎo)體光催化劑及制備和應(yīng)用

申請(qǐng)日：2004年6月15日

申請(qǐng)?zhí)枺?00410011284.5

李敦鈁、祝梅、鄒志剛

【摘要】

含鉍復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，具有紫外和可見光響應(yīng)特性，A：BiMO4、B：Bi2NO6，其中Bi表示鉍，O表示氧，M表示V釩、Nb鈮和Ta鉭，N表示Mo鉬和W鎢，作為降解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌的高活性光催化劑。A與B的摩爾比為1∶0.1-6。所述光催化劑在紫外或可見光照射下分解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌，反應(yīng)的方式可以是將光催化劑作為粉末懸浮于含有機(jī)物的水溶液以流化床的方式進(jìn)行光照射；或者將光催化劑固定在基體上，以固定床的方式在光照射下分解流過其表面的水溶液中的有機(jī)物，或用于分解室內(nèi)氣體中的有機(jī)物、有害氣體和殺菌。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、含鉍復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，具有紫外和可見光響應(yīng)特性，其特征是A：BiMO4、B：Bi2NO6，其中Bi表示鉍，O表示氧，M表示V釩、Nb鈮和Ta鉭，N表示Mo鉬和W鎢，作為降解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌的高活性光催化劑。（五）納米鈷化合物的制備方法

申請(qǐng)日：2005年11月12日

申請(qǐng)?zhí)枺?00410065678.4

李敦鈁、祝梅、鄒志剛

【摘要】

納米鈷化合物的制備方法，采用Co(OH)2、CoCO3、Co2(OH)2CO3、Co(NO3)2?6H2O、Co(CH3COO)2?4H2O、CoC2O4為含鈷原料，用于制備納米氧化鈷；TiO2、Fe2O3為含鈦、鐵原料，與上述含鈷原料配合分別制備納米鈦酸鈷CoTiO3和納米鐵酸鈷CoFe2O4；氧化鋁Al2O3、氫氧化鋁Al(OH)3、擬薄水鋁石、薄水鋁石(AlOOH)、硝酸鋁Al(NO3)3?9H2O為含鋁原料，與上述含鈷原料配合制備納米鈷藍(lán)CoAl2O4；采用微波干燥煅燒與高能球磨機(jī)球磨結(jié)合的制備方法。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大，能耗較低，可用于顏料、光吸收、敏感、催化、電池材料及其它功能材料。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、納米鈷化合物的制備方法，包括平均粒徑小于100納米(nm)的納米氧化鈷Co3O4、納米鈦酸鈷CoTiO3、納米鐵酸鈷CoFe2O4、納米鈷藍(lán)CoAl2O4的制備，其特征是采用Co(OH)2、CoCO3、Co2(OH)2CO3、Co(NO3)2?6H2O、Co(CH3COO)2?4H2O、CoC2O4為含鈷原料，用于制備納米氧化鈷；TiO2、Fe2O3為含鈦、鐵原料，與上述含鈷原料配合分別制備納米鈦酸鈷CoTiO3和納米鐵酸鈷CoFe2O4；氧化鋁Al2O3、氫氧化鋁Al(OH)3、擬薄水鋁石、薄水鋁石(AlOOH)、硝酸鋁Al(NO3)3?9H2O為含鋁原料，與上述含鈷原料配合制備納米鈷藍(lán)CoAl2O4；采用微波干燥煅燒與高能球磨機(jī)球磨結(jié)合的制備方法。（六）真空限氧法制備不同形貌氧化鋅的技術(shù)

