念2021譯者序致謝第第1章光伏組件介紹 11光伏電池類型 11.1從光伏電池中產生電力 11.1.2優化光伏電池的電學性能 32晶體硅光伏電池介紹 62.1硅光伏電池的質量要求 71.2.2硅光伏電池制造的環境考慮 141.2.3硅和采煤之間危害的比較 163薄膜光伏電池介紹 1731非晶硅電池的制造工藝1.3.2碲化鎘電池的制造工藝

……………19……………191.3.3薄膜制造的環境考慮 201.4聚光光伏中的多結電池 215組件制造 225.1平板組件制造 231.5.2聚光光伏組件制造 276系統平衡介紹 276.1屋頂安裝系統 291.6.2地面安裝 301.6.3平板和聚光光伏組件的跟蹤器 306.4系統平衡的環境影響 31參考文獻 33第2章光伏產業可持續發展的動第2章光伏產業可持續發展的動力 362.2全球氣候變化和能源資源之間的關聯 39Ⅷ太陽能制造：光伏組件的環境設計概念Ⅷ2.3能源來源和國家電網的混合 422.4光伏材料的約束 455光伏企業的可持續發展部門 48參考文獻 50第3章光伏企業的環境可持續發展指第3章光伏企業的環境可持續發展指標 533.2光伏組件回收技術 55321晶體硅組件的回收322碲化鎘組件的回收

…………………57…………………573.2.3銅銦鎵硒組件的回收 583.3組件回收的成本 593.4工業聯盟：行業對回收的回應 613.5環境管理體系 61351國際標準化組織認證352生態管理和審計計劃

………………62………………643.6生命周期評估介紹 653.6.1生命周期評估的目標和范圍 663.6.2生命周期清單 683.6.3生命周期影響評估 703.6.4解讀 753.6.5光伏生命周期評估指南 753.6.6生命周期評估軟件 783.6.7環境產品聲明 793.7建筑規范 803.7.1領先能源與環境設計介紹 807.2建筑研究院環境評估方法介紹 84參考文獻 86第4章貿易壁壘的環境法第4章貿易壁壘的環境法規 904.1.1美國《清潔空氣法》 924.1.2美國《清潔水法》 924.1.3美國《固體廢物處理法》 934.1.4美國《瀕危物種法》 954.1.5政策改進方法 96Ⅸ目 錄Ⅸ4.2美國危險廢物條例 974.2.1浸出協議的類型 994.2.2美國廢物描述協議 1014.2.3光伏組件和美國廢物描述協議 1044.3歐盟的廢物描述和規定 1054.4美國的包裝指令 1074.5歐盟的包裝指令 1084.6光伏組件制造商和包裝指令 1094.7有害物質限制指令 1104.8化學品的注冊、評估、授權和限制 1114.9電子電氣廢物指令 11710環境法規的全球一致性 118參考文獻 119第5章提高光伏組件環境可持續性的當前趨第5章提高光伏組件環境可持續性的當前趨勢 1225.2使用廉價聚合物部件的趨勢 1265.2.1光伏組件中使用的聚合物的環境影響 1295.3消除光伏電池的限制要素 1315.4無邊框光伏組件的環境改善 1335.5可回收利用的光伏組件 1345.6晶體硅電池制造中的漿料回收 1375.7光伏組件覆蓋物的玻璃回收 137參考文獻 139附錄 142附錄A通用量度和國際單位附錄 142附錄B常用的單位換算 142附錄C光伏制造商的AHP計算實例 143附錄D美國危險廢物的定義和特點 146附錄E全球環境監管機構 147附錄F相關的行業和組織縮寫 148附錄G美國重要的環境法規附錄H歐盟重要的環境法規

………………152………………154附錄I常用的光伏性能特性 155附錄J光伏組件的生命周期評估案例 157Ⅹ太陽能制造：光伏組件的環境設計概念Ⅹ附錄K各種光伏技術的生命周期評估結果 165附錄L部分溫室氣體的全球變暖潛能值 172附錄MSPI樹脂識別代碼 172附錄N術語匯編 172第1章光伏組件介紹光伏組件介紹全球安裝的光伏發電量有所增加，2000年的約15GW2011年的65GW[1，2光伏組件的快速部署已引起利益相關者質疑行業是否花時間避免化學品對工人、環境和客戶的危害[35。無論這是不是有效的關注點，因為行業尚未成熟，這都是實現最佳環境管理實踐的適時機會。本書的范圍僅限于對光伏組件的危害識別和風險管理及與環境毒理學有關的策略。光伏組件的暴露潛力和生態毒理學是業界制定環保戰略要考慮的主要指標。環境危害和適當的安全措施針對光伏電池組成和相關的制造活動。所以，徹底地回顧一下光伏技術對于接下來的討論是很恰當的。111 光伏電池類型任何光伏組件的唯一功能都是將入射陽光轉換為電力。這種機制發生在組件內鑲入的光伏電池中。電池由前面接觸、半導體材料和背面接觸組成。半導體材料有時被稱為活性層，因為它負責發電。半導體前后接觸由攜帶電子的導電金屬組成，并為連接的負載供電。沒有接觸，不可能將電子從活性半導體層引出。因為光伏電池是光伏組件的核心，所以可以使用電池的化學類型來定義每種光伏技術。而晶體硅和薄膜是平板組件電池中兩個最普遍的技術。2011年，80%～90，而薄膜占據剩余的大部分市場[6。（cSi）化學可以進一步細分為單晶硅（scSi）（pcSi）技術。單晶電池占據最大的工業部分。薄膜是指與硅電池相比更薄的光伏電池。相比而言，1/100。根據全球生產量，（CdTe）、（aSi）、銅銦二硒化合物（CIS）和銅銦鎵二硒化合物（CIGS）（11）。111 從光伏電池中產生電力盡管上述光伏電池的化學成分不同，但它們都可以被定義為半導體材料。半PAGE2太陽能制造PAGE2太陽能制造：光伏組件的環境設計概念PAGE11第PAGE11第1章光伏組件介紹圖1.1光伏技術分類導體是表現物理性質的材料介于絕緣體和導體之間在一個亞原子水平半導體的特征在于能隙在導電帶和價帶之間。能帶是一個通常沒有電子存在的量子化能級Eg在這種情況下，帶隙定義為發電所需的光波長。入射光能量等于或高于帶隙可導致電子從價帶躍遷到導帶。一旦入射光將電子從原子軌道中激發出去（12）電子和相應的空穴都是載流子。圖1.2光伏電池的半導體層中光生載流子產生示意圖為了發電電荷必須在電池內分開電子流過外部電路電路周圍的電流產生必要的電流驅動外部設備。能源轉換效率同時也稱為電池效率，是電池產生的電能與電池上入射光能量的比值。理想下到達光伏組件的所有光將被轉換為電力，1。數學上說，Pin將相當于通過光伏電池產生的功Pout（11）]然而這是永遠不會發生的因此對效率計算的深入分析應該靠什么才能有助于性能優化具體來說JV的乘積。因此，η與電流和電壓成正比所有光伏制造商試圖通過使電壓、電流或兩者最大化來優化能量。η=Pout=Pinη=

