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1、太阳能电池原理及太阳能电池原理及表征参数表征参数报告人报告人 赵明宇赵明宇主要内容主要内容v太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史 v太阳能电池市场状况及趋势太阳能电池市场状况及趋势 v太阳能电池定义和分类太阳能电池定义和分类v太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构及工作原理v太阳能电池表征参数太阳能电池表征参数v太阳能电池的应用太阳能电池的应用 1.太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史 1954 1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为用于空间技术。当时太阳能
2、电池的转换效率为8 8。19731973年世界爆发石油年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近1010几年来，随着世几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展
3、机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。在设备业的发展。在1997199720062006年的年的1010年中，世界光伏产业扩大了年中，世界光伏产业扩大了2020倍，倍，今后今后1010年世界光伏产业仍以每年年世界光伏产业仍以每年3030以上的增长速度发展。以上的增长速度发展。世界太阳能电池发展的主要节点世界太阳能电池发展的主要节点v1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为美国贝尔实验室发明
4、单晶硅太阳能电池，效率为6v1955 第一个第一个光伏航标灯光伏航标灯问世，美国问世，美国RCA发明发明Ga As太阳能电池太阳能电池v1958 太阳能电池首次装备于美国先锋太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为号卫星，转换效率为8。v1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。第一个单晶硅太阳能电池问世。v1960 太阳能电池首次实现太阳能电池首次实现并网并网运行。运行。v1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。v1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世非晶硅及带硅太阳能电池问世v1978 美国建成美国建成100KW光伏电站光伏电站v198
5、0 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为多晶硅为14.5，Ga As为为22.5v1986 美国建成美国建成6.5KW光伏电站光伏电站v1990 德国提出德国提出“2000光伏屋顶计划光伏屋顶计划”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达太阳能电池问世，效率达32。v1997 美国提出美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划新阳光计划”v1998 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出，荷兰提出“百万光伏屋顶计划百万光伏屋顶计划”v2000 世界太阳能电池总产量达世
6、界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划，欧洲计划2010年生产年生产60亿瓦光伏亿瓦光伏电池电池并网发电系统及工作原理光伏航标灯2.太阳能电池市场状况及趋势太阳能电池市场状况及趋势2.1 太阳能电池的市场状况太阳能电池的市场状况1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位其次是多晶硅电池。从1998年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。CdTe电池从20世纪80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。2.2太阳电池的未来发展趋势太阳电池的未来发展
7、趋势 2.2.1 商业化趋势商业化趋势v 1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。电池。v 从从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。v非晶硅从非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。市场份额先高后低。v CdTe电池从电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，慢，Cd的毒性是原因之一；的毒性是原因之一； 20012001、20022002年各种电池的市场份额
8、和开始商业化时间年各种电池的市场份额和开始商业化时间. .电池技术市场份额 %商业化时间单晶硅35.1329.46 70初(地面应用)多晶硅47.3354.44 70年代末非晶硅8.625.580年代初A-Si/c-Si(n)4.615.990年代末带硅3.483.380年代中薄硅/陶瓷0.260.390年代中CdTe0.390.380年代中CIS0.18/00年代初2.2.2 技术发展趋势技术发展趋势2.2.2.1 硅基电池硅基电池:v 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂以石英砂形式存在形式存在)；v 环境友好；环境友好；v 电池效率高，性能稳定；
9、电池效率高，性能稳定；v 工艺基础成熟。工艺基础成熟。v 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅电池的产业化技术电池的产业化技术 硅基薄膜电池硅基薄膜电池研究开发方向：研究开发方向：晶硅电池晶硅电池: 提高电池提高电池/组件效率组件效率高效钝化技术：高效钝化技术：TiO2，SiNx, H、SiO2, a-Si 。高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区选择性发射区(前前)，背表面场背表面场(BSF)，细栅或者单面技术，细栅或者单面技术， 高效封装技术最佳封装材料的折射率等。高效封装技术
10、最佳封装材料的折射率等。简化、改进工艺自动化、环保、低成本；简化、改进工艺自动化、环保、低成本； 如硅片如硅片薄化及其工艺，薄化及其工艺， 材料的国产化和提高性能；材料的国产化和提高性能； 硅基薄膜电池硅基薄膜电池 低温过程低温过程(PECVD) 900,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底；多晶硅基薄膜电池，廉价衬底； 2.2.2.2 2.2.2.2 化合物电池化合物电池v CIGS CIGS 电池：提高效率，大面积重复性，电池：提高效率，大面积重复性，S S代代SeSev CdTe CdTe电池：提高效率，大面积重复性电池：提高效率，大面积重复性v GratzelGratzel电池电池 高效染料，固
11、体或准固态电高效染料，固体或准固态电 解质，解质，提高效率，大面积重复性提高效率，大面积重复性v 有机电池有机电池 高效电子受体高效电子受体 和给体以及材料，提高和给体以及材料，提高效率效率 3.3.新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带 光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段概念研究和验证阶段。3.太阳能电池定义和分类太阳能电池定义和分类 太阳能电池，太阳能电池，又称光伏器件又称光伏器件，是一种利用光生是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太伏特效应把光能转变为电能的
12、器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。阳能光伏发电的基础和核心。太阳能电池分类太阳能电池分类按结构按结构分类分类同质结同质结太阳电池太阳电池异质结异质结太阳电池太阳电池肖特基肖特基太阳电池太阳电池按材料按材料分类分类硅太阳硅太阳电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶太阳电池太阳电池有机化合物有机化合物太阳电池太阳电池塑料塑料太阳电池太阳电池无机化合物无机化合物半导体半导体太阳电池太阳电池4.太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构太阳能电池发电原理太阳电池的表征参数太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光光生电流生电流
13、Iph。同时,由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID ,此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此,实际获得的电流I为 v当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD0），得短路电流短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。 当太阳电池的输出端开路时，I = 0，得开路电压开路电压v当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图所示。太阳电池的伏安特性曲线v负载R可以从零到无穷大。当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率最大功率Pm为式中 Im 和 Vm 分别为最佳工作电流最佳工作电流和最佳工最佳工作电压作电压。v将Voc与Isc的乘积与最大
14、功率Pm之比定义为填填充因子充因子FF，则 FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。v太阳电池的转换效率转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即6.6.太阳能电池的应用太阳能电池的应用 上世纪上世纪6060年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能
15、源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑远地区自然
16、界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势系统的结合已经形成产业化趋势 v用户太阳能电源用户太阳能电源1.1.小型电源小型电源10-100W10-100W不等，用于边远无电地区如高原、不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等电视、收录机等 太阳能电源太阳能电源 太阳能逆变器太阳能逆变器2. 3-5KW2. 3-5KW家庭屋顶并网发电系统；家庭屋顶并网发电系统；3.3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉v 交通领域交通领域 如航标灯
17、、交通如航标灯、交通/ /铁路信号灯、交通警示铁路信号灯、交通警示/ /标志灯、标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路路灯、高空障碍灯、高速公路/ /铁路无线电话亭、无铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。人值守道班供电等。v通讯通讯/ /通信领域通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/ /通通讯讯/ /寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵信机、士兵GPSGPS供电等。供电等。v石油、海洋、气象领域石油、海洋、气象领域 石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/ /水水文观测设备等文观测设备等 风云三号气象卫星的太阳能电池风云三号气象卫星的太阳能电池海洋气象监测标 v家庭灯具电源家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。黑光灯、割胶灯、节能灯等。v光伏电站光伏电站10KW-50MW10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。大型停车厂充电站等。谢谢观看
