【正文】 Introduction to Solar Photovoltaic Technology 南昌大學 LDK研究中心南昌大學太陽能光伏學院n 太陽電池發(fā)展史n 半導體材料與理論n 硅片的生產(chǎn)n 太陽電池原理 n 太陽電池工藝 n 太陽電池理論分析 n 太陽電池的表征 n 太陽電池分類n 太陽電池的發(fā)展第三章 太陽電池基礎第一節(jié)167。1. 太陽電池發(fā)展史太陽電池發(fā)展史太陽能光伏發(fā)電最核心的器件 —— 太陽電池 。 從 1839年法國科學家 E. Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應（簡稱光伏現(xiàn)象）算起，太陽能電池已經(jīng)經(jīng)過了 160多年的漫長的發(fā)展歷史。從總的發(fā)展來看，基礎研究和技術(shù)進步都起到了積極推進的作用。對太陽電池的實際應用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實驗室三位科學家關(guān)于單晶硅太陽電池的研制成功，在太陽電池發(fā)展史上起到里程碑的作用。至今為止，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和機理沒有發(fā)生改變。太陽電池發(fā)展史 太陽電池后來的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)，如非晶硅太陽電池、 CIS太陽電池、 CdTe太陽電池和納米燃料敏化太陽電池等，此外主要的是生產(chǎn)技術(shù)的進步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅太陽電池生產(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)工藝的高度自動化等。太陽電池發(fā)展史 回顧歷史有利于了解光伏技術(shù)的發(fā)展歷程，按時間的發(fā)展順序，將于太陽電池發(fā)展有關(guān)的歷史事件匯總?cè)缦拢?16。 1839年法國實驗物理學家 生伏特效應，簡稱為光伏效應。216。 1877年 和 （ Se）的光伏效應，并制作第一片硒太陽能電池。216。 1883年美國發(fā)明家 Charles Fritts描述了第一塊硒太陽能電池的原理。太陽電池發(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；德國物理學家愛因斯坦（ Albert Einstein）發(fā)表關(guān)于光電效應的論文。216。 1918年波蘭科學家 Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝。216。 1921年德國物理學家愛因斯坦由于 1904年提出的解釋光電效應的理論獲得諾貝爾（ Nobel）物理獎。216。 1930年 B. Lang研究氧化亞銅 /銅太陽能電池，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 pn結(jié)，實現(xiàn)制備單晶鍺電池。216。1953年 Wayne 州立大學 Dan Trivich博士完成基于太陽光普的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個理論計算。太陽電池發(fā)展史216。1954年 RCA實驗室的 現(xiàn)象， (RCA:Radio Corporation of America，美國無線電公司 )。216。貝爾 (Bell)實驗室研究人員 , % 效率的單晶硅太陽能電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月后效率達到 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，在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為 2% 的商業(yè)太陽能電池產(chǎn)品，電池為 14mW/ 片， 25美元 /片，相當于 1785USD/W 。太陽電池發(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 ”的文章。216。1957年 Hoffman電子的單晶硅電池效率達到 8% ； D. M. Chapin,C. S. Fuller和 G. L. Pearson獲得 “太陽能轉(zhuǎn)換器件 ”專利權(quán)。216。1958年美國信號部隊的 T. Mandelkorn制成 n/p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要； Hoffman電子的單晶硅電池效率達到 9% ；第一個光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1號發(fā)射，光伏電池 100cm2，, 為一備用的 5mW 話筒供電。太陽電池發(fā)展史216。1959年 Hoffman電子實現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達到10% ，并通過用網(wǎng)柵電極來顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險家 6號發(fā)射，共用 9600片太陽能電池列陣，每片 2cm2，共 20W 。216。1960年 Hoffman電子實現(xiàn)單晶硅電池效率達到 14% 。216。1962年第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星 Telstar發(fā)射，所用的太陽能電池功率 14W 。216。1963年 Sharp公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝 242W 光伏電池陣列，在當時是世界最大的光伏電池陣列。太陽電池發(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年法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學校安裝一個硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電。216。1973年美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅。 太陽電池發(fā)展史216。1974年日本推出光伏發(fā)電的 “陽光計劃 ”； Tyco實驗室生長第一塊 EFG晶體硅帶， 25mm寬， 457mm長 (EFG: Edge defined Film FedGrowth，定邊喂膜生長 )。216。1977年世界光伏電池超過 500KW ； D. E. Carlson和 C. R. Wronski 在 W. E. Spear的 1975年控制 pn結(jié)的工作基礎上制成世界上第一個非晶硅 (aSi)太陽能電池。216。1979年世界太陽能電池安裝總量達到 1MW 。 太陽電池發(fā)展史216。1980年 ARCO太陽能公司是世界上第一個年產(chǎn)量達到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算器，接著完成了非晶硅組件批量生產(chǎn)并進行了戶外測試。216。1981年名為 Solar Challenger的光伏動力飛機飛行成功。216。1982年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1983年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；名為Solar Trek的 1KW 光伏動力汽車穿越澳大利亞， 20天內(nèi)行程達到 4000Km。太陽電池發(fā)展史216。1984年面積為 929c㎡ 的商品化非晶硅太陽能電池組件問世。216。