（1.1）下面的討論將強調由光伏制造商優化電池電流的方法。化學材料可以通過增加對載流子電荷有用的漂移和擴散來優化。漂移是單電子電荷e、載流子電荷濃度n、載流子遷移率μ和施加的梯度E的乘積。電荷擴散是玻爾茲曼常數k（=1380651023JK1）、T、μ和載流子電荷濃度梯度?n（12）]。增加載體電荷的濃度和遷移率是化學家試圖優化電池電流的兩個主要考慮因素[7。J=Jdrift+Jdiffusion=enμE+kTμ?n （1.2）1.1.2優化光伏電池的電學性能有多種情況會降低電池的理想能量轉換效率。一些最可能的情況包括入射光的可用波長的集中和確保電荷分離，允許電子流過外部電路。鑒于它們的復雜性，每種情況都會逐一解釋。不同的光伏技術對不同波長的光敏感。因此，重要的是光伏行業要完全了解太陽光的自然光譜并圍繞大氣環境條件設計電池（見圖1.3）。圖1.3a）光伏組件的太空使用示例（哈勃望遠鏡模型）；b）光伏組件的地面使用示例（組件在屋頂上），。在（）[8。，幾乎3輻射在～，7。這種未（見圖4）。。太陽的電磁光譜被地球大氣層中的各種分子過濾。（7808vol）、氧氣（2095vol）、氬氣（093vol）和二氧化碳（004vol）4種最多的化合物。水的數量也是以地理位置而變化。這些分子在各種波長下吸收水二氧化碳和氧氣在近紅外區域吸收（190nm）下吸收。（7106vol），身為地球上最普遍的大氣過濾器，在弱紫（UV200～300nm）區域被吸收因此，太陽電池在地面安裝必須在可見（400～700nm）具有最大的轉換效率，大部分的光在這個區域穿透。圖1.4AM0和AM1.5太陽光譜輻照度的比較曲線光的強度也取決于地球和太陽之間的角度這個角度取決于觀察的時間，由季節和晝夜周期定義它也是光伏組件位置的判斷依據由其在地球表面經度緯度和高程定義因為有大量的變量跟蹤所以科學家已經規范化了計算。慣例是使用空氣質量其定義為路線長L到參考路徑長度的比例當太陽的位置與地球表面垂直時光伏L0時的光路線，并（13）]。LL0的角度z的反余弦。由于大多數光伏裝置都大概

圖1.5AM1.5描述在天頂角48.2°，中緯度海拔，因此導致空氣質量為.5（1.5）（見圖1.5）。L0AM=L0

1cosz

（1.3）≈即使在直接照射下，并非所有的入射光都可以收獲，因為光伏電池只吸收特定波長的光。光可以被視為光子或量化能量的粒子。光譜可以表征為具有不同能量光子的分布。只有能量等于或大于電池禁帶寬度的光子才會產生電輸出（見表≈11[9）那些關鍵波長在5頻譜中可以通過重新排列找到普朗克-愛因斯坦方程Eg成正比，h（=41351015eVs）c（=299792458m/s）的乘積成反比（14）]。Egλ=ch （1.Eg表1.1半導體電池化學元素、禁帶寬度和最大可用光譜波長半導體化學元素禁帶寬度Eg/eV最大波長λ/nm單晶硅1.11128多晶硅1.121107非晶硅1.7730CIS1.041193CIGS1.21034CdTe1.5827來源：可再生能源研究國際科學小組和可再生能源發展，“全球光伏與風能報告”，2009年12月。當電池可用時，需確定一個狹窄可用的光區通過地球大氣過濾的波長與被電池吸收的波長（見圖1.6）。舉個例子，對于CdTe電池，波長比827nm波長長的光子不是與半導體化學相互作用，而是直接通過電池。而波長小于827nm的光子導致電力效率下降。這是因為波長很短，熱能增加，產生的熱量導致能量的轉換效率下降。最后，在產生電流之前電荷載流子的復合是造成效率低下的另一個突出原因。在它們復合之前經過的時間稱為載流子壽命。如果載流子壽命為零，電子和空穴立即復合，沒有電流。因此更長的載流子壽命增大了電池的電流和能量轉換效率的濃度梯度。因此，載流子電荷的空間分離是電池的至關重要的功能。這種分離可以通過形成二極管來實現電荷在空間上分離的梯度。用于光伏電池的最普遍的二極管是pn和pin結二極管（見圖1.7）。通過摻雜半導體形成pn結并結合雜質形成富電子n型層和富空穴p型層。兩層通過pn結連接用電極封閉在相對的兩側。電子流出n型層通過外部電路進入p型層。通過具有本征層分離p型和n型層形成pin結。在本征層，半導體既不缺乏電子，也不缺乏空穴。高效的空間p型和n型層中的電荷分離允許有效的電荷流動，從而增加電池的電流。pn結的類型是光伏電池化學特性所固有的[10]。圖1.6AM1.5和薄膜電池的輻照度與波長吸收曲線17a）npb）nip結112 晶體硅光伏電池介紹晶體硅（c-Si）光伏電池是由RussellOhl在1941年發現的第一個展現光伏效應的半導體化學物質。當時，Ohl在AT&T實驗室，他發現摻雜雜質產生了pn結，這是得到光伏電池的關鍵性要求。他的第一個電池的效率低于1%。雖然這個效率離商業可行性還很遠，但AT&T的高管認為這是一個解決偏遠地區電話崗亭能源供給的潛在方案，并持續資助了這個研究10年。1954年，AT&TGeraldPearson、CalvinFuller、DarylChapin設法將電池6。并通過將條帶串聯在一起形成第一個光伏組件。由于演示了電池提高的性能，隨后T將該技術轉移到西電其制造子公司。西電第一個開始銷售商用光伏組件，當時被稱作太陽能蓄電池。即使太陽電池轉換效率在提高，但太陽電池相對于傳統能源（如煤）較高的成本使得它對大多數地面能源需求沒有競爭力。太陽電池在當時常見的有效應用是為美元兌換器和解碼計算機打孔卡機器供電[11。1961年，科學家們實現了大約14的太陽電池轉換效率，可以將太陽電池用在更高功率要求的領域。國際上對這種新技術的興趣不斷擴大，夏普公（日本大阪）安裝了第一個千瓦級的硅組件。然而，太空衛星是最大的應用因為政府可以負擔組件的高售價。1979年底時組件價格已經下降到51美元/Wp。在隨后的幾十年中，由于更好的硅制造控制和硅原料純度的提高，轉換效率不斷提高。因此，晶體硅光伏電池的效率在2011年達到10年來的高點25%。在同一時間期間，安裝規模不斷擴大，從幾瓦到小型遠程設備到兆瓦級大型商業建筑物[12]。1.2.1硅光伏電池的質量要求電池效率的改善歸因于可用于工業的較高純度元素。生產晶體硅需要許多處理步驟[13]。具體的工藝步驟取決于工業對純度的要求，并通過其預期用途指定所得的硅金屬。冶金級硅用于其他金屬合金，并需要較少的加工步驟達到最小純度98%。這種較低的純度要求平均銷售價格為0.80～1.50美元/kg。產生9999999%，也被稱為九個九（9N）的半導體級硅需要更多的處理步驟，純35～55美元/kg。太陽電池級硅是這兩個極端的中間情況。999999或六個九（6N）的純度和中間價位。對于光伏應用，金屬是最有害的雜質。特別地，有具體規范來限制鐵、鉻和鈦的濃度（見表1.2）[14，15]。這些金屬與載流子電荷反應，因此降低載流子的壽命。表1.2冶金級（MG）、太陽能級（SG）和電子級（EG）硅的雜質和相應的濃度要求雜質冶金級硅/（×10-6）太陽能級硅/（×10-6）電子級硅/（×10-12）硼（B）15～50<1<0.3磷（P）10～50<5<1.5（續）雜質冶金級硅/（×10-6）太陽能級硅/（×10-6）電子級硅/（×10-12）氧（O）3000<10<50碳（C）100～250<10<300鐵（Fe）2000<10<0.3鋁（Al）100～200<2<0.3鈣（Ca）100～600<2<1.5鉻（Cr）501<0.3鈦（Ti）2001<0.3來源：Levy，R.A.，微電子材料和工藝。Boston：Kluwer，1989。無論等級如何，硅電池制造都是從來自地殼的石英采礦開始，從石英中提取元素硅并摻雜硼產生半導體（見圖1.8）。接下來的兩個步驟，熔化和生長的細節取決于應用所需的硅類型。具體細節在下一節探討。簡單地說，制造多晶硅有較少的處理步驟、較低的成本，但所得的電池具有較低的能量轉換效率。或者，單晶硅需要多步驟熔化和生長過程，具有更高的電池效率和更高的成本。不考慮硅類型，最后的步驟都是冷卻熔體并切割，并平鋪和切片鑄造成通常認識的光伏電池。多晶硅的制造工藝因為元素硅本身在自然界中是不存在的，所以必須從天然存在的礦物中提取。石英是地殼中最豐富的礦物，由二氧化硅和各種硅酸鹽組成。可以使用碳熱還原法從硅酸鹽中除去氧氣形成硅。顧名思義，該過程需要高溫，達數千攝氏度，并且需要純凈碳源。通常使用焦炭（11）。考慮到環保，這種方法的一個明顯缺陷是反應溫度高。在該工藝中使用高溫爐是低能效的。該工藝通常使用13kWh/kg的用

