【正文】 物理前沿知識講座 主講人：王怡、趙昶、李東臨等 第一講：太陽能光伏技術 1．太陽能概況 ? 太陽能是各種可再生能源中最重要的 基本能源 ，生物能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。 ? 太陽能作為可再生能源的一種，則是指 太陽能的直接轉化和利用 。 ? 通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于 太陽能熱利用技術 ，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術領域； ? 通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能 利用的屬于太陽能 光發(fā)電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的 光伏效應原理 進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。 二十世紀 50年代，太陽能利用領域出現了兩項重大技術突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出 6％的實用型單晶硅電池，二是 1955年以色列 Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項技術突破為太陽能利用進入現代發(fā)展時期奠定了技術基礎 。 ? 70年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。 ? 1973年，美國制定了政府級的陽光發(fā)電計劃。 ? 1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投入達 8億多美元。 ? 1992年，美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計劃，制定了宏偉的發(fā)展目標 。 ? 日本在 70年代制定了“陽光計劃”，1993年將“月光計劃”（節(jié)能計劃）、“環(huán)境計劃”、“陽光計劃”合并成“新陽光計劃”。 ? 德國等歐共體國家及一些發(fā)展中國家也紛紛制定了相應的發(fā)展計劃。 90年代以來聯合國召開了一系列有各國領導人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、國際太陽能公約，設立國際太陽能基金等，推動全球太陽能和可再生能源的開發(fā)利用。 開發(fā)利用太陽能和可再生能源成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。 ? 自“六五”以來我國政府一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術列入國家科技攻關計劃，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術和產業(yè)的發(fā)展。 ? 二十多年來 ， 太陽能利用技術在研究開發(fā) 、 商業(yè)化生產 、 市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展 ， 成為世界快速 、 穩(wěn)定發(fā)展的新興產業(yè)之一 。 施正榮 光伏界的“比爾蓋茨 ” 出生于 1963年 2月 1983年畢業(yè)于長春理工大學 (原長春光學精密機械學院 )，獲學士學位。 1986年畢業(yè)于中國科學院上海光學精密機械研究所，獲碩士學位。 1988年留學于澳大利亞新南威爾士大學，師從國際太陽能電池權威、 2022年諾貝爾環(huán)境獎得主馬丁 格林教授。 1991年以優(yōu)秀的多晶硅薄膜太陽電池技術獲博士學位。后任該中心研究員和澳大利亞太平洋太陽能電力有限公司執(zhí)行董事，個人持有 10多項太陽能電池技術發(fā)明專利。 ? 2022年，回國創(chuàng)辦無錫尚德太陽能電力有限公司，現任無錫尚德電力控股有限公司董事長兼 CEO。 ? 2022年 10月，榮獲第十五屆國際光伏科學與工程大會（ PVSEC15） 國際光伏科學與工程特別貢獻獎。 ? ? 2022年，在 《 福布斯 》 雜志“全球富豪榜”上，無錫尚德太陽能電力有限公司董事長兼 CEO施正榮以 22億美元排名第 350位。遠超福布斯 2022年中國首富榮智健的 美元與胡潤百富榜首富黃光裕的 140億元人民幣，成為中國新的首富。 ? 2022年 8月 8日被紐約證券交易所聘任為國際顧問委員會成員，成為 30位紐交所國際顧問唯一的中國大陸顧問。 創(chuàng)業(yè)之路 ? 2022年，帶著技術和在澳洲兩年的薪水 40萬美元，施正榮回國創(chuàng)辦尚德太陽能電力有限公司 ? 2022年 9月，第一條生產線投產運行，盡管產品性能優(yōu)異，產品仍然賣不出去，堅持數月后，跟隨他的幾位骨干相繼離開。 ? 2022年，尚德產值翻了十倍，利潤接近2022萬美元。 ? 2022年，在無錫市委書記的幫助下成功完成企業(yè)私有化，原先占尚德股份 75%的國有股獲益十幾倍后，相繼退出。同年底，VC和 PE齊助陣，共同募集 8000萬美元，成為 2022年私募之最，襄助尚德電力成為中國大陸首家登陸紐交所的民營企業(yè)，由此，施正榮個人也榮登中國富豪榜首。 ? 2022年 3月，尚德電力對外宣布，將連續(xù) 8年，向韓國東洋制鐵化學株式會社提供多晶硅，合同金額為 。 