申請(qǐng)日：2005年4月29日

申請(qǐng)?zhí)枺?00510039156.1

李敦鈁、祝梅、鄒志剛（七）可見光響應(yīng)型光催化薄膜層的制備方法

申請(qǐng)日：2005年3月11日

申請(qǐng)?zhí)枺?00510038095.7

李敦鈁、祝梅、鄒志剛

【摘要】

可見光響應(yīng)型光催化薄膜層的制備方法，其特征是將各種欲涂負(fù)的內(nèi)核或襯底材料放入含鉍化合物、含釩化合物的水溶液中，原料為水溶性的含鉍化合物、含釩化合物、添加劑和絡(luò)合劑，氫氧化鈉NaOH，氫氧化鉀KOH，硝酸HNO3。制備的原料還可以是各種有機(jī)的含鉍化合物、含釩化合物；同時(shí)輔助超聲波攪拌，經(jīng)過1-360min的處理后，取出用水或有機(jī)溶劑清洗，獲得不同厚度、粒度、嵌布狀態(tài)和表面形貌的釩酸鉍可見光響應(yīng)型光催化表面層。本發(fā)明得到的這些表面含有釩酸鉍光催化劑的負(fù)載材料具有很強(qiáng)的消毒、殺菌、去污、除臭功能。本發(fā)明制備技術(shù)流程十分簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，規(guī)?？纱罂尚。弦椎?，成本低廉。

【主權(quán)項(xiàng)】

1、可見光響應(yīng)型光催化薄膜層的制備方法，其特征是將各種欲涂負(fù)的內(nèi)核或襯底材料放入含鉍化合物、含釩化合物的水溶液中，原料為水溶性的含鉍化合物(如硝酸鉍Bi(NO3)3?5H2O，氯化鉍BiCl3或醋酸鉍等)、含釩化合物(如釩酸鈉NaVO3，偏釩酸銨NH4VO3等)、添加劑(如磷酸氫鈉NaH2PO4、磷酸氫二鈉Na2HPO4、磷酸氫鉀KH2PO4、磷酸氫二鉀K2HPO4、硼酸H3BO3、磷酸鈉Na3PO3、磷酸鉀K3PO3、Na2CO3或K2CO3等，作為pH緩沖劑)和絡(luò)合劑(如乙二胺四乙酸EDTA、檸檬酸C6H8O7?5H2O或甘胺酸)，氫氧化鈉NaOH，氫氧化鉀KOH，硝酸HNO3。制備的原料還可以是各種有機(jī)的含鉍化合物、含釩化合物；在室溫至220℃的條件下或同時(shí)輔助超聲波攪拌，經(jīng)過1-360min的處理后，取出用水或有機(jī)溶劑清洗，獲得不同厚度、粒度、嵌布狀態(tài)和表面形貌的釩酸鉍可見光響應(yīng)型光催化表面層。

4.3課題組介紹

該課題組是南京大學(xué)環(huán)境材料與再生能源研究中心一支以活躍在材料科學(xué)界的年輕人為骨干的隊(duì)伍，其中包括教育部長江計(jì)劃特聘教授2人、國家杰出青年基金獲得者1人，博士研究生若干人。學(xué)科帶頭人鄒志剛教授為日本東京大學(xué)理學(xué)博士，現(xiàn)為南京大學(xué)長江學(xué)者特聘教授，環(huán)境材料與再生能源研究中心主任,博士生導(dǎo)師，并兼任日本國家材料研究所客座研究員。長期從事材料物理化學(xué)和光催化的研究，在Nature，Phy.Rev.Lett.，Angew.Chem.Int.Edit，Chem.Mater.等雜志上發(fā)表論文110余篇，申請(qǐng)專利十余項(xiàng)。

目前活躍在太陽能研究與制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物大多是留學(xué)海外歸來的中青年學(xué)者，如中電電氣南京光伏有限公司的總經(jīng)理趙建華博士，無錫尚德太陽能電力有限公司董事長施正榮博士。因此，我們深信，以南京大學(xué)鄒志剛教授為首的課題組將成為另一個(gè)中國太陽能電池行業(yè)的領(lǐng)軍式人物，而且將對(duì)中國開發(fā)更具國情的低成本新型太陽能電池起到較大的推動(dòng)作用。

4.4下一步研究計(jì)劃

總體研究計(jì)劃為三年后的開發(fā)目標(biāo)為轉(zhuǎn)換效率11%，十年后轉(zhuǎn)換效率提高至15%。力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)整體生產(chǎn)計(jì)劃成本4-5元/Wp的目標(biāo)。最終實(shí)現(xiàn)成本3元/Wp以下的目標(biāo)。