圖1.8硅錠生產工藝步驟2電量制造硅。 SiO2

+2C→Si+2CO （1.1）而冶金級硅通過碳熱還原工藝可以直接合成，但制備半導體級硅需要額外的步驟。有一些合成過程可以產生純硅。業界知道的每個過程都歸功于發明該工藝的公司。西門子工藝需要在具有硅棒的沉積室熱量在1100℃（1373.15K）下分解三氯硅烷，形成硅沉積層，并形成四氯硅烷和鹽酸氣態副產物（1.2）。3這是最廣泛的使用過程。2SiHCl3

+Si+2HCl （1.2）另外一個不大為人知曉的聯合碳化物工藝是在硅棒的存在下分解甲硅烷氣體從而產生硅金屬和氫氣體（13）。SiH4→Si+2H2 （1.3）最后，Ethyl公司的工藝是把硅棒替換為具有加熱硅顆粒流化床。當硅烷氣體熱分解時，硅顆粒作為籽晶使硅金屬生長（Rxn.1.3）。這些過程中的每一個都產生具有多個晶界的不受控制的生長硅金屬，被稱為多晶硅。單晶硅的制造工藝一些光伏制造商將多晶硅錠切割成晶圓制造電池，然后將電池封裝成組件。然而，由于存在雜質，多晶硅半導體具有相對較短的載流子壽命（1～30μs）。電池效率可以通過延長載流子壽命來增加。一種常見的方法要做到這一點，就是形成單晶，也稱為單晶硅電池。多晶硅錠可以被粉碎、熔化和再結晶形成單晶錠。由于可以實現高純度水平，因此切克拉斯基（CZ）法和浮區（FZ）法是兩種最常見的再結晶方法（見圖1.9）。切克拉斯基法將硅晶種置于熔融狀態的硅中。晶種的拉力和旋轉方向影響晶錠的尺寸和純度。或者，浮區法將熔融硅較慢地拖在固體硅錠上，導致雜質濃縮在一個區域。這些方法產生更高純度的晶體硅。典型載流子壽命可達數千微秒。19a）b）浮區法PAGE10太陽能制造PAGE10太陽能制造：光伏組件的環境設計概念PAGE11第PAGE11第1章光伏組件介紹在形成硅錠之后，仍然需要許多步驟以處理功能性電池。例如，將再結晶的硅錠平方化，分成晶片，切成硅片，然后進行化學處理。標準面積為70～100cm2的硅電池，是從具有0.15～0.30m直徑的硅晶片切割出來的。切割通常用線鋸執行，并且要求切割線和硅之間有厚泥漿流動以減少摩擦，并確保清潔的平面界面（見圖1.10）。這一步的加工產量較低（37%），主要是因為提取步驟中硅錠的雜質和材料切割損失。110a）切割硅錠的切線工藝；b）部分切成方形硅錠的晶片硅光伏電池的制造工藝完成礦石提取步驟后，硅晶片必須被加工成功能性光伏電池（1.11）。硅仍處于本征狀態，必須通過化學改變形成能夠將光轉換成電能的外部半導體。表面用氟化氣體蝕刻以暴露原始硅并清除鋸切期間留下的殘留物。pn結是用強腐蝕性化學品和高能量過程創造，需要由管式爐或傳送帶產生的高溫加熱。該過程被稱為擴散，因為它迫使無機摻雜劑遷移到硅中。磷氣體產生富電子n型層，p型層（1.12）。pn層通常1014～1020原子/cm3。著色是指將抗反射涂層放置在電池表面。這種涂層使硅電池具有紫色著色特征。使用抗反射涂層使光能量最大化透射到半導體層中。將抗反射涂層放置在電池的頂部以減少反射，增加入射陽光透過到電池的量。增強等離子體的氮化硅化（PECVD）是最常見的使用材料和工藝。擴散和著色是最耗能的加工步驟，50%～70。柵線被印刷在抗反射膜的頂部以確保可以收集電池所產生的電子。金屬網格圖1.11礦物提取和電池制造加工步驟化通常用于硅光伏電池制造。它形成了電子從電池到組件的金屬接觸。不透明金屬網格的表面積必須最小化，以避免過大陰影遮擋太多的電池活性半導體吸收層。但是，如果網格太薄，電阻會增加，限制導電。常見的方法是在每條主柵線上打印大量薄細柵線（見圖1.13）。這種方法通常會導致3%～5%陰影遮擋[17]。化學氣相沉積（CVD）和光刻是通常用于柵格金屬化的兩種處理技術。每個都有自己的技術挑戰和環境問題。在CVD處理期間，將掩模放置在光伏電池上金屬接觸沒有沉積的位置。金屬在真空室中蒸發，而蒸汽和底物之間的熱梯度會導致金屬凝結。一旦去除了面罩，網格圖案就會保留在原位（見圖1.14）。這種方法的缺點之一是在處理過程中產生化學廢物。在CVD過程中，所有112兩個電連接的光伏電池的結構113硅太陽電池的主柵和細柵圖像腔室表面、掩模以及光伏電池均被涂覆。平均而言，超過90%的沉積材料在不需要的表面上。所有這些必須被刮掉并按照適用規定妥善處理。另一種方法是光刻法。這種方法產生較少的多余化學物質。犧牲層放置在頂部活性半導體層。再次，將掩模放置在不需要的區域上。強烈的紫外線照射全部曝光區域，破壞犧牲層中的化學鍵。改變了性質的化學物質被化學溶劑沖走，留（115）盡管它產生的廢物少但紫外線敏感化學物可能更貴。另外，只有很少的化合物會對強烈的少劑量的紫外光反應。因此，盡管化學廢物少，所需化學成分可能會導致工藝更昂貴。當這些金屬化處理不直接在頂部的半導體層進行時，它們必須在合成后被粘附到半導體上表面。金屬接觸可以用銀漿粘附到半導體。該漿料包括高揮發性溶劑以改善擴散。溶劑在使用后揮發，溫度升高導致銀顆粒合并。接觸的表面積被最小化以限制銀的高成本[10]。實際上一些公司是對商業化噴墨印刷感興趣，以進一步降低材料使用和成本[18]。圖1.14CVD工藝的描述a）加工前；b）加工后，注意柵格圖案和附加材料沉積115光刻工藝的描述a）放置掩模在沉積層的頂部b）該層被照射并用溶劑去除；c）去除掩模時的網格圖案122 硅光伏電池制造的環境考慮光伏電池制造因為光伏能源有望成為比傳統碳基能源更干凈”的替代品，所以存在重大的工業壓力以確保硅制造業對環境的有限影響。最重要的是無氯工藝，減少資源需求和回收利用，以減少處理浪費。制造硅光伏電池的化學工藝會產生一些直接的化學傷害。氯硅烷用于單晶合成步驟和多晶硅制造。除了極其重要的易燃易爆的可能性[19，20]，它們在氧氣和水的存在下高度反應，處理不當時，氯硅烷與水反應形成易燃氫氣和腐蝕性鹽酸，會造成生命財產的損失。2009年，在摩西湖，華盛頓州的RECSilicon（挪威桑德維卡）遭受了火災，原因是氫氣與固體物質發生了反應[21]。這個事件說明了制造業可能產生的危險與這些化學品的使用有關。無氯過程是在光伏產業中一種環境、健康和安全的改進，無氯工藝最常見的是用純化方法將冶金級硅轉換為電子級硅。將冶金級硅中存在催化的銅，加熱至180～280（45315～55315K）（例如甲醇或乙醇）產生三烷氧基硅（14）Si（OR）4和（SiH4）（15）。3ROH+Si→HSi（OR）3+H2 （1.4）4HSi（OR）3 →SiH4+2Si（OR）4 （1.5）在兩種不同的硅制造工藝中反應產物不同。四烷氧基硅烷與水反應生成二氧化硅和醇（.1.6）。二氧化硅與木炭反應生成多晶硅金屬和二氧化碳氣體（1.7）。 2H2O+Si（OR）4→SiO2+4ROH （1.6）SiO2+C →Si+CO2 （1.7）500～700℃（77315～97315K）流化床反應器中反應生成電4子級硅和氫氣（1.8）。 SiH4

