1、课程大纲第一部分：基础知识第 一 章 ： 引言第章第二章：半导体基础第三章： P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第 五 章 ：晶体硅太阳 能 电池第章 能第六章：高效 III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（ CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池中国科学院半导体研究所 张兴旺2主讲教师：张兴旺 （ 1 4 章 18学时 ） 82304569 xwzhangsemi ac cn（ - 章 ： ） ；
2、 ， 尹志岗 （ 5-7 章： 14学时）； 82304469， 游经碧 （ 8-12章： 22学时）； 82304566， 课程性质 专业选修课：课时： 54课时考试类型：开卷成 绩计算方式 期末考试 （ 70%） +小组文献汇报 （ 30%）成 ： （ ） （ ）参考书目：1 熊绍珍 朱 美芳 ： 太阳能电池基础与应用 科学 出版社 2009年. ， 朱 ： ， ， 年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：半导体物理学， 电子工业出版社， 2011年3. 白一鸣等编，太阳电池物理基础，机械工业出版社， 2014年中国科学院半导体研究所 张兴旺3第一章 引 言太阳能资源及其分布31.1太阳能的利用方
3、式1.2太阳电池发展历程14太阳电池工作原理31.31.4太阳电池应用与趋势31.51.6 中国光伏发电的现状中国科学院半导体研究所 张兴旺41.1 太阳能资源1973年 ，由于中东战争而引起的“ 石油禁运 ”，全世界发生了以石油为代表的 “ 能源危机 ” ， 人类认识到常规能源的局限性， 、有限性和不可再生性， 认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性 。中国科学院半导体研究所 张兴旺51.1 太阳能资源与此同时， 环境污染日益加剧、极端天气频繁出现， 不断挑战着人类的忍受极限 中国科学院半导体研究所 张兴旺61.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能 核能地热能生物质能风能水势
4、能太阳能电池清洁能源光伏发电最丰富的能源不存在运输问题十分 清洁的 能源中国科学院半导体研究所 张兴旺71.1 太阳能资源太阳-物理参数太阳-地球生命之源！表度太阳-巨大的火球！表 面温 度 ： 5760-6000K中心温度： 1.5 107K日冕层温度： 5 106K质量 ： 1 989 1030kg质量 ： . 太阳每秒释放的能量： 3.865 1026J，相当于每秒燃烧 132 1016吨标准煤的能量中国科学院半导体研究所 张兴旺8每秒燃烧 1.32 吨标准煤的能量1.1 太阳能资源(世界能源消耗)3.0 1020joule/y=万分之 一！(照射到地面的太阳能 )3.0 1024jou
5、le/y万分之巨大潜力照射到地面的太阳能45 7亿年 50亿年我国的太阳能资源. 亿年 ， 亿年 ，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能 17000亿吨 标煤2007年一次能源 26.5亿吨 标煤中国科学院半导体研究所 张兴旺91.1 太阳能资源解决能源危机特点能源角取之不尽、无污染地球表面 0.1%的太阳能 ， 转变率 5%， 每年资源丰富太太角度地球表面 的太阳能 ， 转变率 ， 每年发电量可达 5.6 1012千瓦小时 ，相当于目前世界上能耗的 40倍太阳能太阳能环改善环境、保护气候无污染物 废气 噪音的污染特点能的优能的优 环境角度无污染物 、 废气 、 噪音的污染1 MW并 网光伏电
6、站的年发电 能 力约为 113万节能减排优点优点度并能kWh，可减排二氧化碳约 191余吨 相当于每年可节省标准煤约 384余吨 ，减排粉尘约 5.5吨 ，减排灰渣约 114吨 ，减排二氧化硫约中国科学院半导体研究所 张兴旺108.54吨 。1.1 太阳能资源世界化石燃料的不断消耗发展可再生替代能源2100年 64太阳能在未来能源结构中占主导 地位 ！中国科学院半导体研究所 张兴旺11！1.1 太阳能资源世界太阳能资源分布地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度 地理状况 气候、 、条件等密切相关。全世界太阳能辐射强度和日照时间 最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大