具體研究?jī)?nèi)容如下：

1、高性能光電極的制作

通過溶膠凝膠、水熱合成和化學(xué)共沉淀技術(shù)合成二氧化鈦和可見光響應(yīng)型納米材料，控制顆粒的直徑以及形狀，精密控制各種不同粒徑的可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物顆粒的混合，掌握基于光散射效果的光吸收效率最大的可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物光電極制作技術(shù)。在開發(fā)提高光電流的可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物光電極的同時(shí)，找出不同粒徑之間的最佳配比。制作出能充分發(fā)揮具有更寬吸收帶的新型高性能可見光響應(yīng)型光電極，為實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。由可見光響應(yīng)型光電極的低溫制作技術(shù)開始，利用特殊形狀的可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物微顆粒的積層膜、液相直接析出法等革新手法，朝著制作高導(dǎo)電性可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物薄膜的目標(biāo)努力，探討高性能可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物光電極制作方法。

為了制作可以最大限度地發(fā)揮光吸收效果的可見光響應(yīng)型復(fù)合氧化物光電極，進(jìn)行以下幾項(xiàng)研究：

（1）制作15nm~250nm粒度均勻的顆粒。

（2）使用上述粒度的微粒，實(shí)現(xiàn)2~3層的層狀構(gòu)造，提高光散射效果。例如，將散射效果在550nm時(shí)最大的微粒（200nm左右）和在650nm時(shí)最大的微粒（250nm左右），與普通的微粒（30nm）組合成3層構(gòu)造，大幅度提高長波區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率。

2、高性能復(fù)合氧化物半導(dǎo)體光電極的開發(fā)

目前的染料敏化太陽能電池，雖然使用了TiO2光電極，但存在從染料注入TiO2的電子在TiO2界面損失大，體內(nèi)的電子移動(dòng)速度慢等問題。為從根本上解決，該課題組提出不使用染料的可見光響應(yīng)型光電極。為提高可見光響應(yīng)型光電極型太陽能電池的性能，需要更多的吸收可見光。最近該課題組研究成果表明，由多種氧化物材料組合而成的可見光響應(yīng)型光電極可以大幅度提高電流和電壓。單一材料光電極中則見不到這種相乘效果。這一發(fā)現(xiàn)，可使具有導(dǎo)電性、導(dǎo)帶能級(jí)、高表面積、不同狀態(tài)等特征的不同材料進(jìn)行合理的組合，提高可見光響應(yīng)型太陽能電池的性能。為了獲得這種高性能的光電極，按各種途徑開發(fā)新型復(fù)合氧化物半導(dǎo)體電極，最終開發(fā)出比另一種材料的光電極的電流和電壓具有更高性能的復(fù)合氧化物系半導(dǎo)體光電極，為提高效率貢獻(xiàn)力量。

3、新型高性能電解質(zhì)溶液的開發(fā)

染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)中含有氧化還原電對(duì)，其電極電位對(duì)電池的開路電壓以及染料的再生（染料氧化態(tài)的還原）起重要的作用?，F(xiàn)在使用碘系中間體，不能精密控制其氧化還原電位。另外，450nm以下該中間體有光吸收，從而妨礙染料的光吸收。因而以開發(fā)新型氧化還原電對(duì)為目的，開發(fā)對(duì)中間體直接配位的溶液、添加劑等，獲得自由控制電對(duì)的能級(jí)技術(shù)，在可見光區(qū)域沒有強(qiáng)的光吸收的新型中間體，以期得到高電壓。通過這一研究可期待開發(fā)出高電壓染料敏化太陽能電池。作為電解質(zhì)溶液添加劑使用的有機(jī)堿（TBP），被吸附在氧化物半導(dǎo)體表面，抑制暗電流，對(duì)提高開路光電壓起一定作用，但也有使染料易于剝離半導(dǎo)體的問題。因而需要開發(fā)克服這一問題的新型添加劑。在構(gòu)成高性能電池階段，有必要對(duì)半導(dǎo)體電極，金屬配合物，有機(jī)染料，電解質(zhì)溶液和對(duì)電極等進(jìn)行精密的電子移動(dòng)控制，應(yīng)有目的地配制出一系列具有各種特性的電解質(zhì)溶液。綜上所述，開發(fā)出的新型中間體系包括添加劑，高性能電解質(zhì)溶液等。

4、高性能對(duì)電極的開發(fā)

