1、太阳电池的原理、工艺与应用(Principle，Technology and Applications of Solar Cell),本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用 PowerPoint 可以跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择“会议记录”选择“即席反应”选项卡必要时输入即席反应单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。,目录,太阳能光伏技术的发展历史太阳能分布与太阳光谱分析太阳电池的物理基础半导体的基本知识太阳电池的工作原理硅材料的制备工艺太阳电池的制备过程太阳电池的电流-电压特性太阳电池组件的制作与测试光伏系统的组成
2、及设计基础光伏系统的应用,太阳电池发明人: （1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson,1太阳能光伏技术的发展历史,发展背景：能源与环境太阳电池发展历史回顾我国政府推广光伏应用的措施太阳电池发展现状与趋势国内外发太阳电池生产厂家与研究机构太阳能资源分布太阳、地球数据,太阳能光伏技术的发展历史,从1839 法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳电池已经经过了160多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳电池的实际应用
3、起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到了里程碑的作用。至今为止，太阳电池的基本结构和机理没有改变，太阳电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳电池、CIS太阳电池、CdTe太阳电池和纳米敏化太阳电池等，此外主要的是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。回顾历史有利于我们了解光伏技术的发展历程，按时间的发展顺序，将与太阳电池发展有关的历史事件汇总如下：,太阳能光伏技术的发展历史,1839年法国实验物理学家亚利山大柏克勒尔(Alexander
4、E. Becquerel 1820-1891）首次在稀释的酸液体中发现光生伏特效应,即观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。（Alexander E. Becquerel 是Henri A. Becquerel (1852-1908)的祖父。Henri A. Becquerel由于发现放射性于 1903年与居里夫妇一起共同获得诺贝尔物理奖，他的名字被用作放射性的单位）1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒 (Se) 的光伏效应；1883 美国发明家Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理；1889？弗里兹(Charles Fritts) 发明半导
5、体硒太阳电池, 光电转换效率仅为1%, 主要用于光电探测等;1904 Hallwachs 发现铜与氧化亚铜 (Cu/Cu2O) 结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）发表关于光电效应的论文；1918 波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺；1921 德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖；,1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜 (Cu/Cu2O) 太阳电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky 发表“新型氧化亚铜 (Cu2O) 光电池”论文；1932 Audobert
6、和Stora发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象；1933 L.O. Grondahl 发表“铜-氧化亚铜 (Cu-Cu2O) 整流器和光电池”论文；1949年W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 发明晶体管,给出了p-n结物理解释, 从此，半导体器件时代开始；1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池；1953 Wayne 州立大学Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算；1954 RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现象；(RCA:Radio Corporati
