燃料電池和太陽能電池的區(qū)別

【專家解說】：燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點: (1)能量轉(zhuǎn)化效率高 他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率在45%~60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%。 (2)有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，無機械振動。 (3)燃料適用范圍廣:燃料電池既可適用于城市大型發(fā)電站，也可作為醫(yī)院、商店、集體宿舍、邊遠(yuǎn)山區(qū)的小型發(fā)電裝置，以及日常和國防用于行走機械的動力系統(tǒng)。燃料電池的開發(fā)時今后電氣新能暈應(yīng)用的重大方向，它的研制具有重大的社會意義和經(jīng)濟意義。 (4)積木化強 規(guī)模及安裝地點靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適 (5)負(fù)荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高 燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負(fù)荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻 燃料電池原理率偏移和電壓波動，降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。 (6) 環(huán)境保護(hù)性:通過燃料電池系統(tǒng)釋放出的污染物比直接燃燒要降低幾個數(shù)量級，可有效的保護(hù)環(huán)境。 (7)模塊設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊:設(shè)備可以模塊化，尺寸靈活性大，發(fā)電量易于調(diào)節(jié)。 (8) 位置靈活性:燃料電池是一種獨立的發(fā)電體系，由于沒有運動部件，所以可以沒有噪聲污染，可以方便使用，隨意放置，不受周圍環(huán)境限制。 (9) 可以采用多種燃料:高溫操作型燃料電池不需要外部還原系統(tǒng)，在這一方面更具有優(yōu)勢。 硅基電池包括多晶硅、單晶硅和非晶硅電池三種。產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池的效率可達(dá)到14%~20%(單晶體硅電池16%~20%，多晶體硅14%~16%)。目前產(chǎn)業(yè)化太陽電池中，多晶硅和單晶硅太陽電池所占比例近90%。硅基電池廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。 (1)單晶硅太陽能電池單晶太陽電池板單晶太陽電池板硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高(16%~20%)，技術(shù)也最為成熟?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，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)化效率主要是單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(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。Kyocera公司制備的大面積(225cm2)單電晶太陽能電池轉(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格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下。 (2)多晶硅太陽電池 多晶硅太陽電池成本低，轉(zhuǎn)化效率較高(14%~16%)，生產(chǎn)工藝成熟，占有主要光伏市場，是現(xiàn)在太陽電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。多晶硅太陽電池已經(jīng)成為全球太陽電池占有率最高的主流技術(shù)。但多晶硅太陽電池效率低于單晶硅電池。比較單位成本發(fā)電效率，兩者接近。 (3)非晶硅太陽電池 非晶硅的優(yōu)點在于其對于可見光譜的吸光能力很強(比結(jié)晶硅強500倍)，所以只要薄薄的一層就可以把光子的能量有效吸收。而且這種非晶硅薄膜生產(chǎn)技術(shù)非常成熟，不僅可以節(jié)省大量的材料成本，也使得制作大面積太陽電池成為可能。主要缺點是轉(zhuǎn)化率低(5%-7%)，而且存在光致衰退(所謂的S-W效應(yīng)，即光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，使電池性能不穩(wěn)定)。因此在太陽能發(fā)電市場上沒有競爭力，而多用于功率小的小分型電子產(chǎn)品市場。如電子計算器、玩具等。 在1980年代，非晶硅是唯一商業(yè)化的薄膜型太陽電池材料，當(dāng)年非晶硅太陽電池出現(xiàn)，曾引起大量投入。從1985到1990年初，非晶硅太陽電池的比例曾創(chuàng)下全球太陽電池總量三分之一，但之后卻因為穩(wěn)定性不佳問題未能獲得有效改善，使得產(chǎn)量下滑。 