【正文】 Introduction to Solar Photovoltaic Technology 培訓(xùn)教師：馮少純 第一節(jié) 167。 1. 太陽電池發(fā)展史 太陽能 ? 太陽是距離地球最近的恒星，直徑約1390000km,體積和質(zhì)量是地球的 130萬倍和 33萬倍。表面溫度約為 5800K，主要由氫和氦組成。其中氫占 80%，氦占 19%。 ? 太陽內(nèi)部處于高溫高壓狀態(tài)，不停進(jìn)行著熱核反應(yīng)，由氫聚變成氦，并將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。 ? 青藏高原是我國太陽能資源最好的地區(qū)，而四川盆地云雨天氣多，太陽能資源相對(duì)較差。 太陽能 ? 當(dāng)太陽光照射到地球時(shí)，一部分光線被 反射 或 散射 ，一部分光線被吸收，只有約 70%的光線能到達(dá)地球表面。 ? 到達(dá)地球表面的太陽光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層。 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(xué)家 E. Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng) （ 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(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用 。 對(duì)太陽電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室關(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(jī)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(jìn)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(dòng)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(shí)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? ? 1839年法國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 生伏特效應(yīng) ， 簡稱為光伏效應(yīng) 。 ? 1877年 （ Se） 的光伏效應(yīng) ， 并制作第一片硒太陽能電池 。 ? 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 ? 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(xué)家愛因斯坦 （ Albert Einstein） 發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文 。 ? 1918年波蘭科學(xué)家 Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝 。 ? 1921年德國物理學(xué)家愛因斯坦由于 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) 。 ?貝爾 (Bell)實(shí)驗(yàn)室研究人員 , %效率的單晶硅太陽能電池的發(fā)現(xiàn) ，幾個(gè)月后效率達(dá)到 6%。 太陽電池發(fā)展史 ?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(bào)道碲化鎘 （ CdTe） 太陽能電池效率達(dá)到 %；單晶硅太陽能電池售價(jià)約為3USD/W。 ?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(jià)約為 。 預(yù)計(jì)未來世界太陽 ?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%。 ?2030年太陽能發(fā)電達(dá)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(yù)計(jì)未來世界太陽 ?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 。 ?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(fēng)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 ?1958年我國開始研制太陽能電池 。 ?1959年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制成功第一片具有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池 。 ?1971年 3月在我國發(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能電池 。 ?1979年我國開始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽能電池 。 中國太陽能發(fā)電發(fā)展史 ?我國大陸包括正在建設(shè)的太陽電池或太陽能電池組件產(chǎn)量可達(dá) 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(dá)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(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 “ 可再生能源法 ” 的實(shí)施 ， 我國太陽能光伏發(fā)電將得到快速發(fā)展 。 預(yù)計(jì)在 3～ 5年內(nèi)我國在太陽能光伏電池研發(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 ， 并將在國際太陽能光伏工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位 。 太陽電池分類 ? 晶體硅太陽電池 （包括單晶硅和多晶硅太陽電池） ? 非晶硅太陽電池 ? 薄膜太陽電池 ? 化合物太陽電池 ? 有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池 第二節(jié) 167。 2. 半導(dǎo)體材料與理論 半導(dǎo)體定義 固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為： 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 它們的導(dǎo)電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。 半導(dǎo)體種類 ? 按照成分可分為： 有機(jī)半導(dǎo)體 無機(jī)半導(dǎo)體（元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體） ? 按照晶體結(jié)構(gòu)可分為： 非晶體半導(dǎo)體 晶體半導(dǎo)體（單晶、多晶） ? 按照特性、功能可分為： 微電子材料、光電子材料、傳感材料 ……. 半導(dǎo)體種類 元素半導(dǎo)體共有 12種，包括 硅、鍺、硼、碳、灰錫、磷、灰砷、灰銻、硫、硒、碲、碘。 其中只有硅、鍺和硒在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。 晶體概念 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(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 )。 多晶結(jié)構(gòu) 晶界 單晶結(jié)構(gòu) 硅原子結(jié)構(gòu) +14 2 8 4 Si +4 硅原子結(jié)構(gòu) 簡化模型 硅，一種四價(jià)的非金屬元素，在自然界分布極廣，地殼中 約含 %，主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。 元素符號(hào) Si，相對(duì)原子量為 ，在元素周期表中的 lVA族（第四主族），第三周期。 ? 每個(gè)原子的價(jià)電子分別與相鄰的四個(gè)原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，在空間形成排列有序的單晶體結(jié)構(gòu) ? 純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體 價(jià)電子（熱激發(fā)） 自由電子 空穴對(duì) 復(fù)合 平衡 本征半導(dǎo)體中 本征半導(dǎo)體 (1) 在半導(dǎo)體中有兩種載流子 這就是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理的 本質(zhì)區(qū)別 a. 電阻率大 (2) 本征半導(dǎo)體的特點(diǎn) b. 導(dǎo)電性能隨溫度變化大 帶正電的空穴 帶負(fù)電的自由電子 本征半導(dǎo)體不能在半導(dǎo)體器件中直接使用 本征半導(dǎo)體 在外電場作用下，電子的定向移動(dòng)形成電流 + + + + + + + + 在外電場作用下，空穴的定向移動(dòng)形成電流 + + + + + + + + ? 本征半導(dǎo)體缺點(diǎn) 電子濃度 =空穴濃度； 載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！ 不適宜制造半導(dǎo)體器件，通常要摻入一些雜質(zhì)來提高導(dǎo)電能力。 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 (Impurity Semiconductor)：在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì) 可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 按導(dǎo)電機(jī)制 ， 雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為 n型 (電子導(dǎo)電 )和 p型 (空穴導(dǎo)電 )兩種 。 雜質(zhì)半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體 Si Si Si Si Si Si Si P 圖中摻入的五價(jià) P原子在晶體中替代 Si的位置 ， 構(gòu)成與 Si相同的四電子結(jié)構(gòu) ， 多出的一個(gè)電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng) 。 雜質(zhì)半導(dǎo)體 磷原子 硅原子 Si P Si Si 多余電子 N型半導(dǎo)體 ? 形成：本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)原子 ，如磷（ P）。 ? 載流子：自由電子是多數(shù)載