7、利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等中国科学院半导体研究所 张兴旺12。1.1 太阳能资源中国，世界能源第 二 大消耗国势中国太阳能资源分布大消耗国2013年 9月，中国已成为世界第一大石油进口国，进口依存度逼近60势在中国，二氧化碳第二大排放国 。在必人均煤炭可采储量 90吨（ 54.9）西部丰富的太阳能资源中国，传统化石必石油可采储量 3吨（ 11）天然气 1080立方米（ 4.3）能源匮乏行中国，太阳能资源极其丰富！中国科学院半导体研究所 张兴旺131.2 太阳能的利用方式1）太阳能光热利用 ： 它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用通过与物质
8、的相互作用转换成热能加以利用 ；2）太阳能发电 ：包括 光热电利用和光电转换 两种，前者是利用太阳辐射所产生的热能发电；后者是利用半导体材料的光生伏特效应将太阳光直接转换为电能；3）光化利用 ：利用太阳能辐射直接分解水制氢的光化学转换方式；4）光生物利用 ：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换为生物质能的过程 。 目前主要有速生植物 （ 薪炭林 、 油料作物和生物质能的过程 。 目前主要有速生植物 （ 薪炭林 、 油料作物和巨型海藻）。中国科学院半导体研究所 张兴旺141.2 太阳能的利用方式光热发电： 利用太阳辐射所产生的热能发电。太阳能发电光伏发电： 利用半导体材料的 光生伏特效应将太阳光
9、能直接转换为电能的一种技术。中国科学院半导体研究所 张兴旺151.3 太阳电池基本工作原理太阳电池 (solar cell)，是一种利用 光生伏特效应 把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。（ 1）以 p型晶体硅半导体材料为衬底；（ 2） 采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的 n型 层（ ） 型 层 ；（ 3）在 n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极；（ 4） 在衬底背面制作金属膜 ， 作为背面欧姆接触 电极 ；中国科学院半导体研究所 张兴旺16（ ） ， ；（ 5）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构。1.3 太阳电池基本工作原理中国科学院半导体研究所 张兴旺171.3
10、 太阳电池基本工作原理半导体 吸收光子 产生电子空穴对，电子空穴对在 p-n结内建电场作用下 分离 ，从而在 p-n结两端产生电动势。光生伏特效应 ：指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部p-n结是太阳电池的核心！位之间产生电位差的现象。Electric Field1）光子能量大于带隙2）内建电场中国科学院半导体研究所 张兴旺181.4 太阳电池发展历程 1839年， 法国物理学家 A.E.贝克勒尔 (Becqurel)用两片金属浸入溶液构成伏打电池 ， 光照时会产生额外的伏打电势 ，“光生伏特效应（ photovoltaic effect）”。 1873年 ， 英国科学家 Wilou
11、gh B. Smith年 ，观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在 光照射下硒导电能力的增加正比于光通量。 1883年， 美国科学家 Charles Fritts开发出以硒为基础的光伏电池 。人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为 “光伏器件” 。其中 半导体 P N结器件在阳光下的光电转换效率最高 通， - ， 通常称这类光伏器件为 “光伏电池” 。中国科学院半导体研究所 张兴旺191.4 太阳电池发展历程美 尔实验室为 信系统 1954： 美 国贝 尔实验室为 远程通 信系统寻找可靠电源时，发现掺杂硅对光敏感，可产生稳定的电压 。 第 一 次做出了光电Bell Labs engineer t
