太阳电池1（太阳电池的原理、工艺与应用）

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1、太阳电池的原理、工艺与应 用 (Principle，Technology and Applications of Solar Cell)沈 辉Prof. Dr.-Ing. Hui Shen 本演示 文稿 可能 包含 观众 讨论 和即 席反 应。 使用 Po wer Poi nt 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l 太阳能光伏技术的发

2、展历史 l 太阳能分布与太阳光谱分析 l 太阳电池的物理基础 l 半导体的基本知识 l 太阳电池的工作原理 l 硅材料的制备工艺 l 太阳电池的制备过程 l 太阳电池的电流-电压特性 l 太阳电池组件的制作与测试 l 光伏系统的组成及设计基础 l 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. Pearson1太阳能光伏技术的发展历史l 发展背景：能源与环境 l 太阳电池发展历史回顾 l 我国政府推广光伏应用的措施 l 太阳电池发展现状与趋势 l 国内外发太阳电池生产厂家与研究机构 l 太

3、阳能资源分布 l 太阳、地球数据太阳能光伏技术的发展历史l 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。 l 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。 l 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

4、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。 l 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l 1839年法国实验物理学家亚利山大柏克勒尔(Alexander 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. Bec

5、querel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） l 1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒 (Se) 的光伏效应； l 1883 美国发明家Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原 理； l 1889？弗里兹(Charles Fritts) 发明半导体硒太阳电池, 光电转换效 率仅为1%, 主要用于光电探测等; l 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； l 1918 波

6、兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺； l 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；l 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； l W.Schottky 发表“新型氧化亚铜 (Cu2O) 光电池”论文； l 1932 Audobert 和Stora发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象； l 1933 L.O. Grondahl 发表“铜-氧化亚铜 (Cu-Cu2O) 整流 器和光电池”论文； l 1949年W. Shockley, J. Bardeen

7、, 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； l 1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池； l 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； l 1954 RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现 象；(RCA:Radio Corporation of America, 美国无线电公 司)；l 1954年美国贝尔 (Bell ) 实验室研究人员D. M. Chapin， C. S. Fuller 和G. L. Pea

8、rson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%; l 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%; l 1955 西部电工 (Western Electric) 开始出售硅光伏技术 商业专利； l 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%的商业太阳电池产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片 ，相当于1785 USD/W； l 1956 P.Pappaport, J.J.Loferski 和E.

9、G.Linder 发表“锗 和硅p-n结电子电流效应”的文章； l 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 ；l 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毫瓦的话筒供电； l 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,

10、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; l 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； l 1960 Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%； l 1962 第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14 W ； l 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，在当时是世界最大的光伏电池列阵； l 1964宇宙飞船“光轮发射”，安装47

11、0 W的光伏列阵； l 1965 Peter Glaser 和A. D. Little 提出卫星太阳能电站构思；l1966 带有1000 W光伏列阵大轨道天文观察站发射； l1971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； l1972 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； l1973 美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅； l1973世界发生石油危机，唤起人们对可再生能源的兴趣,特别是在地面上大 面积使用太

12、阳电池供电, 受到各国政府高度重视; l1974 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）； l1977 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； l1977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退火后又复原，这现象称为

13、S-W效应， 目前机理尚不清楚； l1979 世界太阳电池安装总量达到1 MW； l1980 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； l1980年开始, 人们注重研究高效率太阳电池, 以降低生产成本; l1981 名为Solar Challenger 的光伏动力飞机飞行成功；l 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 ； l 1984 面积为1平方英尺（929 c

14、m2）的商品化非晶硅太阳电 池组件问世； l 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%； l 1986 6月，ARCO Solar发布G-4000世界首例商用薄膜电池 “动力组件”； l 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； l 1991 世界太

15、阳电池年产量超过55.3 MW；瑞士Grtzel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%;l 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； l 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； l 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%； l 2000 世界太阳电池年产量超过287.7 M

16、W，安装超过1000 MW ，标志太阳能时代到来； l 2001 世界太阳电池年产量超过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； l 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；l 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%; l 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占1.1%; 而CIS占0.4%； l 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% ； l 2020太阳电池发电成