現(xiàn)在使用的染料敏化太陽能電池的對(duì)電極，是Pt微粒子積層的導(dǎo)電性玻璃，催化碘素中間體的還原反應(yīng)。Pt的使用，制約了太陽能電池的成本。希望尋求代替Pt，價(jià)格更低廉，無資源限制的高性能對(duì)電極材料，開發(fā)出高性能對(duì)電極。作為最有希望的代替材料，可考慮使用大表面積的碳系觸媒。開發(fā)與Pt具有同樣高性能的碳系對(duì)極，與工作電極（光電極）采用同樣的印刷技術(shù)，便宜、高速地制作對(duì)電極。

對(duì)電極材料必須具有的觸媒特性是，可高效率地還原碘中間體。首先調(diào)查各種碳系材料（非晶碳等）的觸媒特性。其次利用與導(dǎo)電性物質(zhì)混合等手段，在表面積增加的基礎(chǔ)上，增加活性點(diǎn)，提高效率。

5、關(guān)于可見光響應(yīng)型太陽能電池信賴性及穩(wěn)定性的技術(shù)開發(fā)

關(guān)于可見光響應(yīng)型太陽能電池的穩(wěn)定性，已進(jìn)行了室溫下可視光連續(xù)照射3500小時(shí)的穩(wěn)定性試驗(yàn)?？蓪?500小時(shí)連續(xù)照射換算成太陽光照射，約為2~3年，太陽能發(fā)電所必須確保的20年穩(wěn)定性的指標(biāo)，仍是一個(gè)未被解決的課題。進(jìn)一步講，高溫、高濕等近似室外條件下的耐久性評(píng)價(jià)，電解液的封裝技術(shù)成為問題的關(guān)鍵。關(guān)于耐熱性，有希望由可見光響應(yīng)型光電極的制作和固體化電解質(zhì)的開發(fā)來大幅度提高，但由于水分、紫外光等條件的影響，還有很多課題需要探討。例如，封裝殼中含有水分時(shí)，光照射等產(chǎn)生副反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)等有機(jī)物值分解。另外，可以想象紫外線、高溫狀態(tài)下有可能促進(jìn)這種副反應(yīng)。即使電解質(zhì)被固化后，外部大氣中的水分也有可能侵入封裝殼，掌握住水分的影響是提高耐久性必不可少的因素。如果找到避免紫外線照射影響的辦法，室外環(huán)境下也不需要特殊的濾光片，太陽能電池封裝殼的制作工序?qū)⒋蟠蠛?jiǎn)化，對(duì)節(jié)約費(fèi)用也很有利?？偠灾?，應(yīng)明確估價(jià)出太陽能電池封裝殼制作時(shí)的條件，評(píng)價(jià)時(shí)的環(huán)境對(duì)其耐久性的影響，以此為目的進(jìn)行開發(fā)研究。

進(jìn)一步試驗(yàn)支出預(yù)算金額說明：

1、材料費(fèi)襯底材料、化學(xué)試劑、藥品；35萬

2、試驗(yàn)外協(xié)費(fèi)，性能測(cè)試；2萬

3、差旅費(fèi)：國內(nèi)、國際會(huì)議；8萬

4、其它費(fèi)用：能源動(dòng)力、論文出版及專利申請(qǐng)、研究生助研費(fèi)等；5萬

第五章可見光響應(yīng)型太陽能電池的市場(chǎng)前景

5.1太陽能電池發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境

5.1.1豐富的太陽能資源

我國是世界上最大的能源消費(fèi)國之一，要滿足未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，完全依賴煤炭、石油等常規(guī)能源，既不現(xiàn)實(shí)也不可行，積極開發(fā)和利用可再生能源，尤其是分布最普遍的太陽能將是我國可再生能源利用的必由之路。

我國擁有極為豐富的太陽能資源，陸地面表面每年接受太陽輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，全國2／3的國土面積日照在2200小時(shí)以上。如果將這些太陽能全都用于發(fā)電，約等于上萬個(gè)三峽工程發(fā)電量的總和。

我國的疆界，南從北緯4o附近西沙群島的曾母暗沙以南，北到北緯52o32’黑龍江省漠河以北的黑龍江江心，西自東經(jīng)73o附近的帕米爾高原，東到東經(jīng)135o10’的黑龍江和烏蘇里江的匯流處，土地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度，從南到北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960×104km2，占世界陸地總面積的7%，居世界第三位；在我國廣闊富饒的土地上，有著豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽能總輻射量為3340~8400MJ/(m2?a)，中值為5852MJ/(m2?a)。從全國太陽能年總輻射量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽能總輻射量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，這里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長。全國以四川和貴州兩省的太陽能年總輻射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、霧多、晴天較少。其他地區(qū)的太陽能年總輻射量居中。

