【正文】 Introduction to Solar Photovoltaic Technology 南昌大學(xué) LDK研究中心南昌大學(xué)太陽(yáng)能光伏學(xué)院n 太陽(yáng)電池發(fā)展史n 半導(dǎo)體材料與理論n 硅片的生產(chǎn)n 太陽(yáng)電池原理 n 太陽(yáng)電池工藝 n 太陽(yáng)電池理論分析 n 太陽(yáng)電池的表征 n 太陽(yáng)電池分類n 太陽(yáng)電池的發(fā)展第三章 太陽(yáng)電池基礎(chǔ)第一節(jié)167。1. 太陽(yáng)電池發(fā)展史太陽(yáng)電池發(fā)展史太陽(yáng)能光伏發(fā)電最核心的器件 —— 太陽(yáng)電池 。 從 1839年法國(guó)科學(xué)家 E. Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏現(xiàn)象）算起，太陽(yáng)能電池已經(jīng)經(jīng)過(guò)了 160多年的漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史。從總的發(fā)展來(lái)看，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用。對(duì)太陽(yáng)電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家關(guān)于單晶硅太陽(yáng)電池的研制成功，在太陽(yáng)電池發(fā)展史上起到里程碑的作用。至今為止，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒(méi)有發(fā)生改變。太陽(yáng)電池發(fā)展史 太陽(yáng)電池后來(lái)的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)，如非晶硅太陽(yáng)電池、 CIS太陽(yáng)電池、 CdTe太陽(yáng)電池和納米燃料敏化太陽(yáng)電池等，此外主要的是生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝的成功開發(fā)，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等。太陽(yáng)電池發(fā)展史 回顧歷史有利于了解光伏技術(shù)的發(fā)展歷程，按時(shí)間的發(fā)展順序，將于太陽(yáng)電池發(fā)展有關(guān)的歷史事件匯總?cè)缦拢?16。 1839年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)。216。 1877年 和 （ Se）的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽(yáng)能電池。216。 1883年美國(guó)發(fā)明家 Charles Fritts描述了第一塊硒太陽(yáng)能電池的原理。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。 1904年 Hallwachs發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅（ Cu/Cu2O）結(jié)合在一起具有光敏特性；德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦（ Albert Einstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文。216。 1918年波蘭科學(xué)家 Czochralski發(fā)展生長(zhǎng)單晶硅的提拉法工藝。216。 1921年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦由于 1904年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（ Nobel）物理獎(jiǎng)。216。 1930年 B. Lang研究氧化亞銅 /銅太陽(yáng)能電池，發(fā)表 “新型光伏電池 ”論文； W. Schottky發(fā)表 “新型氧化亞銅光電池 ”論文。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1932年 Audobert和 Stora發(fā)現(xiàn)硫化鎘 (CdS)的光伏現(xiàn)象。216。1933年 L. O. Grondahl發(fā)表 “銅 氧化亞銅整流器和光電池 ”論文。216。1951年生長(zhǎng) pn結(jié)，實(shí)現(xiàn)制備單晶鍺電池。216。1953年 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich博士完成基于太陽(yáng)光普的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個(gè)理論計(jì)算。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1954年 RCA實(shí)驗(yàn)室的 現(xiàn)象， (RCA:Radio Corporation of America，美國(guó)無(wú)線電公司 )。216。貝爾 (Bell)實(shí)驗(yàn)室研究人員 , % 效率的單晶硅太陽(yáng)能電池的發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)月后效率達(dá)到 6% 。216。1955年西部電工（ Western Electric）開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利，在亞利桑那大學(xué)召開國(guó)際太陽(yáng)能會(huì)議，Hoffman電子推出效率為 2% 的商業(yè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)品，電池為 14mW/ 片， 25美元 /片，相當(dāng)于 1785USD/W 。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1956年 P. Pappaport， J. J. Loferski和 E. G. Linder發(fā)表“鍺和硅 pn結(jié)電子電流效應(yīng) ”的文章。216。1957年 Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8% ； D. M. Chapin,C. S. Fuller和 G. L. Pearson獲得 “太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件 ”專利權(quán)。216。1958年美國(guó)信號(hào)部隊(duì)的 T. Mandelkorn制成 n/p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強(qiáng)，這對(duì)太空電池很重要； Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 9% ；第一個(gè)光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1號(hào)發(fā)射，光伏電池 100cm2，, 為一備用的 5mW 話筒供電。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1959年 Hoffman電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到10% ，并通過(guò)用網(wǎng)柵電極來(lái)顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6號(hào)發(fā)射，共用 9600片太陽(yáng)能電池列陣，每片 2cm2，共 20W 。