7、on of America, 美国无线电公司)；,1954年美国贝尔 (Bell ) 实验室研究人员D. M. Chapin，C. S. Fuller 和G. L. Pearson报道4.5%效率的第一个实用的单晶硅p-n结太阳电池的发现，几个月后效率达到6%，几年后达到10%;1954年雷诺慈发现CdS具有光伏效应, 1960年采用蒸镀法制得CdS太阳电池, 效率为3.5%, 1964年美国将效率提高4-6%, 欧洲提高到9%;1955 西部电工 (Western Electric) 开始出售硅光伏技术商业专利；在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳电池
8、产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片，相当于1785 USD/W；1956 P.Pappaport, J.J.Loferski 和E.G.Linder 发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章；1957 Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器件”专利权；,1958 美国信号部队的T. Mandelkorn制成n /p型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100平方厘米，0.1 W，为一备用的5
9、毫瓦的话筒供电；1958年开始, 单晶硅太阳电池在人造卫星宇宙飞船航天飞机等空间飞行器作为供电电源的应用, 推动了太阳电池的发展, 形成小型产业规模, 单晶硅太阳电池市场价格1W-100 USD;1959 Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片电池列阵，每片2平方厘米,共约20W；1960 Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%；1962 第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14 W；1963 Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242 W光伏电池列阵，
10、在当时是世界最大的光伏电池列阵；1964宇宙飞船“光轮发射”，安装470 W的光伏列阵；1965 Peter Glaser 和A. D. Little 提出卫星太阳能电站构思；,1966 带有1000 W光伏列阵大轨道天文观察站发射；1971年斯皮尔等人 (W.E. Spear) 采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功实现对a-Si:H的掺杂，获得n型和p型材料，为器件制造打下了基础；1972 法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电；1973 美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅；1973世界发生石油危机，唤起人们对可再
11、生能源的兴趣,特别是在地面上大面积使用太阳电池供电, 受到各国政府高度重视; 1974 日本推出光伏发电的“阳光计划”；Tyco实验室生长第一块EFG晶体硅带，25 mm宽，457 mm长（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定边喂膜生长）；1977 世界光伏电池超过500 KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅（a-Si）太阳电池；1977年D. L. Staebler 和C. R. Wronski 在a-Si:H样品中发现，随光照其光电导和暗电导都显著减少，在150退火
12、后又复原，这现象称为S-W效应，目前机理尚不清楚；1979 世界太阳电池安装总量达到1 MW；1980 ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1 MW光伏电池生产厂家；三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了a-Si组件批量生产并进行了户外测试；1980年开始, 人们注重研究高效率太阳电池, 以降低生产成本;1981 名为Solar Challenger 的光伏动力飞机飞行成功；,1983 世界太阳电池年产量超过21.3 MW；名为Solar Trek的1 kW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000公里； 1984 面积为1平方英尺（929 cm2）的商品
13、化非晶硅太阳电池组件问世；1985,单晶硅太阳电池用于地面供电电源, 太阳电池售价 1W-10USD, 2000年, 1W- 2.5USD, 2010年美国目标: 1W-1USD;澳大利亚新南威尔士大学Martin Green 研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；1986 6月，ARCO Solar发布G-4000世界首例商用薄膜电池“动力组件”；1987 11月，在3100公里穿越澳大利亚的Pentax World Solar Challenge PV-动力汽车竞赛上，GM Sunraycer 获胜，平均时速约为71 km/h；1991 世界太阳电池年产量超过55.3 MW；瑞士Grtzel