我國太陽能資源分布圖如圖所示。圖4我國太陽能資源分布圖顏色輻射等級(jí)年輻射量（MJ/m2）日輻射量（KWh/m2）紅最好≥6680≥5.1桔紅好5850－66804.5–5.1黃一般5000－58503.8–4.5淺藍(lán)較差4200－50003.2–3.8深藍(lán)很差<4200<3.2

根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為如下五類地區(qū)：

一類地區(qū)為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為3200~3300h，年太陽輻射總量6680-8400MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量5.1-6.4KWh/m2，225~285kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá)8400MJ/m2（日輻射量6.4KWh/m2），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。

二類地區(qū)為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為3000~3200h，年太陽輻射總量為5852-6680MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量4.5-5.1KWh/m2，200~225kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。

三類地區(qū)為我國太陽能資源中等類型地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為2200~3000h，年太陽輻射總量為5016-5852MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.8-4.5KWh/m2，170~200kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺(tái)灣西南部等地。

四類地區(qū)是我國太陽能資源較貧乏地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為1400~2200h，年太陽輻射總量4190-5016MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.2-3.8KWh/m2，140~170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。

五類地區(qū)主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為1000~1400h，年太陽輻射總量3344-4190MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量只有2.5-3.2KWh/m2，115~140kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。

一、二、三類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)大于2000h，太陽能總輻射量高于5016MJ／(m2?a)，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)。這三類地區(qū)面積較大，約占全國總面積的2／3以上，具有利用太陽能的良好條件。特別是一、二類地區(qū)，正是我國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠(yuǎn)的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后?？沙浞掷卯?dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。四、五類地區(qū)，雖然太陽能資源條件較差，但是也有一定的利用價(jià)值，其中有的地方是可能開發(fā)利用太陽能的。總之，從全國來看，我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，具有發(fā)展太陽能利用事業(yè)的得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件，只要我們?cè)鷮?shí)實(shí)地努力工作，太陽能利用事業(yè)在我國是有著廣闊的發(fā)展前景的。

太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級(jí)氣象臺(tái)站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。

可以說，豐富的太陽能資源已成為我國向太陽能電池生產(chǎn)與消費(fèi)大國邁進(jìn)的重要條件。

5.1.2嚴(yán)峻的能源與環(huán)保形勢(shì)

中國是世界上重要的能源生產(chǎn)大國，更是世界上的能源消費(fèi)大國。一方面由于中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了對(duì)能源的高需求，另一方面由于粗放型的經(jīng)濟(jì)增長方式也帶來能源利用效率較低和能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)表明：目前每百萬美元能耗，中國是世界平均水平的3.1倍，是OECD(經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織)國家和地區(qū)的4.3倍，更是日本的9倍。

中國已探明的常規(guī)能源資源總量（以噸煤當(dāng)量計(jì)）是155Gt，占世界總量的10.7%，但由于我國人口眾多，人均能源資源（以噸煤當(dāng)量計(jì)）只有135t，相當(dāng)于世界平均擁有量264t的51%。中國能源利用終端效率為33%，比發(fā)達(dá)國家約低10個(gè)百分點(diǎn)。目前，我國能源的供應(yīng)狀況為：煤炭比重過大，環(huán)境壓力沉重，人均能耗遠(yuǎn)低于世界平均水平，能源技術(shù)落后，系統(tǒng)效率低，產(chǎn)品能耗高，資源浪費(fèi)大。2004年，我國的能源消費(fèi)總量為19.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。專家預(yù)測(cè)，到2020年，我國一次性能源需求量為25～33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。屆時(shí)，按照33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的需求量來衡量，我國的煤炭供應(yīng)量將達(dá)到29億噸，石油為6.1億噸。然而，到2020年，我國煤炭產(chǎn)量最多可能只有22億噸左右，石油的最高產(chǎn)量也只有2億噸，供需缺口高達(dá)7億噸煤和4.1億噸油。此外，我國的能源供應(yīng)在今后還將面臨兩個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一是能源決策的國際環(huán)境復(fù)雜化，對(duì)國外石油資源的依存度快速加大；二是世界上化石能源的可持續(xù)供應(yīng)能力也遭遇嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