216。1960年 Hoffman電子實(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)到 14% 。216。1962年第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星 Telstar發(fā)射，所用的太陽(yáng)能電池功率 14W 。216。1963年 Sharp公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個(gè)燈塔安裝 242W 光伏電池陣列，在當(dāng)時(shí)是世界最大的光伏電池陣列。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1964年宇宙飛船 “光輪發(fā)射 ”，安裝 470W 的光伏陣列。216。1965年 Peter Glaser和 A. D. Little提出衛(wèi)星太陽(yáng)能電站構(gòu)思。216。1966年帶有 1000W 光伏陣列大軌道天文觀察站發(fā)射。216。1972年法國(guó)人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電。216。1973年美國(guó)特拉華大學(xué)建成世界第一個(gè)光伏住宅。 太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1974年日本推出光伏發(fā)電的 “陽(yáng)光計(jì)劃 ”； Tyco實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)第一塊 EFG晶體硅帶， 25mm寬， 457mm長(zhǎng) (EFG: Edge defined Film FedGrowth，定邊喂膜生長(zhǎng) )。216。1977年世界光伏電池超過(guò) 500KW ； D. E. Carlson和 C. R. Wronski 在 W. E. Spear的 1975年控制 pn結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個(gè)非晶硅 (aSi)太陽(yáng)能電池。216。1979年世界太陽(yáng)能電池安裝總量達(dá)到 1MW 。 太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1980年 ARCO太陽(yáng)能公司是世界上第一個(gè)年產(chǎn)量達(dá)到1MW 光伏電池生產(chǎn)廠家；三洋電氣公司利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計(jì)算器，接著完成了非晶硅組件批量生產(chǎn)并進(jìn)行了戶外測(cè)試。216。1981年名為 Solar Challenger的光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行成功。216。1982年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1983年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) ；名為Solar Trek的 1KW 光伏動(dòng)力汽車穿越澳大利亞， 20天內(nèi)行程達(dá)到 4000Km。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1984年面積為 929c㎡ 的商品化非晶硅太陽(yáng)能電池組件問(wèn)世。216。1985年單晶硅太陽(yáng)能電池售價(jià) 10USD/W ；澳大利亞新南威爾土大學(xué) Martin Green研制單晶硅的太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 20% 。216。1986年 6月， ARCO Solar 發(fā)布 G4000——— 世界首例商用薄膜電池 “動(dòng)力組件 ”。216。1987年 11月，在 3100Km穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動(dòng)力汽車競(jìng)賽上， GM Sunraycer獲勝，平均時(shí)速約為 71km/h。 太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1990年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1991年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) ；瑞士Gratzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 7% 。216。1992年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1993年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1994年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1995年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) ；光伏電池安裝總量達(dá)到 500MW 。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。1996年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1997年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 。216。1998年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) ；多晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量首次超過(guò)單晶硅太陽(yáng)能電池。216。1999年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) ；美國(guó)NREL的 M. A. Contreras等報(bào)道銅銦錫（ CIS）太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 % ；非晶硅太陽(yáng)能電池占市場(chǎng)份額% 。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。2022年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 399MW ； X. Wu ， R. G. Dhere， D. S. Aibin等報(bào)道碲化鎘（ CdTe）太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 % ；單晶硅太陽(yáng)能電池售價(jià)約為3USD/W 。216。2022年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 540MW ；多晶硅太陽(yáng)能電池售價(jià)約為 。太陽(yáng)電池發(fā)展史216。2022年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 760MW ；德國(guó)Fraunhofer ISE的 LFC（ Laser Fired Contact）晶體硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 20% 。