非晶硅电池板在光伏建筑一体化（BIPV）上的应用

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作者：OE Fan 文章来源：光电迷点击数：更新时间：2008-4-14

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　　摘要：太阳能光电池板安装在建筑物上，构成光电幕墙，其不但具有幕墙的功能，同时又能产生电能，形成光伏建筑一体化。
　　主题词：
　　光电幕墙 photoelectricity curtain wall
　　晶体硅电池 crystal silicon cell
　　非晶硅电池 amorphous silicon cell
　　光伏建筑一体化Building Integrated
　　Photovoltaics(BIPV)

　　1、前言
　　中国是全球人均能源保有量最低的国家之一，但人均能源消费量居世界第二，中国的经济总量排名世界第三，但电力消耗却紧次于美国；能源的紧缺成为中国乃至世界各国家发展的主要问题，解决能源紧缺的问题成为各国首当其冲的任务。化石能源的资源的有限性和开发利用带来的环境问题严重制约着经济和社会的可持续发展。可再生能源资源丰富、分布广泛、环境影响小、可持续利用。加快可再生能源的开发利用是解决我国能源和环境问题的重要途径和措施。中国和世界常规能使用及规划见下图源；

　　我国是耗能大国，建筑能耗占全社会总能耗的25%，其中建筑采暖、空调、照明占14%，建筑建造能耗为11%，今后比例还可能有所上升，因此，我国政府在“十一五”规划纲要(草案)中，明确提出我国将建设资源节约型、环境友好型社会。规划纲要中提出，到2010年，GDP单位能耗要降低20%，为此，可再生能源，特别是太阳能的有效利用，将对我国的能源结构产生深远的影响。节能的65%主要由建筑围护系统承担,因此，通过建筑一体化设计，更广泛的推广使用光电幕墙有着重要的意义。

　　2、光电的发展历史
　　早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产生电流。

　　光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。
　　光伏发电的发展历史和现状自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程简列如下： 1893年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1930年朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。1941年奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955年吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。 1957年硅太阳电池效率达8%。 1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1990年德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装3~5kWp光伏电池。 1995年高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。 1997年美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在2010年以前为100万户，每户安装3~5kWp。自1996年以来，世界光伏发电高速发展。表现在几种主要太阳电池效率不断提高，总产量年增幅保持在30%~40%，1998年已达200MWp/a；应用范围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光伏发电展现了无限光明的前途。

　　3、太阳能电池的发展历史
　　从光电池的发展历史来划分，目前将太阳能电池分为以下几类，晶体硅电池、非晶体硅电池以及其它各种不同的半导体材料的化合物的电池。主要的材料有：GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、CuInSe2(CIS)、CuInGaSe2(CIGS)等。晶体硅电池又分为单晶硅电池和多晶硅电池；非晶硅电池是在硅中加有其它半导体材料，不用提纯、切片等复杂的生产加工工序。
　　以上几类光电池，按照各自不同的特点，有各自最为适合的使用范围，单晶硅电池和多晶硅电池可以用于建造独立的光伏电站。而非晶硅电池以其独特的美观性能、稳定可靠的发电性能、经济低廉的成本和设计选型的多样性，能够比较完美的实现光电一体化（BIPV）。

　　4、非晶硅电池在建筑物上运用的优势
　　（1）材料和制造工艺成本低。每平米的造价约低40%左右。这是因为生产工艺更简化，能耗更低，硅薄膜仅有数千埃厚度，昂贵的纯硅材料用量很少。同时衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。

　　（2）易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作持大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。
　　（3）品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳电池易子实现集成化。器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合用于建筑物的安装。
　　（4）具备弱光发电的性能，这是由于光吸收系数高，暗电导，非晶硅材料的价带电子的能级较低，在太阳辐射强度很低时就具备了发电性能，也就是，该性能使得非晶硅薄膜电池受风沙、雨雪等天气的影响很小，年发电天数达320天左右，日发电最长时间可以从早上6点延续到晚上7点。日发电达到13小时左右。
　　（5）非晶硅薄膜电池具有透光性，透光度可从5%到75%，当然，随着透光性的增加，光电池的转化效率会随着下降，运用到建筑上的最理想的透光度为25%。

非晶硅电池自然采光室内效果，光线柔和舒适，生态的办公环境。

　　（6）由于a-Si材料的先带隙比单晶硅和多晶硅宽，因此a-Si太阳电池的功率输出不明显依赖电子温度。在实际工程运用之中，承受的工作温度晶体硅要高。

　　上图为晶体硅电池与非晶体硅电池受温度的影响功率下降的分布示意图。取在标注条件检测均为100W的电池，a-Si（amorphous Silicon）非晶硅电池使用温度上升到70℃[时，功率下降仅为10W左右，而晶体硅电池则在相同状况下的功率下降接近30W。
　　（7）非晶硅电池工作中不受环境的影响，而晶体硅电池如果其中一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，这将极大的降低整个组件的功率输出。
　　（8）非晶硅电池的板块能更好的配合建筑分格。
　　下图为非晶硅薄膜电池与其它电池在建筑外立面的建筑效果（右侧为非晶硅薄膜电池，左侧为晶体硅电池）的比较。晶体硅外观效果零碎，杂乱。非晶硅和建筑物能很好和建筑物融为一体，不影响建筑的宏观效果。

　　5、国内外相关工程介绍
　　（1）德国柏林火车站房

　　为了迎接2006年世界杯，改建的柏林火车站房，光电屋顶做在两个弧形部分，深色部分就是光电池。总面积3311平方米，总装机容量325kwp。

柏林火车站房内部效果，发电与采光的融合统一。

（2）美国stillwell地铁站光电屋面工程；
　　美国stillwell地铁站光电屋面工程总面积76,000 平方英尺；其中光电板使用面积为50，000平方英尺。发电峰值功率为250ＫＷ；非晶硅电池板块规格：a-Si－40W。下图为stillwell地铁站屋面效果图（1）

　　下图为stillwell地铁站施工过程中导线布置图（2）

　　下图为stillwell地铁站发电系统控制图（3）

（3）New York 4 Times Square建于纽约市中心，在37至42层中，应用非晶硅薄膜电池，与普通玻璃幕墙相结合应用于高层建筑上。从使用至今减少超过一百万磅的二氧化碳排放。竣工时间 2001年

　　6、结束语
　　随着常规能源的日益短缺，对太阳能的开发和利用的步伐就不会停止，光伏发电于建筑有机的结合――光伏建筑一体化，是太阳能发电在建筑广泛使用的发展方向；随着科技的不断进步和新的材料开发使用，将为光电一体化提供更多的发展空间。

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