14、教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel Cell)效率达到7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;,1995 世界太阳电池年产量超过77.7 MW；光伏电池安装总量达到500 MW；1998 世界太阳电池年产量超过151.7 MW；多晶浇铸硅太阳电池产量首次超过单晶硅； 1999 世界太阳电池年产量超过201.3 MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%；非晶硅电池占市场份额12.3%；2000 世界太阳电池年产量超过287.7 MW，安装超过1000 MW，标志太阳能时代到来；2001 世界太阳电池年产量超
15、过399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等报道碲化镉 （CdTe）电池效率达到16.4%；单晶硅太阳电池售价约为3 USD/W；德国人制作PVC太阳电池；2002 世界太阳电池年产量超过540 MW；多晶硅太阳电池售价约为2.2 USD/W；,2003 太阳电池年产量超过760 MW；德国Fraunhofer ISE的LFC（Laserfired contact）晶体硅太阳电池效率达到20%; 2004 太阳电池年产量超过1200 MW；德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%;非晶硅电池占市场份额4.4%,降为1999年的1/3，CdTe
16、占1.1%; 而CIS占0.4%；2010 通过技术突破，太阳电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到12.5%；2020太阳电池发电成本与化石能源相接近，德国可再生能源占20%；2030 太阳电池发电达到10-20%；德国将关闭所有的核电站； 2050 世界太阳能利用将占有世界能源总能耗30-50%份额。2100 以煤、石油、天然气为代表的化石能源基本枯竭，人类主要利用太阳能、氢能、风能和生物质能等洁净可再生能源。人类从利用“昨日阳光”完全过渡到利用“今日阳光”。,我国太阳电池发展历史,1958年我国开始研制太阳电池，1959年中国科学院半导体研究所研制成功
17、第一片有实用价值的太阳电池；1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星-科学实验卫星实践1号上首次应用由天津电源研究所（18所）研制的太阳电池；1973年天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源研究所研制太阳电池，航标灯上应用14.7 W的太阳电池和Ni Cd蓄电池；1979年我国开始利用半导体工业废次单晶硅材料生产单晶硅太阳电池；1980-1900年期间我国引进国外太阳电池关键设备或成套生产线及技术，先后建立单晶硅电池生产企业，如宁波太阳能电源厂、开封太阳电池厂、云南半导体器件厂、秦皇岛华美太阳电池厂和深圳大明厂，非晶硅电池生产企业，如哈尔滨克罗拉和深圳宇康太阳电池厂。到上世纪80年代后期，我国
18、太阳电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成我国太阳电池产业。,我国太阳电池发展历史,生产厂家 2005年产能（MW）宁波太阳能电源厂 45 无锡尚德太阳能电力公司(Suntech) 120保定英利集团 ？南京中电光伏 30上海太阳能科技 20 上海泰阳 10 云南天达 15江苏江阴 20？江苏林洋 20？中国南玻 110天津 5北京 5深圳拓日 5+10 深圳创益 5 深圳日月环 5台湾茂迪(Motech) 80,我国政府在推动光伏发电发展的措施,西藏阿里地区的专项光伏工程 2000年国家投资6000万人民币启动该项目，在阿里地区安装太阳电池总计约600 kW的光伏电站，为藏民提供电力。项目
19、已经完成。GEF项目（全球环境基金） 我国政府与世界银行共同投资推动中国可再生能源市场，主要是光伏和风力发电，计划用5年时间安装10 MW 光伏系统，以解决无电地区居民生活用电问题。“光明工程”项目 由国家计委牵头，筹集100亿，用10年时间（到2010年）用风电、光电和其他可再生能源技术解决2300万户无电地区居民的生活用电问题、边防哨所、微波通讯、公路道班、石油管道和铁路信号等用电问题。预计2005年光伏系统装机总量达到105MW，2010年达到300MW。这是到目前为止国家组织的最大可再生能源推广项目，也得到了日、德、荷、美等国及一些国际组织和大企业积极支持。,我国政府在推动光伏发电发展