12、esting solar battery 。 次做出了光电转换效率为 6 的实用单晶硅光伏电池。gyin 1954 1958： 首颗以太阳电池作为信号系统电源的人造卫星美国先锋 I号（ Vanguard-I，效率为 9%） 卫星发射上天 ， 从此开始了） ，太阳电池作为空间电源应用的新纪元。Vanguard I, the first ldt llit 1963： 日本 Sharp商业化 Si电池组件。中国科学院半导体研究所 张兴旺20solar powered sa e e1.4 太阳电池发展历程1961年到 1971年 ：研究重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。1972年到 1976年 ：
13、研制出各种空间用单晶硅光伏电池。 20世纪 70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池 。1976年： 诺贝尔物理奖授予莫特教授在非晶态固体中的电子过程，随后探索出非晶硅光伏电池。1997年 ： 京都协议 签订， 将 光伏发 电 的应用推向另 一 个 高峰 。年 将 的应用推向另 个2003年： 第二次石油危机，发展可再生能源，无锡尚德等目前 太阳电池 在地面的应用非常广泛 主要集中在照明 通信， ， 、 、交通等领域。而 光伏发电与建筑物的结合 （ Building Integrated/Attached Photovoltaic）以及 并网发电 是当今光伏应中国科学院半导体研究所 张兴旺21用
14、新的趋势。1.4 太阳电池发展历程按技术成熟程度分为三代1）晶硅电池： (第一代电池)单晶 硅， 多晶 硅， 带 硅， 球形 电 池带 池2）薄膜电池： （第二代电池）GaAs， a-Si， CIGS， CdTe， c-S 多晶 Si, i3）新型概念电池： (第三代电池)多 结 (带隙递变 )电池多 结 ，中间带（杂质带，量子点）电池，上、下转换器电池，热 载流子 电池直接带隙半导体，带隙在 1.11.7 eV之间；组成的材料无毒性 在地球上丰度 高 ；热 ，有机聚合物电池，钙钛矿、量子点电池等。， 高 ；便于制备，并可大面积、薄膜化生产；有较高的光电转换效率；较好的力学性能 ， 便于 加工
15、 ；中国科学院半导体研究所 张兴旺22， ；性能稳定，耐候性好，具有较长的使用寿命。1.4 太阳电池发展历程中国一次性消费能源构成硅占绝对主导地位（ 92.6%）当前商用太阳电池的市场份额多晶硅47.7%单晶硅非晶硅带硅38.3%5.1%1.5%Where is PV？CdTeCIGS等6.4%1.0%中国科学院半导体研究所 张兴旺23中国光伏发展报告1.5 太阳电池应用与趋势太阳电池在太空的应用 -飞船的翅膀哈勃望远镜两个长 11.8米 ， 宽 2.3米 ， 能提供 2.4千瓦米 ， 宽 米 ，功率的太阳电池帆板 ，两个与地面通讯用的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分，后部是 一 个环形舱 ，
16、 在这个舱里面 ， 望远个环形舱 ， ，镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器；太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。中国科学院半导体研究所 张兴旺241.5 太阳电池应用与趋势太阳能灯太阳能灯是一种利用太阳能作为能源的灯，只要阳光充足就可以就地安装 ， 不受供电线路的影响 ， 不用开沟埋线，不消耗常规电能，是一种绿色环保型 产品 。中国科学院半导体研究所 张兴旺251.5 太阳电池应用与趋势太阳能车和游艇中国科学院半导体研究所 张兴旺261.5 太阳电池应用与趋势太阳能电动车中山大学太阳能系统研究所的一辆太阳能电动车，外观上，跟公园的电瓶车一个样， 可以搭乘 6名乘客，但是国产的时速最高却只有 48公里，持续行驶时间也就 1个小时。中国科学院半导体研究所 张兴旺271.5 太阳电池应用与趋势光伏建筑一体化是国际发展主流方向中国科学院半导体研究所 张兴旺28尚德光伏研发中心1.5 太阳电池应用与趋势德国，光伏走廊 10 kW德国，遮阳挡雨， 14.2 kW中国科学院半导体研究所 张兴旺291.5 太阳电池应用与趋势荷兰，装饰性光伏屋顶中国科学院半导体研究所 张兴旺30意大利，外墙装饰， 21 kW1.5 太阳电池应用与趋势（ 1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现中国科学院半导体研究所 张兴旺31