1985年單晶硅太陽能電池售價 10USD/W ；澳大利亞新南威爾土大學 Martin Green研制單晶硅的太陽能電池效率達到 20% 。216。1986年 6月， ARCO Solar 發(fā)布 G4000——— 世界首例商用薄膜電池 “動力組件 ”。216。1987年 11月，在 3100Km穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動力汽車競賽上， GM Sunraycer獲勝，平均時速約為 71km/h。 太陽電池發(fā)展史216。1990年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1991年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；瑞士Gratzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽能電池效率達到 7% 。216。1992年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1993年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1994年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1995年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；光伏電池安裝總量達到 500MW 。太陽電池發(fā)展史216。1996年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1997年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 。216。1998年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；多晶硅太陽能電池產(chǎn)量首次超過單晶硅太陽能電池。216。1999年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 ；美國NREL的 M. A. Contreras等報道銅銦錫（ CIS）太陽能電池效率達到 % ；非晶硅太陽能電池占市場份額% 。太陽電池發(fā)展史216。2022年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 399MW ； X. Wu ， R. G. Dhere， D. S. Aibin等報道碲化鎘（ CdTe）太陽能電池效率達到 % ；單晶硅太陽能電池售價約為3USD/W 。216。2022年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 540MW ；多晶硅太陽能電池售價約為 。太陽電池發(fā)展史216。2022年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 760MW ；德國Fraunhofer ISE的 LFC（ Laser Fired Contact）晶體硅太陽能電池效率達到 20% 。216。2022年世界太陽能電池年產(chǎn)量超過 1200MW ；德國Fraunhofer ISE多晶硅太陽能電池效率達到 % ；非晶硅太陽能電池占市場份額 % ，降為 1999年的 1/3，CdTe占 % ；而 CIS占 % 。預計未來世界太陽216。2022年通過技術(shù)突破，太陽能電池成本進一步降低，在世界能源供應中占有一定的份額；德國可再生能源發(fā)電達到 % 。216。2020年太陽能發(fā)電成本與化石能源成本相接近，德國可再生能源占 20% 。216。2030年太陽能發(fā)電達到 10%~20% ；德國將關(guān)閉所有的核電站。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展預計未來世界太陽216。2050年世界太陽能發(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，人類主要利用太陽能、氫能、風能、生物質(zhì)能等潔凈可再生能源。人類將充分利用太陽能發(fā)電。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中國太陽能發(fā)電發(fā)展史216。1958年我國開始研制太陽能電池。216。1959年中國科學院半導體研究所研制成功第一片具有實用價值的太陽能電池。216。1971年 3月在我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星 —— 科學實驗衛(wèi)星實踐一號上首次應用由天津電源研究所研制的太陽能電池。216。1973年在天津港的海面航標燈上首次應用由天津電源研究所研制的太陽能電池，航標燈上應用 太陽能電池。 中國太陽能發(fā)電發(fā)展史216。1979年我國開始利用半導體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽能電池。216。1980～ 1990年期間我國引進國外太陽能電池關(guān)鍵設備、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)，如寧波太陽能電源廠、開封半導體廠、云南半導體廠、秦皇島華美太陽電池廠等。216。到 20世紀 80年代后期，我國太陽能電池生產(chǎn)能力達到，初步形成了我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)。216。 2022年我國太陽能電池產(chǎn)量超過印度，年產(chǎn)量達到50MW 以上。中國太陽能發(fā)電發(fā)展史216。2022～ 2022年期間，我國大陸包括正在建設的太陽電池或太陽能電池組件產(chǎn)量可達 10MW 以上的廠家有很多，如：無錫尚德，保定天威英利，寧波太陽能，南京中電光伏，上海太陽能科技，云南天達和常州天合等。我國已成為世界重要的光伏工業(yè)基地之一，初步形成一個以光伏工業(yè)為源頭的高科技光伏產(chǎn)業(yè)鏈。 隨著我國 “ 可再生能源法 ” 的實施，我國太陽能光伏發(fā)電將得到快速發(fā)展。預計在 3～ 5年內(nèi)我國在太陽能光伏電池研發(fā)、生產(chǎn)、應用產(chǎn)品開發(fā)將形成一個世界級的產(chǎn)業(yè)基地，并將在國際太陽能光伏工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位。第二節(jié)167。2. 半導體材料與理論能帶理論簡單立方晶格 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； ? 微觀 上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性 排列，形成 空間點陣 (晶格 )。電子共有化周期性勢場 (1) 孤立原子 (單價 )電子所在處的電勢為 U，電子的電勢能為 V。電勢能是一個旋轉(zhuǎn)對稱的勢阱。 ●●r+e UV UVr●+電子能級勢阱旋轉(zhuǎn)對稱勢壘+電子共有化(2) 兩個原子的情形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 點陣結(jié)構(gòu) ，晶體中 形成 周期性勢場 。電子共有化電子共有化 (1)對能量 E1的電子 v 勢能曲線表現(xiàn)為勢壘； 電子能量 勢壘高度v 且 E1較小 ，勢壘較寬，穿透概率??； 仍認為 電子束縛在各自離子周圍 。v 若 E1較大 (仍低于勢壘高度 )，穿透概率較大，由隧道 效應， 電子可進入相鄰原子 。電子共有化(2)對能量 E2的電子 電子能量 勢壘高度電子在晶體中自由運動，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，價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原