20、的措施,西部7省无电乡通电工程 2002年，中央政府和地方省政府共同投资18亿人民币，在西部7省无电地区乡政府所在镇安装光伏电站， 规模一般在20-80MW，共计约15MW，要求项目在一年内完成。西部7省无电村通电工程 2003年，将实施与上规模类似的项目，在西部无电村安装光伏电站，以解决这些地区的绝大部分居民的生活用电问题。,近年来降低生产成本的若干技术措施； - 采用生产成本较低的浇铸多晶硅替代单晶硅; - 生产带硅, 避免拉单晶与切片及减少材料损失; - 发展低成本的电池工艺,如用丝网印刷代替真空蒸发来制作太阳 电池电极.晶体硅材料电池在近期仍占主导地位，特别是多晶硅电池的产量将占领大部
21、分市场份额；非晶硅, CIS与CdTe等薄膜太阳电池有待进一步发展;多晶硅薄膜电池具有很大发展潜力;有机材料太阳电池研制；不断探索新材料、新工艺、新原理；,太阳电池发展现状与趋势,太阳电池发展现状与趋势,日本2000-2001年第七次技术预见结果: - 2016年转换效率在20%以上的太阳电池进入实用阶段，这一预见已经提前实现，如美国Sunpower和日本Sanyo高效太阳电池都达到20左右效率，并实现大规模生产; - 2020年转换效率在50%以上的多结太阳电池进入实用阶段;上世纪六十年代美国人的提出建立光伏太空电站设想, 太空光伏发电转变为微波传输地面，地面接收微波并转变为电能，前几年日本
22、人实验验证光伏太空电站具有可行性澳大利亚新南威尔士大学Martin Green教授提出第三代光伏太阳电池概念，设想通过太阳光谱分割利用等措施可将太阳电池的效率提高到50甚至80以上。但德国人认为这是比较遥远的事情，至少20年以后才有可能。,太阳电池发展现状与趋势,2000年我国启动973太阳电池研究项目 主持单位: 中国科学院等离子体物理研究所:nano-TiO2; 南开大学:非晶硅;2001年我国启动863太阳电池研究项目 主持单位: 四川大学:CdTe; 南开大学:CIS; 中国科学院广州能源研究所:多晶硅薄膜; 云南师范大学:低成本晶体硅电池；上海交通大学:薄膜电池测试; 北京有色金属研
23、究总院:多晶浇铸硅;,世界太阳电池的生产状况,世界几个主要厂家电池产量及排序（1999-2001）,世界十大太阳电池生产厂2003-2005排名与产量(MW) (M. Schmela, J. Siemer，Wachstun um die Wette, Photon Das Solarstrom- Magazin, 4/2005),太阳电池光电转换效率国际记录,电池类型 世界记录(实现单位) 实现时间 GaAs(AM0): 24.1% (Fraunhofer-ISE)GaInP/GaInAs 30% (Fraunhofer-ISE) 2001 (AM1.5d,1000x) m-Si: 24.7%
24、 (澳大利亚 UNSW) 2000 p-Si: 20.3% (Fraunhofer-ISE) 2004 a-Si (3x p-n) 15.2% (Uni-solar) CdTe: 16.4% (NREL) CIS: 18.8(NREL),光伏系统成本与其它发电方法比较,国际著名太阳电池研究机构,Photovoltaics Special Research Center, University of New South Wales, Sydney, Australia (M. A. Green) Fraunhofer-ISE, Germany (A. Goetzberger, J. Luther
25、)IPE, Stuttgart University, Germany (J. H. Werner)Konstanz University, GermanyISEF, Hanover, Germany ( )NREL, USAJapan,国际太阳电池生产厂家,United Solar (USA): a-SiAstropower (USA): m-Si Global Solar Energy (USA): CISFirst Soalr: CdTeQ-Cells (Germany) SiRWE Schott Solar Si, GaAsErsol (Germany) SiANTEC Solar (
26、Germany) CdTeWuerth Solar (Germany) CISBP Solar: (UK) SiShell: SiIsofoton Si Photowatt (France): Si Solareuro (Italy): SiEnergy Photovo (EPV),国际太阳电池生产厂家,Japan - Sharp: Si - Kyocera: Si - Sanyo: Si - Mitsubishi Si - Kaneka a-Si - Matsushita: CdTe 一些厂家生产计划 厂家 2003 2004 2005 Photowatt 17.0 28.5 35Deuts
27、che Cell 17.0 28.0 52.5ErSol 9.0 16.0 28.0Sunways 6.7 11 20 Scancell 1.8 10 20,中国太阳电池研究机构,中国科学院半导体研究所(廖显伯、向贤碧);北京太阳能研究所(韩建功、赵玉文);上海交通大学太阳能研究所(崔容强);上海811空间电源研究所(?)天津18空间电源研究所(?)南开大学光电子研究所(耿新华,孙云)云南师范大学太阳能研究所(刘祖明);四川大学材料科学系(冯良桓)中国科学院等离子体物理研究所(王孔嘉)中山大学太阳能系统研究所(沈辉),2.太阳能分布与太阳光谱分析,国际太阳能资源分布国内太阳能资源分布太阳-地球