（

+H2（g）

（Rxn.1.8）這些烷氧基硅烷工藝需要的熱預算低于傳統氯硅烷工藝。這種方法之所以得到了工業的快速應用是因為它不僅減少了對環境的影響，也可以通過減少能源消耗降低生產成本。已知硅光伏電池的形成是一種能源密集型過程。溫室氣體的間接排放由硅制造商使用本地電網產生。如果硅組件制造造成的間接排放不能被使用硅組件所抵消，那么就產生了負面的環境影響。因此，大多數光伏制造商會監控其能源使用并優化過程以最小化能源需求。加工多晶硅錠以形成單晶硅錠每千克硅需要250kWh的能量，這是其中最耗能的步驟之一[16，23]（見圖1.16）。這個高能量消耗是熔融金屬籽晶時加熱大塊硅的結果。減少這些能量需求，可采用多晶硅方法制造單晶硅。建議的過程是使用坩堝底部的多個晶種[24]。單晶硅晶體周圍形成硅，而多晶硅在坩堝的壁上形成。成品錠有一個多晶硅殼（30%）和單晶核心（70%）。圖1.16在單晶硅片制造中各種加工步驟的能量需求（來源：K.Reinhardt和RichardReidy，《半導體制造清潔手冊：基礎與應用》。Hoboken，NJ：Wiley-Scrivener，2011）新技術可進一步降低電池制造的能源需求。目前常規爐加工（CFP）是用于大批量晶片處理的最常用技術。通過移動爐子的皮帶，在硅片通過腔室時用紅外線輻射加熱多個晶片。高熱量堆疊晶片的質量增加了保持穩定的溫度所需的能量。6h是一個典型的處理時間，這進一步增加了日常能源需求。作為替代，快速熱處理（RTP）可以少于15min，因為在每次通過期間只有一個電池被加熱。RTP是通常使用的熱處理技術，用于摻雜劑活化和接觸金屬化。其特點是到達最高溫度約1200℃或更高（1473.15K或更高），停留幾秒鐘，然后緩慢冷卻幾分鐘，可以避免熱沖擊。對于傳統的RTP技術，熱量采用鎢鹵燈定位，從而產生3000℃（3273.15K）的較高工作溫度。或者，一些過程使用真空UV（VUV，150～200nm）輻射作為加熱源。對于RTP的兩種形式，只處理單一硅片，這將其應用限制在小規模生產。然而，環境評估表明RTP減少能源消耗，從而間接減少溫室氣體排放。替代的效果是有限的，因為它不是硅加工中最耗能的步驟[25]。高純水是在硅制造過程中另一個重要的資源消耗。在硅蝕刻工藝中使用到的高純水最多。硅片通過含有高濃度腐蝕酸的濕法刻蝕槽，在金屬化之前暴露原始硅。蝕刻酸必須用高度純化的去離子水稀釋至適當濃度[26。這是必需的，因為2μm，需要使用水去除可能導致電氣短路的小分子顆粒物。另外，所有的蝕刻中使用的酸必須從電池中去除以防止在實地操作中電池會衰減。5個顆粒/L，2μg/L，金屬小001μg/L[27。行業嚴格的水質規定增加了光伏制造的運行成本。因此，一些公司強調水的回收、再利用和還原。水的回收過程通常至少要有4個連續步驟。第一步是去除固體和過濾有機物。下一步是需要用離子交換柱去除來自水的帶電物質。最后，中和步驟，使pH值恢復到中性。符合規定的水通過循環回路，用去離子水稀釋后再用于指定制造工藝。根據回收質量，水可能會轉移到不同的再利用流程。例如，含有高濃度鹽的水可用于制造通風口酸性氣體洗滌器的冷卻塔。酸性氣體洗滌器通常是根據水流量要求進行評級。高流量增加洗滌器的功效，使其成為再利用的理想場所。通過適當的技術來處理沒有凈化的水，并保證適合水等級用于加工要求。例如，在切錠和拋光工藝可以使用低檔、未純化的水。123 硅和采煤之間危害的比較盡管硅是惰性的，但細微的硅顆粒是爆炸危險物。破碎過程中的摩擦火花是引起工廠爆炸的最常見情況。雖然這是需要關注的地方，但其風險相比煤塵的爆炸潛力還是小。硅粉塵（0.11L/m3）比煤（0.057L/m3）有更高的濃度才會有同樣的爆炸危險[28]。因此，這種風險并不是這種能源生產形式所獨有的。其實在1968年11月20日西弗吉尼亞州Farmington發生的礦山災難使公眾間接認識到煤顆粒對人體健康的有害影響。事件中有78名礦工死亡。雖然沒有一個統一的原因，但幸存者不久以后就加入了西弗吉尼亞州黑肺協會，并對工人游說為增加教育權和減少職業危害。而西弗吉尼亞州的黑肺協會則是第一個有協調地努力使這些問題受到公眾的關注的協會，關于這些危害的醫學研究已經有幾個世紀了。煤炭是嵌入石英和頁巖巖層中的，采煤期間會產生煤和二氧化硅粉塵。盡管二氧化硅粉塵對礦工的影響自從古希臘和羅馬時代以來一直被記錄，但對它的效果不甚了解。礦工對肺部炎癥的投訴中，纖維化和壞死被認為是二氧化硅粉塵造成的影響，稱為矽肺。然而，在1831年當黑色殘留物從一個礦工的肺組織被去除時，在煤礦的醫療索賠中就有醫學證據說明是煤礦粉塵在起作用。在工人安全法規發布的一個世紀之前美國趕上了這一醫學發現。首先是亞拉1952年承認煤礦病那時候國家政府開始向煤礦工人提供薪酬和賠償19651968年擴大國家資助的肺塵病補償。西弗吉尼亞州黑肺協會在1969年領導全國罷工和游行強制使聯邦政府承認黑肺疾病（CMA）CMA通過為聯邦政府對礦山條件的管轄權提供安全標準。定期檢查時間表被用來發現無意違規，并處以罰款，以故意疏忽進行刑事起訴。最后，對可以證明是由于煤炭顆粒而導致患肺塵埃沉著病的患者和永久性殘疾的礦工提供賠償。113 薄膜光伏電池介紹不同薄膜化學成分有著相應的轉換效率，見表1.3[9]。在過去幾十年的大部分時間里，由于流行技術的變化，電池轉換效率一直保持平穩。2006年最受歡迎的技術是非晶硅（a-Si，4.7%），其次是帶狀硅（r-Si，2.9%）、碲化鎘1.（CdTe，1.6%），然后是銅銦硒化合物（CIS，0.2%）。2007年的硅庫存短缺和硅片成本上漲使得薄膜技術重新受到關注。到2010年，三種最常見的技術形式是CdTe、非晶硅和銅銦鎵硒化合物1.表 常見的薄膜電池化學成分和報道的最高轉換效率半導體化學報道的最高轉換效率（%）非晶硅12.5CIS19.5CIGS20.3CdTe16.7來源：可再生能源研究國際科學小組和可再生能源開發，“關于光伏和風能的全球報告”，2009年月。電池制造是薄膜制造商第一個需要做的工藝步驟（見圖1.17）。接觸、緩沖層和半導體膜，也稱為吸收層，均采用CVD法沉積在絕緣襯底（通常是玻璃）上。抗反射涂層被放置在完成的疊層上以輔助穿透的光線進入吸收層。最后，用激光穿透薄膜層得到光伏電池[29]。（118）初始層是導電窗層，其次是被另一個導電接觸夾在中間的緩沖層和吸收層。對電池重量貢獻最大的通常是襯底。前電極和背電極是最薄的層（1.0～0.5μm）。吸收體（約2.0μm）是最厚的沉積層。相比之下，薄膜在轉換效率上不如晶體硅；因此，沒有制造商愿意因為金屬接觸陰影導致額外的效率下降。薄膜制造商通常使用透明的導電氧化物（TCO）作為其頂部接觸，也稱為窗口層。TCO將允許光線到達整個下面的半導體層。當玻璃用作上層時，制造商通常會將TCO沉積在玻璃的內表面，接著是吸收層和背接觸。背接觸由高導電性不透明材料制成，如鉬沸石。背接觸沒有光學設計限制，因為這些基板不會影響光線滲透到電池的活性表面區域。沉積后，使用激光劃線將層分成單個電池（119）。激光劃線優于機械蝕刻。激光劃線允許較窄的線，23～25μm的量級，有平行的邊壁。工業目標旨在提高激光器的穩定性以進一步細化劃線以增加電池的吸光面積。

