太阳能光伏技术概论

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1、Introduction to Solar Photovoltaic Technology 南昌大学-LDK研究中心南昌大学太阳能光伏学院n 太阳电池发展史 n 半导体材料与理论 n 硅片的生产 n 太阳电池原理 n 太阳电池工艺 n 太阳电池理论分析 n 太阳电池的表征 n 太阳电池分类 n 太阳电池的发展第三章 太阳电池基础第一节1. 太阳电池发展史太阳电池发展史太阳能光伏发电最核心的器件太阳电池。从1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的 光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电 池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的 发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推

2、进的作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作 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里 程碑的作用。至今为止，太阳能电池的基本结构 和机理没有发生改变。太阳电池发展史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太阳电池和纳米燃料敏化太阳电池等，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。太阳电池发展史回顾历史有利于了解光伏技术的发展历程， 按时间的发展顺序，将于太阳电池发展有关的历 史事件汇总如下： 1839年法国实

3、验物理学家E.Becquerel发现液体的光 生伏特效应，简称为光伏效应。 1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏 效应，并制作第一片硒太阳能电池。 1883年美国发明家Charles Fritts描述了第一块硒太阳 能电池的原理。太阳电池发展史 1904年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年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉 法工艺。 1921年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（

4、Nobel）物理奖。 1930年B. Lang研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新 型光伏电池”论文；W. Schottky发表“新型氧化亚铜光电 池”论文。太阳电池发展史 1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象 。 1933年L. O. Grondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电 池”论文。 1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。 1953年Wayne州立大学Dan Trivich博士完成基于太阳 光普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。太阳电池发展史 1954年RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉的光伏 现象，(R

5、CA:Radio Corporation of America，美国无线 电公司)。 贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和 G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现 ，几个月后效率达到6%。 1955年西部电工（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%的商业太阳能电池产品，电 池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。太阳电池发展史 1956年P. Pappaport，J. J. Loferski和E. G. Linder发表

6、“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。 1957年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年美国信号部队的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100cm2， 0.1W,为一备用的5mW话筒供电。太阳电池发展史 1959年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

7、 ；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳能电池列阵， 每片2cm2，共20W。 1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。 1962年第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳 能电池功率14W。 1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个 灯塔安装242W光伏电池阵列，在当时是世界最大的光 伏电池阵列。太阳电池发展史 1964年宇宙飞船“光轮发射”，安装470W的光伏阵列。 1965年Peter Glaser和A. D. Little提出卫星太阳能电站 构思。 1966年带有1000W光伏阵列大轨道天文观察站发射。 1972年法国人在尼日尔一乡村学校安装

8、一个硫化镉光 伏系统，用于教育电视供电。 1973年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。 太阳电池发展史 1974年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，25mm宽，457mm长(EFG: Edge defined Film Fed-Growth，定边喂膜生长)。 1977年世界光伏电池超过500KW； 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)太阳能电池。 1979年世界太阳能电池安装总量达到1MW。 太阳电池发展史 1980年ARCO太阳能公司是

9、世界上第一个年产量达到 1MW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，接着完成了非晶硅组件 批量生产并进行了户外测试。 1981年名为Solar Challenger的光伏动力飞机飞行成功 。 1982年世界太阳能电池年产量超过9.3MW。 1983年世界太阳能电池年产量超过21.3MW；名为 Solar Trek的1KW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内 行程达到4000Km。太阳电池发展史 1984年面积为929c的商品化非晶硅太阳能电池组件 问世。 1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W；澳大利亚新 南威尔土大学Martin Green研制单晶硅的太

10、阳能电池效 率达到20%。 1986年6月，ARCO Solar 发布G-4000世界首例 商用薄膜电池“动力组件”。 1987年11月，在3100Km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71km/h。 太阳电池发展史 1990年世界太阳能电池年产量超过46.5MW。 1991年世界太阳能电池年产量超过55.3MW；瑞士 Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达 到7%。 1992年世界太阳能电池年产量超过57.9MW。 1993年世界太阳能电池年产量超过60.1MW。 1

11、994年世界太阳能电池年产量超过69.4MW。 1995年世界太阳能电池年产量超过77.7MW；光伏电池 安装总量达到500MW。太阳电池发展史 1996年世界太阳能电池年产量超过88.6MW。 1997年世界太阳能电池年产量超过125.8MW。 1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW；多晶硅 太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。 1999年世界太阳能电池年产量超过201.3MW；美国 NREL的M. A. Contreras等报道铜铟锡（CIS）太阳能 电池效率达到18.8%；非晶硅太阳能电池占市场份额 12.3%。太阳电池发展史 2000年世界太阳能电池年产量超过399MW；

12、X. Wu， R. G. Dhere， D. S. Aibin等报道碲化镉（CdTe）太阳能电池效率达到16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。 2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太阳能电池售价约为2.2USD/W。太阳电池发展史 2003年世界太阳能电池年产量超过760MW；德国Fraunhofer ISE的LFC（Laser Fired Contact）晶体硅太阳能电池效率达到20%。 2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW；德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，C

13、dTe占1.1%；而CIS占0.4%。预计未来世界太阳 2010年通过技术突破，太阳能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年太阳能发电成本与化石能源成本相接近，德国 可再生能源占20%。 2030年太阳能发电达到10%20%；德国将关闭所有的核电站。能发电产业的发展预计未来世界太阳 2050年世界太阳能发电利用将占世界能源总能 耗30%50%份额。 2100年以煤、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、 生物质能等洁净可再生能源。人类将充分利用太 阳能发电。能发电产业的发展中国太阳能发电发展史 195

14、8年我国开始研制太阳能电池。 1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有 实用价值的太阳能电池。 1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星科学实验 卫星实践一号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳 能电池。 1973年在天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源 研究所研制的太阳能电池，航标灯上应用14.7W太阳能 电池。 中国太阳能发电发展史 1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶 硅太阳能电池。 19801990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备 、成套生产线和技术，先后建立单晶硅电池生产企业， 如宁波太阳能电源厂、开封半导体厂、云南半导体厂、 秦皇岛华美太阳电池厂等。

15、到20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到 4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业。 2004年我国太阳能电池产量超过印度，年产量达到 50MW以上。中国太阳能发电发展史 20052006年期间，我国大陆包括正在建设的太阳电 池或太阳能电池组件产量可达10MW以上的厂家有很多 ，如：无锡尚德，保定天威英利，宁波太阳能，南京中 电光伏，上海太阳能科技，云南天达和常州天合等。我 国已成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个 以光伏工业为源头的高科技光伏产业链。 随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏 发电将得到快速发展。预计在35年内我国在太阳能光 伏电池研发、生产、应用

16、产品开发将形成一个世界级的 产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要 的地位。第二节2. 半导体材料与理论能带理论简单立方晶格 面心立方晶格 Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵(晶格)。电子共有化1、周期性势场 (1) 孤立原子(单价)电子所在处的电势为U，电子的电势能为V。电势能是一 个旋转对称的势阱。 r+-eU VUVr+电子能级势阱旋转对称势垒+电子共有化(2) 两个原子的情形 VVr+电子共有化(3) 大量原子规则排列的情形V r+aE1E2晶体中大量原子(分子、