表2中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)年份煤炭（%）石油（%）天然氣（%）水電（%）197870.719804.0198575.819905.1199574.619996.7200467.7上表列出中國近年來的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。從表中可以看出中國的能源結(jié)構(gòu)中有一個(gè)最為不利的因素，即長期以來在能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中煤的比例占70%以上，以煤炭作為主要能源，造成嚴(yán)重的大氣污染。煤炭使用過程產(chǎn)生的污染是中國最大的大氣環(huán)境污染問題。全國煙塵排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物的67%、二氧化碳的70%都來自于燃煤。

在大氣污染物排放中，SO2排放與電力行業(yè)發(fā)展密切相關(guān)。燃煤電廠是煤炭的主要用戶，電力耗煤占煤炭總產(chǎn)量的60%，同時(shí)也是SO2排放大戶。除了能源消費(fèi)過程中的污染物排放外，能源在開采、煉制及供應(yīng)過程中，也會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量。2000年，能源生產(chǎn)相關(guān)行業(yè)煙塵排放量占全國煙塵總排放量的29.8%，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。另外，燃煤產(chǎn)生的氮氧化物就可能從2000年的1880萬噸的水平分別增加到2010年和2020年的2467萬噸和2870萬噸的水平。如果加上汽車尾氣排放的氮氧化物，未來20年氮氧化物的產(chǎn)生量還會(huì)增加。因此，未來20年減排氮氧化物的任務(wù)將比減排二氧化硫還要嚴(yán)峻。

水污染物排放：據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦每年產(chǎn)生的各種廢污水約占全國總廢污水量的25%。2000年，全國煤礦的廢污水排放量達(dá)到27.5億噸，其中，礦井水23億噸，工業(yè)廢水3.5億噸，洗煤廢水5000萬噸，其它廢水4500萬噸。

二氧化碳排放：二氧化碳排放與能源結(jié)構(gòu)、消費(fèi)量和能源效率等密切相關(guān)。中國是世界上僅次于美國的CO2排放量大國，1990年至2000年中國CO2排放量由6.66億噸碳增至8.81億噸碳，由占全球排放量的11.6%增至13.7%。

環(huán)境污染付出了高昂的經(jīng)濟(jì)和公眾健康成本。世界銀行根據(jù)目前發(fā)展趨勢(shì)預(yù)計(jì)，2020年中國燃煤污染導(dǎo)致的疾病需付出經(jīng)濟(jì)代價(jià)達(dá)3900億美元，占國內(nèi)生產(chǎn)總值的13%。

中國環(huán)境科學(xué)研究院的研究表明，在全國能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市布局、氣象條件等沒有發(fā)生重大變化以及不考慮新疆和西藏地區(qū)的前提條件下，全國SO2排放量控制在1200萬噸左右的情況下，全國大部分城市的SO2濃度才可以達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。中國環(huán)境科學(xué)研究院的《酸雨控制國家方案》研究表明，為了滿足硫沉降臨界負(fù)荷的要求，中國SO2年排放總量水平應(yīng)最終控制在1620萬噸左右。但是到2010年和2020年，即使按照低發(fā)展方案的計(jì)算，SO2的產(chǎn)生量也將分別達(dá)到2680萬噸和2789萬噸的水平，而按照高發(fā)展方案，二氧化硫產(chǎn)生量將達(dá)到3174萬噸和3945萬噸，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了環(huán)境目標(biāo)容量。

中國目前破壞臭氧層物質(zhì)的消耗量雖然有下降的趨勢(shì)，但其總量仍然很大，排放到大氣中的這類物質(zhì)對(duì)臭氧層仍然構(gòu)成巨大的威脅。目前中國能源使用排放的二氧化碳約占各種溫室氣體總排放量的80%。由此可見，中國在環(huán)保方面盡管取得了一些成績(jī)，但面臨的任務(wù)仍然十分艱巨，必須盡快降低破壞臭氧層物質(zhì)和溫室氣體的排放量。