圖1.17薄膜電池制造工藝步驟圖1.18薄膜電池的典型疊層結構圖1.19需要切割線將薄膜層分割為單個電池131 非晶硅電池的制造工藝非晶硅化學比傳統的晶體硅有所進步，包括較低的加工溫度75℃（34815K）]（1/100～1/50）。因為非晶硅沒有晶體結構所以需要更低的溫度而玻璃是最常見的沉積基板沉積溫度較低允許考慮其他襯底例如使用聚合物基材用于電池沉積可以大幅降低成本然而塑料是未經證實的襯底25～30年的終身消費者對其組件的期望仍然不確定出于這樣的原因聚合物柔性電池很少用于長期保修、大功率應用。此外，非晶硅的較低電池效率也受到限制廣泛采用這種技術。盡管有這些差異，一般的處理步驟和要求與先前薄膜電池概述的那些一致。非晶硅電池的制備開始于用酸洗清潔襯底玻璃。然后沉積一層鋁在玻璃上形成底部電極。單個單元格由激光劃線接觸層得到。沉積非晶硅的活性半導體層來自于PECVD（SiH4）。半導體的非本征相是通過摻雜硅來形成異質結而產生的。n（PH3）形成，從而在硅中引起磷的摻雜p（B2H6）來形成的因此用硼摻雜硅半導體材料通過終止在沉積期間產生的自由基來穩定與氫化。這被稱為氫化非晶硅（a-Si：H），通常含有5～20原子%的氫。非晶硅沉積之后是第二劃線工藝，之后沉積透明氧化銦錫的最終電極層。最后采用激光刻化得到電池[30]。132 碲化鎘電池的制造工藝多年來，FirstSolar（亞利桑那州坦佩）一直是最大的薄膜光伏組件生產商。FirstSolar于1999年在美國注冊成立，2002年開始出貨。7年后，2009年的年產量達到1GW，由于其巨大的增長潛力受到業界關注。在2011年之前FirstSolar一直被評為最大的光伏制造商，后來被中國組件制造商取代。FirstSolar巨大的增長已經開啟了人們對碲化鎘（CdTe）技術的廣泛興趣。CdTe是一個nip結，其中CdTe層是本征區，而硫化鎘（CdS）層是n型層，銅摻雜的碲化鋅（ZnTe：Cu）是p型層[31]。已經有多種處理方法可以合成上述層