28、-大气层太阳光谱太阳光谱的吸收和散射大气质量(AM0-2)太阳光谱太阳辐射与黑体辐射太阳辐射-大气层吸收与散射,世界太阳能资源分布,太阳能资源丰富程度（高）印度巴基斯坦中东北非澳大利亚新西兰太阳能资源丰富程度（中高）美国中美南美南部,世界太阳能资源分布,太阳能资源丰富程度（中）西南欧洲巴西东南亚大洋洲中国朝鲜中非太阳能资源丰富程度（中低）东欧日本太阳能资源程度（低）加拿大西北欧洲,中国太阳能资源分布(四类地区分法),I 6700MJ/ m2 .年, II 5400 - 6700 MJ / m2 .年III 4200 5400 MJ / m2 . 年, IV 4200 MJ / m2 .年 (赵
29、玉文),中国太阳能资源分布(五类地区分法),地区1: 青藏高原, 甘肃北部, 宁夏北部和新疆南部 太阳能资源最丰富区, 年日照3200-3300h, 辐射量6700-8370 MJ / m2 .年, 与印度和巴基斯坦北部相当. 西藏地势高, 透明度好, 太阳能资源仅次于撒哈拉大沙漠, 太阳能资源居世界第二位, 拉萨是著名的阳光城.地区2: 河北西北, 山西北部, 内蒙南部, 宁夏南部, 甘肃中部, 青海东部, 西藏东南部和新疆南部 太阳能资源丰富区, 年日照3000-3200h, 辐射量5860-6700 MJ / m2 .年,中国太阳能资源分布(五类地区分法),地区3: 山东, 河南, 河北
30、东南部, 山西南部, 新疆北部, 吉林, 辽宁, 云南, 陕西北部, 甘肃东南部, 广东和 福建南部, 江苏和安徽北部 太阳能资源较丰富区, 年日照2200-3000h, 辐射量5020-5860 MJ / m2 .年地区4: 长江中下游地区, 福建, 浙江和广东部分地区 太阳能资源较少区, 年日照1400-2200h, 辐射量4190-5020 MJ / m2 .年地区5: 四川, 贵州 太阳能资源最少区, 年日照1000-1400h, 辐射量3350-4190 MJ / m2 .年, 成都日照仅为1152h.,太阳数据,太阳的数据 - 直径 1392000 km - 表面积 6.9x101
31、2 km2 - 表面温度 5500 K - 表面辐射密度 63000 kW/m2 - 辐射能量 3.36 x 1024 MWh/a - 大气层外太阳光谱分布分类与所占比例 紫外线: 380 nm ( 6.46% ) 可见光: 380 - 780 nm (46.25%) 红外线: 780 nm (47.29%) - 晶体Si太阳电池光谱响应范围1100 nm (50%),太阳数据,地球的数据 - 到太阳的平均距离 1.5x108 km - 直径 12756 km - 表面积 5.11x108 km2 - 陆地面积 1.49x108 km2 (29.2%) - 中国面积 9.6x106 km2 (
32、1.87%)? - 大气层外辐射密度（太阳常数） 1367 7 W/m2 - 在地球空间方向上的辐射功率 1.76x1011 MW - 在地球空间方向上的辐射能量 1.54x1015 MWh/a - 在地球表面的的辐射密度 (全球辐射) 1000 W/m2 - 在地球表面的辐射功率 1.28x1011 MW - 在地球表面的辐射能量 1.12x1015 MWh/a - 在中国的辐射能量 2.09x1013 MWh/a?,太阳辐射到地球表面的传播过程,直射辐射漫射辐射散射吸收云层反射地面反射,太阳辐射到地球表面的传播过程,太阳辐射到达地面时散射，吸收示意图,太阳光谱的吸收和散射,太阳直射光/漫射
33、光和吸收,散射及反射示意图,大气质量(AM0-2)太阳光谱,大气质量(AM)太阳光谱定义几何示意图(AM=1/cosz=(1+(s/h)2)-1/2), s是高度为h 的垂直竿的阳光下投影长度，z太阳天顶角。,太阳辐射(AM0)与黑体辐射,AM0太阳辐射(实线)与5800K黑体辐射(虚线)光谱,太阳辐射-大气层吸收与散射,AM0与AM1.5太阳辐射光谱比较,太阳辐射-总辐射与直射辐射,AM1.5太阳总辐射与AM1.5太阳直射光谱,太阳辐射与人工光源光谱,AM1.5太阳光谱/白灯和日光灯发光光谱,大气质量(AM0,AM1.5)太阳光谱,AM1.0与AM1.5太阳光谱,大气质量(AM1.5)太阳光
34、谱,AM1.5太阳光谱与晶体硅太阳电池的可用光谱范围,大气质量的定义,国际公认的太阳光在大气层外垂直面上的标准值为： 1367 W/m2太阳光的强度的变化与光传播路径上通过的大气的厚度或经过的“大气质量”有关太阳与地球的平均距离约为1.5x108 km ，在太阳与地球的中心连线上，地球表面某点至太阳的张角仅为32分，因此可近似地将太阳光投射到地球上的光线视为平行光束大气质量(Air Mass)定义为AM=1/cosz 其中z 是太阳光线与地球表面上某点水平面的法线的夹角，称为天顶角大气质量的最简单估算方法是利用高度为h 的垂直竿，从其阴影的长度s,可估算得到大气的质量为(1+(s/h)2)-1/2 在地面上，太阳电池的性能是以有代表性的AM1.5太阳光谱为参照确定的 。,