薄膜太陽電池 依據(jù)材料種類不同，薄膜電池可細(xì)分為:微晶硅薄膜硅太陽電池(Thin Film Crystalline Silicon Solar Cell，簡稱c-Si);非晶硅薄膜太陽電池(Thin Film Amorphous Silicon Solar Cell，簡稱a-Si)、Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池(碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅)、Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池，如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵銦(InGaP)。除了Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池可以利用多層薄膜結(jié)構(gòu)達(dá)到高于30%以上的轉(zhuǎn)換效率外，其他的集中薄膜型太陽電池效率一般多在10%以下。 目前已產(chǎn)業(yè)化的薄膜光伏電池材料有三種:非晶硅 (a-Si)、銅銦硒(CIS， CIGS) 和碲化鎘(CdTe)，其中，非晶硅薄膜電池生產(chǎn)比重最大。2007年，占全球總產(chǎn)量的5.2%。 (1) Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池 典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池為砷化鎵(GaAs)電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到30%以上，這是因為Ⅲ-Ⅴ族是具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，僅僅2um厚度，就可在AM1的輻射條件下吸光97%左右。在單晶硅基板上，以化學(xué)氣相沉積法成長GaAs薄膜所制成的薄膜太陽電池，因效率較高，應(yīng)用在太空。而新一代的GaAS多接面太陽電池，因可吸收光譜范圍高，所以轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到39%以上，是目前轉(zhuǎn)換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長。不過這種電池價格昂貴，平均每瓦價格可高出多晶硅太陽電池數(shù)十倍以上，因此不是民用主流。 因為具有直接能隙及高吸光系數(shù)，而且耐反射損傷性佳且對溫度變化不敏感，所以適合應(yīng)用在熱光伏特系統(tǒng)(thermophotovolaics TRV)、聚光系統(tǒng)(concentrator system)及太空等三個主要領(lǐng)域。 從2007年8月開始，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶柲馨l(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。砷化鎵高效聚光電池在國外正在被證明是低成本規(guī)模建造太陽能電站的有效途徑。 (2)Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池 Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽電池包括碲化鎘薄膜電池和銅銦鎵硒薄膜電池。 碲化鎘電池具有直接能隙，能隙值為1.45eV，正好位于理想太陽電池的能隙范圍內(nèi)。此外，具有很高的吸光系數(shù)。成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。此外，可利用多種快速成膜技術(shù)制作，由于模組化生產(chǎn)容易，因此近年來商業(yè)性表現(xiàn)較佳，CdTe/glass已經(jīng)用于大面積屋頂材料。但鎘污染問題是發(fā)展該薄膜電池的一項隱患。不過美國和德國已經(jīng)推行CdTe太陽電池回收及再生機制，為市場注入正面力量。由于該電池制作過程耗時只有幾分鐘，易于快速批量生產(chǎn)，因此美國方面相當(dāng)看好市場前景。認(rèn)為未來可能超過非晶硅太陽電池占有量。 銅銦鎵硒吸光范圍非常廣，而且戶外環(huán)境下穩(wěn)定性相當(dāng)好。由于其具有高轉(zhuǎn)換效率和低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵胤N類之一。在轉(zhuǎn)換效率方面，若利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到30%左右，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試下最高也達(dá)到了19.5%水平，可以和單晶硅太陽電池媲美。除了適合用在大面積的地表用途外，Cu(InGa)Se2太陽電池也具有抗輻射損傷能力，所以也具有應(yīng)用在太空領(lǐng)域潛力。太陽電池片經(jīng)過30年發(fā)展，CIGS電池普及性仍然不高。小規(guī)模的量產(chǎn)階段并未明確看到它被世人期待的成本優(yōu)勢。因此，如何使得太陽電池量產(chǎn)技術(shù)成熟化大幅降低制造成本是未來努力的課題。另一個發(fā)展方向，是發(fā)展比較寬能隙(大于1.5eV)的CIGS技術(shù)，而不會造成效率損失。發(fā)展可以制造高品質(zhì)的CIGS薄膜低溫制造過程，也是降低制造成本的一個重點。在低材料成本及高模組效率的市場潛力吸引下，近年來，除了Shell Solar，Wrth Solar， Showa Shell，ZSW等持續(xù)投入研發(fā)外，甚至本田也跟進(jìn)生產(chǎn)。CIGS太陽電池發(fā)展的隱患是In及Ga的蘊藏量有限，在其他半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)競相使用下，可能面臨目前硅材料不足的同樣問題。同時，制造工藝復(fù)雜，投資成本高，因而制約市場成長;CdS具有潛在毒性的缺點，因此限制了市場發(fā)展