216。2022年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò) 1200MW ；德國(guó)Fraunhofer ISE多晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 % ；非晶硅太陽(yáng)能電池占市場(chǎng)份額 % ，降為 1999年的 1/3，CdTe占 % ；而 CIS占 % 。預(yù)計(jì)未來(lái)世界太陽(yáng)216。2022年通過(guò)技術(shù)突破，太陽(yáng)能電池成本進(jìn)一步降低，在世界能源供應(yīng)中占有一定的份額；德國(guó)可再生能源發(fā)電達(dá)到 % 。216。2020年太陽(yáng)能發(fā)電成本與化石能源成本相接近，德國(guó)可再生能源占 20% 。216。2030年太陽(yáng)能發(fā)電達(dá)到 10%~20% ；德國(guó)將關(guān)閉所有的核電站。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展預(yù)計(jì)未來(lái)世界太陽(yáng)216。2050年世界太陽(yáng)能發(fā)電利用將占世界能源總能耗 30%~50% 份額。216。2100年以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類主要利用太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等潔凈可再生能源。人類將充分利用太陽(yáng)能發(fā)電。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展史216。1958年我國(guó)開始研制太陽(yáng)能電池。216。1959年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制成功第一片具有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池。216。1971年 3月在我國(guó)發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星 —— 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐一號(hào)上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制的太陽(yáng)能電池。216。1973年在天津港的海面航標(biāo)燈上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制的太陽(yáng)能電池，航標(biāo)燈上應(yīng)用 太陽(yáng)能電池。 中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展史216。1979年我國(guó)開始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)能電池。216。1980～ 1990年期間我國(guó)引進(jìn)國(guó)外太陽(yáng)能電池關(guān)鍵設(shè)備、成套生產(chǎn)線和技術(shù)，先后建立單晶硅電池生產(chǎn)企業(yè)，如寧波太陽(yáng)能電源廠、開封半導(dǎo)體廠、云南半導(dǎo)體廠、秦皇島華美太陽(yáng)電池廠等。216。到 20世紀(jì) 80年代后期，我國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力達(dá)到，初步形成了我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)。216。 2022年我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量超過(guò)印度，年產(chǎn)量達(dá)到50MW 以上。中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展史216。2022～ 2022年期間，我國(guó)大陸包括正在建設(shè)的太陽(yáng)電池或太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)量可達(dá) 10MW 以上的廠家有很多，如：無(wú)錫尚德，保定天威英利，寧波太陽(yáng)能，南京中電光伏，上海太陽(yáng)能科技，云南天達(dá)和常州天合等。我國(guó)已成為世界重要的光伏工業(yè)基地之一，初步形成一個(gè)以光伏工業(yè)為源頭的高科技光伏產(chǎn)業(yè)鏈。 隨著我國(guó) “ 可再生能源法 ” 的實(shí)施，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電將得到快速發(fā)展。預(yù)計(jì)在 3～ 5年內(nèi)我國(guó)在太陽(yáng)能光伏電池研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)將形成一個(gè)世界級(jí)的產(chǎn)業(yè)基地，并將在國(guó)際太陽(yáng)能光伏工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位。第二節(jié)167。2. 半導(dǎo)體材料與理論能帶理論簡(jiǎn)單立方晶格 面心立方晶格Au、 Ag、 Cu、 Al… 體心立方晶格 Li、 Na、 K、 Fe… 六角密排晶格 Be， Mg， Zn， Cd… 晶體： ? 有 規(guī)則對(duì)稱的幾何外形； ? 物理性質(zhì) (力、熱、電、光 …) 各向異性 ； ? 有確定的熔點(diǎn)； ? 微觀 上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性 排列，形成 空間點(diǎn)陣 (晶格 )。電子共有化周期性勢(shì)場(chǎng) (1) 孤立原子 (單價(jià) )電子所在處的電勢(shì)為 U，電子的電勢(shì)能為 V。電勢(shì)能是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的勢(shì)阱。 ●●r+e UV UVr●+電子能級(jí)勢(shì)阱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱勢(shì)壘+電子共有化(2) 兩個(gè)原子的情形VVr● ●++電子共有化(3) 大量原子規(guī)則排列的情形● ●V●r● ● ● ●+ ++ + + + +aE1E2晶體中大量原子 (分子、離子 )的規(guī)則排列成 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) ，晶體中 形成 周期性勢(shì)場(chǎng) 。電子共有化電子共有化 (1)對(duì)能量 E1的電子 v 勢(shì)能曲線表現(xiàn)為勢(shì)壘； 電子能量 勢(shì)壘高度v 且 E1較小 ，勢(shì)壘較寬，穿透概率??； 仍認(rèn)為 電子束縛在各自離子周圍 。v 若 E1較大 (仍低于勢(shì)壘高度 )，穿透概率較大，由隧道 效應(yīng)， 電子可進(jìn)入相鄰原子 。電子共有化(2)對(duì)能量 E2的電子 電子能量 勢(shì)壘高度電子在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，不受特定離子的束縛。 電子共有化： 由于晶體中原子的周期性排列，價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原