。CdS層最常見的是用鎘的化學浴沉積（CBD）形成硫酸鹽和硫脲[34，35。它的一個顯著的缺點是有大量的從該溶液產生的化學廢物。但是，還沒有可以產生類似電學性能的替代工藝。CdTe層最常見的沉積技術是物理氣相沉積（PVD）和噴霧熱解。這兩個過程都會導致不可用材料沉積在沉積腔室側壁上，這因此增加了生產成本。為了盡量減少加工浪費，一些研究已經試驗了使用封閉空間升華（CSS）和電沉積（ED）方法，這兩種方法都允許有針對性地沉積所需的材料到襯底[36，37]（120）。CSS需要真空（00132atm）和高溫。CSS通常通過一般沉積形8μm的膜厚度，1～5μm/min。相比之下，ED80℃（35315K）、1atm下的鎘離子（Cd2+）和氫碲酸根離子（-）溶液。電沉積以001～1μm/min2μm厚層。盡管它們有定向沉積的優點，這些技術相關的化學和熱耗仍然很大。最后，優質的銅摻雜的碲化鋅薄膜用CVD法生長[3840。CVD是材料使用效率低下的方法，但由于其在半導體制造中的歷史使用，目前仍然是行業應用的主力。與以前的結構類似，半導體層是通過接觸方式固定在每邊。透明導電氧化物，如氧化銦錫或鎘錫氧化物用作窗口，而背接觸通常是銅金屬。激光刻化用于切割各個層，并將薄膜分成單個電池。120a）b）電沉積工藝33薄膜制造的環境考慮薄膜生產的環境影響大大依賴于電池的化學性質[41]。因為FirstSolar是最大的薄膜生產商，所以其技術受到最多的審查和研究。具體來說，從CdTe組件中釋放鎘的風險近年來受到公眾的廣泛關注[42]。這也是大多數薄膜組件的相關課題，因為鎘也是用于CdS緩沖層中的多種技術。天然和人造釋放的鎘沒有得到廣泛的關注。礦業、金屬加工、燃燒化石燃料、磷肥合成、金屬制品的處理都有可能釋放大氣鎘[43]。鎘最大的空氣排放來自有色金屬生產（2171t），其次是化石燃料燃燒（691t），然后是鐵和鋼鐵生產（64t）[44]。鎘礦最大的開采用途和最大的終端應用是鎳鎘電池（每年9100t鎘），其次是塑料顏料（每年3300t鎘）和油漆穩定劑（每年1650t鎘）。由于鎘的要求及相關的排放風險，薄膜制造商不會接近這些傳統的來源。例如，1GW的CdTe光伏組件中使用的鎘量（70t）約為用于油漆穩定劑的1/25。此外，CdTe光伏組件中使用的鎘量比AAA電池中使用的數量級低（1.3對3265mg/kWh）[45]。最后，光伏客戶不會直接接觸鎘，因為它被包裹在塑料的密封劑和層壓玻璃中。在災難性事件中，光伏組件外包可能會受到損害。意外火災可能受到最多的關注。因為CdTe[1041℃（1314K）]的熔融溫度高于典型火災溫度[800～1000℃（1073.15～1273.15K）]，所以大多數人都認為鎘不會揮發。即使這個論斷被發現是不正確的，從1MW組件安裝容量（0.07t）[45]釋放的鎘也不會超過傳統來源的年度排放量。114 聚光光伏中的多結電池之前討論的傳統技術是由單一結組成的單個電池。與任何技術一樣，一些理論物理學家試圖確定單結的上限技術最受到認可的理論被稱為Shockley極限，WilliamShockleyHansQueisser1961年首次提出。它指出33。主要損失來源于包括能量低于半導體禁帶寬度的光子造成的熱消耗（18）、能量高于禁帶寬度的光子造成的透明損失（47%）以及半導體吸收層中的電子和空穴復合（2%）[46]（見圖1.21）。損失的最大部分來自透過損失；因此，可以通過對AM1.5大部分光譜進行改進。比如，非晶硅具有帶間禁帶寬度為1.7eV，意味著在可見光譜中低于紅色的所有波長是可用的，但沒有高于紅色的波長被轉換成電力。這些損失可以通過具有重疊禁帶寬度的化學物質多結組合來減少，稱為多結電池（見圖1.22）。具有最高能帶隙的半導體放置在最靠近受光面的地方。較長的波長通過下層半導體。以這種方式，多個化學物質在相同的電池內可以收獲更大部分的光譜。121三大損失事件：a）引起晶格振動的熱事件；b）通過帶隙而不產生影響的透明損失；c）電子和空穴的復合圖1.22與AM1.5太陽光譜輻照度曲線重疊的多結電池的吸收光譜組合半導體晶格結構的連續性材料限制了可以組合形成多結電池的化學類型。磷化銦鎵（InGaP）與砷化鎵（GaAs）的組合是常見的雙結，而磷化銦鎵（InGaP）、砷化銦鎵（InGaAs）（Ge）的組合是常見的三結。多功能電池由于其效率的提高在商業上份額有所擴大。美國的第一個雙結電池專利在1987年授予了美國國家可再生能源實驗室（NREL）。不久之后，NREL報道最高效率為29.5%。2005年，King和同事[47]在三結電池上得到39%的轉換效率。22～3倍。但是，復雜的化學和加工要求阻礙了這項技術成為工業界的主導。115 組件制造組件，有時被稱為太陽能板，是大眾在談及光伏時最常見的產品。組件制造的第一個過程是把電池串焊在一起使所產生的能量被串聯疊加。然后電池封裝在聚合物層壓板中，裝框并檢查裝運貨物之前的表面缺陷。該過程的微小變化取決于組件的類型和目的。晶硅和薄膜組件的制造過程大致上是相同的（見圖1.23和圖1.24）。圖1.23晶體硅組件的完整工藝過程，包括礦物提取、電池制造和組件制造151 平板組件制造硅和薄膜技術通常以有框架或無框架的平板組件銷售。框架組件由層壓板和包圍其周邊的金屬框架組成無框組件只有層壓材料與封閉周邊的密封劑（見125）。層壓板封裝光伏電池以保護它們免受環境影響。堆疊結構包括上襯底、聚合物密封劑、電池和背板。上基底通常是玻璃，是堆疊結構中最重的。在這種結構中，不使用粘合劑。密封劑用于玻璃和背板的粘合層。乙烯醋酸乙烯酯（EVA）是典型的聚合物密封劑。背板可以由玻璃或聚合物片如聚氟乙烯構成（PVF）。層壓是形成這種堆疊結構最常見的加工方法，因此，得到的結構通常稱為層壓板（見圖1.26）。圖1.24薄膜組件生產的完整工藝過程，包括電池制造和組件制造125a）b）框架組件的側面圖像，鋁框從最靠近的一側移除層壓板的三種類型是通過光伏電池和其他元件之間的擺放來區分的。上層連接層壓把電池和上層玻璃用透明聚合物粘合劑相連。反過來，基底粘合層壓使用粘合劑將電池粘到基底玻璃上。這種結構的優點不需要透明粘合劑，因為粘合劑在下面半導體層的活性物質中。這些制造方法由于其復雜性已經不再使用了。制造商一直在尋找減少生產費用的方法。減少制造材料是一個降低成本的方法。因圖1.26a）標記有可見元件的封裝光伏電池的示意圖；b）標記可見元件的平面晶體硅組件的照片此，層壓的受歡迎程度加大，這是因為它們不需要粘合劑。大多數層壓結構將電池懸浮在制造材料的中心，密封劑作為覆蓋層和基材的連接層（見圖1.27）。無框架組件需要層壓后結構的完整性、機械性和剛性。得到這種結構的一個選擇是用剛性材料玻璃制作上下基底。這些組件被稱為雙玻璃無框組件。另一個選擇是來自周圍的剛性安裝結構，一個常見的例子是光伏建筑一體化（BIPV）結構，涉及將光伏電池嵌入屋頂膜和屋頂瓦。屋頂結構提供所需的機械強度并保護組件免受環境影響。組件的形狀取決于建筑結構。美國的大多數商業建筑都是平坦的，是用聚合物屋頂膜密封的軸承屋頂。用BIPV結構通常是將光伏電池嵌入屋頂膜內，Uni-Solar公司PowerBond產品線。嵌入式光伏電池是現場能量產生的一種方法，避免了從電網購買電力（見圖1.28）。其中一些財務上的節省與屋頂的重新鋪設相互抵消[48。此外，光伏電池中的故障或屋頂膜的撕裂需要更換整個膜。廣泛采用這127a）上層粘合）；b）基底粘合；c）層壓結構組件種形式的BIPV使這些風險得以降低。圖1.28光伏電池被封裝在屋頂膜內對于傾斜的屋頂，BIPV包括更換傳統瓷磚和在塑料瓦片中嵌入光伏電池。在這個情況下，可以單獨移除或更換有缺陷的瓷磚，因為它們是單獨放置并機械互鎖的。如前所述，初始材料成本比傳統屋面高，但在家庭使用數十年后可以抵消，從而獲得長期的經濟效益。Uni-Solar公司的PowerShingle、3SPhotovoltaic公司的MegaSlate和SunPower公司的T5太陽能屋頂瓦都是商業上用于傾斜屋頂的太陽能瓦的例子。152 聚光光伏組件制造聚光光伏（CPV）組件是一種特殊技術，利用組件的外形集中太陽光到光伏電池上。聚光器的機械和光學設計是CPV制造商的核心技術和專有知識。與包含數百個光伏電池的平板組件不同，CPV組件只有數十個光伏電池。因此，CPV制造商通常從供應商那里購買光伏電池，而平板組件制造商則是自己提供電池。CPV設計包括一系列鏡面或透鏡，將光聚焦在封裝的光伏電池上（129）鏡面聚光光伏組件由主透鏡和二次透鏡組成陽光從主透鏡反射到了二次透鏡。二次透鏡將光線向下聚焦到棱鏡和光伏電池上。