在目前及今后的30～50年，我國具有實(shí)際發(fā)電和應(yīng)用能力的可再生資源主要是：小水電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能和太陽能。據(jù)計(jì)算，我國的小水電理論可開發(fā)量為115兆瓦，風(fēng)力發(fā)電為1000兆瓦，生物質(zhì)能為100兆瓦，而太陽能則有109萬兆瓦，即使只開發(fā)1％的太陽能，其裝機(jī)容量就能超過3600兆瓦，比其他可再生能源高出了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在眾多的新能源技術(shù)中，太陽能發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高、壽命長等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，值得大力發(fā)展。開發(fā)可再生能源、改善能源結(jié)構(gòu)是優(yōu)化能源配置，促使經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需要。

太陽能發(fā)電屬于清潔可再生能源，無論從能源角度，還是從環(huán)境角度，都是未來發(fā)展的重點(diǎn)，太陽能并網(wǎng)發(fā)電的推廣應(yīng)用，無疑會(huì)帶來良好的環(huán)境效益。

可以粗略計(jì)算“環(huán)境效益”如下：

①每KWh電耗煤：目前我國發(fā)電耗煤為平均390g標(biāo)煤/KWh(能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯編，國家計(jì)委能源所，1999。1，p16)

②每發(fā)1KWh電排放CO2

C+O2=CO2

123244

44/12?390=1430gCO2/KWh?1.4kgCO2/KWh=1.4?10-3TCO2/KWh

③每瓦光伏組件平均每年發(fā)1.5KWh。

④每瓦光伏組件平均每年相當(dāng)減排CO2噸數(shù)

1.5KWh?1.4?10-3噸CO2/KWh＝2.1?10-3T

按照EPIA的估計(jì)，光伏發(fā)電取代柴油發(fā)電機(jī)的CO2減排效果為1.59Kg/KWh；光伏并網(wǎng)發(fā)電的平均減排效果為1.5Kg/KWh。我國到2010年太陽能電池的累計(jì)用量將達(dá)到600MWp，預(yù)計(jì)其中五分之一是并網(wǎng)發(fā)電，五分之四是獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，則相當(dāng)于減排二氧化碳135萬噸；2020年光伏發(fā)電累計(jì)安裝30GWp，將減排6750萬噸。5.1.3可再生能源法實(shí)施帶來巨大機(jī)遇

由于原料和市場(chǎng)都依賴于國際市場(chǎng)，我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸急需突破。2006年1月1日，《可再生能源法》正式實(shí)施，相關(guān)配套措施也將很快出臺(tái)。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這預(yù)示著我國太陽能產(chǎn)業(yè)將迎來一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

《可再生能源法》的實(shí)施，對(duì)于解決我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)品有價(jià)無市的狀況將起到一定的作用。太陽能光伏電站所發(fā)的電力可以通過控制器和逆變器并入公共電網(wǎng)，而《可再生能源法》將這個(gè)過程有償化，規(guī)定輸入電網(wǎng)的電能電力公司必須按照一定的價(jià)格收購，這將直接降低太陽能電力的使用成本，為中國太陽能發(fā)電的普及應(yīng)用掃清障礙。

由于太陽能發(fā)電成本較高，目前國內(nèi)不能有償并網(wǎng)，導(dǎo)致我國的太陽能光伏發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐洲、日本、美國等發(fā)達(dá)國家，我國企業(yè)生產(chǎn)的太陽能電池基本銷往國外?！犊稍偕茉捶ā氛綄?shí)施后，將太陽能發(fā)電并網(wǎng)合法化，并規(guī)定了電網(wǎng)必須收購太陽能電力，這將給中國的新能源產(chǎn)業(yè)，尤其是太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)打開國內(nèi)市場(chǎng)的大門。屆時(shí)，太陽能電池產(chǎn)品等可再生能源國內(nèi)銷路有望打開，其潛在市場(chǎng)價(jià)值達(dá)約1000億元人民幣。

由于經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展對(duì)能源的需求極度膨脹，到2015年，中國所需電力裝機(jī)至少是10億千瓦，到2050年將至少是25億千瓦。中國巨大的能源需求將不能期望由一次性能源來解決，而只能寄希望于可再生能源。

《可再生能源法》的實(shí)施，對(duì)于解決太陽能產(chǎn)品有價(jià)無市的狀況，也將起到一定的作用。太陽能產(chǎn)品在使用中會(huì)產(chǎn)生一定的電能，這部分電能可以通過專門的設(shè)備并入電網(wǎng)。而《可再生