聚光器通常的放大倍率為100×Suns（1Sns=100W/m2）。一些聚光器使用透鏡而不是鏡面，以增加入射光的強度。菲涅爾鏡片在商業上獲得了最大的成功。通常組合放置在10～20個透鏡。透鏡放置在電池組件上方的金屬或塑料外殼中。光進入菲涅爾透鏡，聚光，然后將其通過棱鏡集中到下面的電池上[49。兩種設計的最大的工程挑戰都是保持較低的工作溫度并最大化光的強度。129a）b）菲涅爾透鏡光伏集中器中的主要組件116 系統平衡介紹BOS系統平衡（BOS）是指將光伏組件連接到建筑物所需的所有附加部件。機械和電氣BOS是主要的兩類。機械BOS用于將組件保持在光伏電池上入射光BOS最強的位置（見圖1.30）。電氣BOS需要將電力從組件傳輸到家里或辦公室等需要的地方。這些材料的成本通常占總安裝成本的40%～50%，確切的百分比取決于安裝地點和光伏電池技術。圖1.304塊貼裝組件，機械和電氣BOS元件機械元件的材料要符合功能性能和建筑規范，能夠將組件固定在地面或建筑物的屋頂上[50]。目前，光伏安裝必須符合國際建筑代碼（IBC）中對于風荷載、地震等級和地點的限制。風荷載是指在將表面抬起到不可接受之前可以忍受的高度的最大風速。類似地，地震等級是指在允許給定加速度下的最大失真和偏移。最后，地點限制是指屋頂壁架的最低建筑高度要求、允許安裝的最大屋頂坡度。雖然精確的要求取決于安裝位置，但建筑規范要求增加材料的傾向要超出功能性能要求。比如，一些規范要求組件足夠重以保持地震測試期間靜止穩定，組件也需要固定到建筑物結構上。附件和壓載是用于屋頂安裝BOS的兩種主要的機械形式。機械附件要求組件通過鋼結構連接到建筑物的框架。這些附件需要穿透屋頂，因此會降低屋頂的使用壽命。除了增加屋頂的修理可能性，光伏陣列增加屋頂上的障礙物數量，增加維修人力成本（見圖1.31）。壓載設計可以消除這些成本。貨架系統的重量將光伏陣列固定在原位。因此，諸如混凝土塊這樣的重材料被放置在腳部以錨定光伏陣列。最大值加載必須慎重考慮以確保重量不會在太大程度上影響屋頂完整性。壓載設計不能用于高風荷載或存在地震危害的地方。一些安裝會同時運用兩種安裝技術通過降低屋頂穿透次數來減少風險并且將混凝土塊的位置與建筑物的框架結構同步。電氣BOS是將電力從光伏組件輸送到所需負載所需的所有元件。電氣元件包括電線、接線盒、逆變器、開關和蓄電池。光伏組件根據業主的要求進行串聯或并聯。電線包在組件背面的接線盒中。光伏組件之間由塑料電纜托盤中的電纜進行連接。一旦所有的電力都接通，就將它流向逆變器。光伏組件產生的電流為直流電，而在家庭、辦公室和制造設施中使用的是交流電。逆變器會將產生的直流電轉換為所需的交流電。131a）b）用混凝土塊壓載的組件的后視圖161 屋頂安裝系統光伏組件的方向可能會造成25%～30的能量偏差。最重要的是考慮如何定向光伏組件以最大限度地獲得全天入射的陽光。相關參數是太陽、光伏組件和地平線之間形成的入射角（AOI）（132）。標準安裝是位于南部方向與地平線有20°～65°的傾斜角，光伏組件表面的陽光入射角大于60°時全天入射陽光會明顯減小。較小的角度可以最大化增強光強度，以減少在屋頂安裝光伏組件的數量。因此，角度和光伏組件密度基于所需的能量來進行優化。傾斜的屋頂，如住宅的屋頂，為光伏組件安裝帶來了獨特的挑戰。這些類型的光伏組件安裝通過組件之間形成的角度而確定。嵌入式安裝位于屋頂上（見圖1.33），這種安裝技術非常適用于屋頂較陡的面南房屋。光伏組件與屋頂之間的對流可以增加組件的工作溫度來降低預期能量輸出。傾斜式安裝用于較低間距的屋頂。光伏組件邊緣從屋頂向上傾斜，改善了空氣流通但限制了沒有遮擋情況下可安裝組件的數量。最后，鰭式安裝是最不美觀的選擇，因為它明顯改變了建132光伏組件的傾斜角的三種情況及對應的入射角（AOI）：a）使屋頂上的組件數量和入射光量最大化的理想位置；b）傾斜角太大，不能優化入射光；c）傾斜角太小，屋頂上不能承受過多數量的組件筑物的建筑線條。這些是用于面向東面或西面的淺屋頂常見的安裝技術。如果將組件以一定角度安裝在屋頂上，那么只能在半個白天中收獲能量。對于鰭式安裝，雖然未充分利用屋頂區域，但組件可收獲全天能量。133a）嵌入式安裝；b）傾斜式安裝；c）傾斜屋頂上組件的鰭式安裝162 地面安裝桿架安裝是最常見的地面安裝方式之一。桿架頂部安裝有一端埋在地面上，（134）固定桿架安裝將組件放置在固定的方向例如，公路上的數字標志通常由桿架安裝的光伏組件供電。163 平板和聚光光伏組件的跟蹤器如果光伏組件跟蹤太陽循環軌跡，則可以捕獲更多的陽光。所需的機械硬件稱為跟蹤安裝座，或更簡稱為跟蹤器。跟蹤器由其軸上的自由度定義。單軸和雙軸是跟蹤器的兩種主要商用形式（135）水平單軸跟蹤器可以平行于地面圍繞一個旋轉軸轉動并優化南北向的入射角。雙軸跟蹤器使組件圍繞垂直于地面的軸線沿東西方向跟蹤太陽，同時優化南北向的入射角。134固定桿架安裝：a）b）在太陽能農場中135a）b）一個光伏組件的雙軸運動和固定方向的平板光伏組件相比，這些可變方向的光伏組件提高了功率。這是因為跟蹤器可以在白天較長時間內以較高的強度收集更多的光線（見圖136）。典型的單軸跟蹤器可以將功率提高30雙軸跟蹤器可以將功率提高40%～45%。在商業上能承擔更高安裝成本的客戶更多使用雙軸跟蹤器。164 系統平衡的環境影響通常，BOS元件（例如，跟蹤器、逆變器、電池）納入環境影響分析。BOS圖1.36跟蹤器上的光伏組件與固定平板光伏組件的每小時功率輸出差異組件的影響很大程度上取決于分析中包含的內容。一些光伏制造商試圖通過最小化其BOS要求來區分環境可持續性方法。1天中會不斷變化輸出的最高性能取決于技術和安裝條件。固定角度光伏組件能優化光采集并在中午產生最大電力輸出。由于客戶1天中會有所不同，它可能并不總是能匹配組件的最大能量輸出。因此，電池通常用于存儲發電直到用戶有需求。另一種方法是出售剩余能源以換取夜間使用的能源。大多數客戶選擇后一種方法來避免在電池上額外的支出。實際上，BOS的一部分。當它們被包括在內，是因為它們顯著改變了安裝的環境影響Rydh及其同事[51對使用不同電池技術、效率和壽命的光伏系統進行了環境影響分析。在光伏組件安裝中使用電池技術，增24%～70的能源使用。這種增加是因為大量的能量消耗在電池的制造上。（Liion）、（NaS）、氧化還原（VRB）、（ZnBr）和（PSB）電池具有最低的節能需求且對環境影響最低。相反，鎳鎘（NiCd）、（NiMH）（PbA）電池對環境有很大的負面影響，因為它們的能量密度較低，回收電池元件的機會較少。土地稀缺和綠地利用效率低下限制了CPV和太陽能農場用作替代能源。然而，安裝組件對綠地的影響是很小的。一個設計考慮是將組件安裝在一定的高度上，這樣既可以雙重利用土地又不受野生動物走廊的干擾。比如，4～6ft（約為1.83m）的安裝高度可以確保土地用于發電和放牧牧場。在這種情況下，矮小的植物因為還可接受光照仍然可以生長。另一個選擇是通過增加安裝的能量密度來減少所需的土地面積[52]，例如，因為CPV組件擁有更高效率的電池和更高的光密度，所以與平板組件相比，只需更少的CPV組件就能產生相同的電量。與固定安裝的薄膜組件相比，CPV組件的能量密度提高了約279%，因此可以實現更多的土地保護。參考文獻34太陽能制造：光伏組件的環境設計概念3435第1章光伏組件介紹35第2章光伏產業可持續發展的動力光伏產業可持續發展的動力產業化增加經濟財富并為居民帶來社會福祉，但是，這種發展不能以自然資源的消耗為代價。許多研究人員將空氣、土壤質量的變化與一個國家的生活水平聯系了起來GrossmanKrueger[1發現了空氣質量的改善與日益變高的人均國（GDP）兩者之間的關系，例如，在北美，5000美元的人均GDP與越來越低的二氧化硫排放量之間存在著重要的關系CropperGrif?fiths[2]用這種關系來預測經濟發展的繁榮水平，以此來將注意力高度集中于發展國家經濟，這樣會減少對陸地森林的砍伐量。森林砍伐量的減少又與先進的農業技術有關，先進的技術使得相同的一片土地可以生產更多的糧食谷物，從而減少對土地的需求量，多余的土地可以用來給流離失所的動物和植物種子提供家園。基于上述這些聯系GDP4760美元以及北美人均GDP5420美元，物種保護現象會得到明顯改善[2。他們進一步預測要達到這種程度的繁榮水平，有限的自然資源會繼續被消耗。國際自然保護聯盟（IUCN）1948年，目的是為了解決由于經濟發展差異所帶來的環境保護的不一致性。IUCN是一個致力于鼓勵并授權發展中國家可持續利用當地資源的非營利性組織，由不同類型的成員組成，包括政府、非政府性組織以及科學家志愿者。4年召開一次，而且會為了討論項目規劃、法律、政策而提供中立論壇。《世界自然保護大綱》，1980年，是議會眾多相關工作成果中的一個，它是一個在發展中國家實施保護計劃的框架，致力于在各個國家協調政策。它最初的原則是維持生態過程、遺傳多樣性保護和確保生態系統的可持續利用。《世界自然保護大綱》是第一個致力于提高國際上對人類行為會不可逆轉地影響地球承載能力的意識的出版物，但是，人們很快地意識到，除此之外還需要做一些工作來創造一個持續性的全球影響，因此，在《世界自然保護大綱》完稿之后，議會成員同意成立一個獨立的委員會以提高對可持續發展原則的意識。作為響應，世界環境與發展委員會（WCED），同時也是布倫特蘭委員會，成功建立。布倫蘭特委員會的創建，為促進可持續發展理念的采納做出了無價的努力。特別地，當談及可持續發展能力最為普遍的定義時，布倫蘭特委員會通常會被提PAGE37第PAGE37第2章光伏產業可持續發展的動力PAGE38太陽能制造PAGE38太陽能制造：光伏組件的環境設計概念及。根據委員會定義，可持續性是指保證未來所需要的資源不會由于今日的一些行為而被刪除的項目、政策和哲學思想，未來哪一種資源會短缺這一話題受到強烈爭議，并且基于保護努力與社會消費習慣的轉變，能源結構也在發生著改變。盡管存在著細微的分歧，但人們普遍認為可持續性是一種尋求和評估機會的哲學，同時要求減少浪費、優化盈利能力和提高生活水平。簡單地說，可持續性的概念通常簡化為地球、利潤和人類，也被稱為三個“P”[3-5]。可持續發展是這三個不同的舉措的交集（見圖2.1）。圖2.1可持續發展的三個交叉舉措在制定可持續發展方案和政策方面所采用的方法有著巨大的差異；然而，最根本的要求是對理想及對其監督和實施負有責任的指定人員或個人承擔企業一級的承諾[67。在最簡單的例子中，一個可持續發展部門制定企業政策和計劃確保生產實踐和產品符合環境法規。可持續發展部門的作用往往超出了法規的遵從性，需要在其他環境倡議中發揮領導作用。考慮到當前的全球形勢，可持續性尤為重要。不斷增長的人口壓力加劇了尋找能源資源以滿足日益增長的全球需求的重要性。可再生能源比例越來越大的多樣化能源組合是發達國家和發展中國家的共同戰略。根據定義，可再生能源應該提供一種可持續的能源，既不污染環境，又能提高人民的生活水平。221 馬爾薩斯困境不受控制的人口增長造成了數十年的擔憂，即資源不會隨著需求的增加而擴大，造成大規模饑荒和破壞。這種恐懼是暢銷書《人口炸彈》的主題，該書于1968年出版。作者Paul和AnneEhrlich預測，20世紀80年代后期，由于農業資源不足，無法養活大眾，會導致大規模饑荒和死亡[8]。Ehrlich因改寫幾個世紀前形成的理論而遭到強烈批評，在預測人口增長壓力方面，人們通常選擇相信1798年RobertMalthus教士編寫的《人口原則》一書。這本書是第一個將人口增長和大規模饑餓聯系起來的著名出版物。Malthus警告說，人口增長的競爭最終會使社會中越來越多的人找不到食物和住所。人口增長超過食物和自然資源的生產，因為人口呈幾何增長，而資源按照算術增長。換句話說，Malthus認為人口的增加會導致生活水平的普遍下降、大規模饑荒和死亡率的增加。他的理論被稱為馬爾薩斯困境，或人口困境。Malthus認為他的出版物是一種教育和說服人口采取禁欲作為一種人道主義努力，以改善他們的同胞的生活質量的手段。盡管有這些預測，預期的人口下降并沒有發生。在工業革命（1750～1850）和綠色革命（1940～1970）期間發生的無法預料的技術進步被認為可以阻止預測之中的全球性災難。機器（例如，脫粒機）、農業技術（例如，化學合成的農藥、肥料、灌溉設施、作物雜交）在此期間大幅提高生產效率和作物產量，這避免了數百萬人挨餓。然而，由于這些不受監管的技術提升同樣對環境質量造成極大的損害。在工業革命時期，人類的垃圾和工業廢物污染了當地水道導致霍亂和傷寒爆發，而從煙囪噴出的空氣污染物形成煙霧，也奪走了一些生命[9-11]。[23]Cnr在1971年寫了《封閉的循環》一書，評論了技術對環境的影響 。這是人們第一次試圖定義人口、技術和污染之間的數學關系。Com?moner認為污染等于人口、人均經濟物和單位經濟財務污染的乘積。Ehrlich和Holdren重新定義IPAT理論中的Commoner公式[14]，IPAT是參照方程所描述的哲學的數學關系[14，15]。其中一個重要基本變化是Ehrlich和Holdren引用了環境影響量而不是污染量。在他們的等式中，環境影響I等于人口P、消費水平（富裕A）、消費的影響（是關于技術T的函數）的乘積，表示為I=P×A×T （2.1）雖然方程看起來像一個簡單的線性關系，但作者認為每一個變量都是相互依賴的，從而增加了數學依賴的復雜性。例如，人口的增加將增加資源消耗，技術的改進也會影響消費習慣，盡管它們之間的相互依賴性不可預測。鑒于這一等式的復雜性，他們認為Commoner的方法會使算出來的污染量偏小。不管數學表達式如何，大多數研究者都認為技術是全局均衡器。如前所述，發展中國家容易缺乏清潔的水、肥沃的土壤和新鮮的空氣。因此，全球的挑戰是均衡技術布局，而不會不可逆地破壞環境資源，并擴大地球的承載能力。均衡生活水平的常用方法之一是獲得電力，從而提供基本必需品，如水凈化、農作物灌溉、一般照明、制冷和現代醫療服務[16。光伏組件是提供能源的一種手段，而不考慮經濟狀況和地理位置。目前，有～17億人沒有使用電網提供的電力[17。在晚上看衛星地圖，這種地理差距越來越明顯[18]（2.2）。非洲、亞洲和澳洲是電力基礎設施最少的大洲。據估計，沒有電的地區有84%位于農村地區[19。光伏組件能讓當地人獲得能源，而不需要耗時幾十年才能完成對基礎設施的更改。然而，要到達這些貧窮的農村地區，光伏組件必須是廉價和易攜帶的。離網應用在典型的偏遠地區，資源必須由人工攜帶，因為偏遠地區很少有道路存在。光伏產業的不斷增長需要解決這一問題。例如，20115月，舊金山開始銷售能夠在陽光下充電一整天后4h電能的太陽能燈。8美元；然而，是它們的分配問題抑制了市場滲透，而不是它們的價格。需要把太陽能燈配送到農村地區，因為大多數農村居民不在城市商店購物。維修和服務協議在這些領域不容易提供，導致了市場滲透率的減慢。一些非政府機構（NGO）參加了將光伏技術推廣到這一具有挑戰性的市場的活動。大多數環保人士都認為，相對于傳統燃煤發電廠而言，光伏發電是一種首選的能源，傳統發電廠會產生有害的溫室氣體。圖2.2夜間衛星圖像表明人造光使用最多的是在北美洲和歐洲（來源：美國國家航空航天局哥達德太空飛行中心，科學可視化工作室。地球之夜。華盛頓：政府印刷局，2012）222 全球氣候變化和能源資源之間的關聯長期以來，人工合成的化學物質，如氟氯化碳（CFC），已被懷疑為造成大氣變化的原因[20]。JamesLovelock是第一個把大氣中高濃度的氟氯化碳與大量臭氧耗竭聯系在一起的人。然而，直到MarioMolina和SherryRowland報告了紫外線輻射下氟氯化碳的不穩定性，這些相關性才有了科學的解釋。具體來說，臭氧的消耗遵循自由基反應機制由鏈引發、鏈增長、鏈終止三個反應組成[21。始反應在地球的平流層，含氯氟烴（Cl3FC）被紫外線輻射，生成氯自由基（23）。在氧分子形成的傳播反應產物和再生氯基反應使臭氧分解在地球的北極地區臭氧層變得更薄，如南極洲和北極圈[22（24）終止處會有二氯過氧化物（Cl2O2）形成，以再生額外的氯自由基，重新啟動先前描述的順序對臭氧層造成破壞。年顯的社會后果年的夏天正經歷著前所未有的熱浪和隨之而來的干旱與以前的天氣異常不同這一次天氣影響了美國大陸的所有地區，使大多數城市的溫度超過8℃（311K）

圖2.3臭氧分解為氧的一系列自由基反應估計1988年的財產損失在800億～1200億美元之間，包括農作物、牲畜和自然蓄水量的損失。這樣的天氣還導致數千人死于火災和高溫[23]。為了應對生命和財產的損失，美國參議院能源和自然資源委員會于1988年6月召開了一次聽證會，以查明干旱的科學成因。這次聽證會的證詞被稱為美國全球變暖爭議的開始。具體而言，美國國家航空航天局（NASA）哥達德太空研究所的代理主任JamesHansen得出的結論是，干旱是受人類制造的溫室氣體影響產生的。他的證詞中警告說，越來越多的氣候強迫導致增加的氣候波動。氣候強迫的三個主要類別為溫室氣體、人為影響和自然過程（見表2.1）。每一個類別又進一步細分為影響地球表面溫度的化學物質和過程的具體例子。Hansen的警告源于一個氣候模型，該模型提供了三種不同的基于強制濃度的場景，特別是二氧化碳、甲烷、水、氟氯化碳和氣溶膠的濃度（25）。A中，207080年代的觀察結果相同。另一方面，氣候因素將