4月，尚德電力打入日本市場，收購日本最大的光伏組件制造商之一的 MSK公司，并且向 Socovoltaic系統公司供應 230MSK光伏玻璃板，用于設計、制造和設置一體化光伏（ BIPV） 系統。 ? 多晶硅的風險愈演愈烈，施正榮再度掌舵方向，進入薄膜太陽能領域。 ? 2022年 5月 9日，總投資 3億美元的電池基地落戶上海，這是全球首個硅薄膜電池基地。相比硅片太陽能電池，它的轉換效率略低，卻很具成本優(yōu)勢，每瓦太陽能電池成本可從 ，但同時也面臨資金、技術的門檻。 2．光 伏 效 應 ? 光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象。 ? 產生這種電位差的機理有好幾種，主要的一種是由于 阻擋層 的存在。以下以 PN結為例說明 。 熱平衡態(tài)下的 PN結 ? PN結的形成： ? 同質結可用一塊半導體經摻雜形成 P區(qū)和 N區(qū)。由于雜質的激活能量 ΔE很小，在室溫下雜質差不多都電離成受主離子 NA和施主離子 ND+。 在 PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向對方 擴散 。 ? 設想在結形成的一瞬間，在 N區(qū)的電子為多子，在 P區(qū)的電子為少子，使電子由 N區(qū)流入 P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復合，這樣在原來是 N區(qū)的結面附近電子變得很少，剩下未經中和的施主離子 ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由 P區(qū)擴散到 N區(qū)后，由不能運動的受主離子 NA形成負的空間電荷。 ? 在 P區(qū)與 N區(qū)界面兩側產生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層 ），于是出現空間電偶層，形成內電場（稱內建電場）此電場對兩區(qū) 多子的擴散有抵制 作用，而對少子的 漂移 有幫助作用，直到 擴散流等于漂移流時達到平衡 ，在界面兩側建立起穩(wěn)定的內建電場 。 ? 熱平衡下 PN結模型及能帶圖 ? PN結能帶與接觸電勢差： 在熱平衡條件下，結區(qū)有統一的EF； 在遠離結區(qū)的部位， EC、 EF、 Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。 ? 從能帶圖看， N型、 P型半導體單獨存在時， EFN與 EFP有一定差值。當 N型與 P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產生 內建電場 ，內建電場方向為從 N區(qū)指向 P區(qū) 。 ? 在內建電場作用下， EFN將連同整個 N區(qū)能帶一起下移， EFP將連同整個 P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為 EFN=EFP， 載流子停止流動為止。在結區(qū)這時導帶與價帶則發(fā)生相應的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于 N型、 P型半導體單獨存在時費米能級之差： ? qUD=EFNEFP ? 得 ? UD=(EFNEFP)/q ? q： 電子電量 ? UD： 接觸電勢差或內建電勢 ? ? 對于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)： ? UD=(KT/q)ln(NAND/ni2) ? NA、 ND、 ni： 受主、施主、本征載流子濃度。 ? 可見 UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下， PN結兩邊摻雜濃度越高， UD越大。 ? 禁帶寬的材料， ni較小，故 UD也大。 光照下的 PN結 ? PN結光電效應： 當 PN結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產生光生載流子。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發(fā)的少數載流子。因 P區(qū)產生的光生空穴， N區(qū)產生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有 P區(qū)的光生電子和 N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子） 漂移 到結電場附近時能在內建電場作用下 漂移 過結。 ? 光生電子被拉向 N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在 N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在 P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產生一個與熱平衡 PN結的 內建電場方向相反 的 光生電場 ，其方向由 P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差 ， P端正， N端負。 于是有結電流由 P區(qū)流向 N區(qū)，其方向與光電流相反。 實際上，并非所產生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設 N區(qū)中空穴在壽命 τp的時間內擴散距離為 Lp， P區(qū)中電子在壽命 τn的時間內擴散距離為Ln。 Ln+Lp=L遠大于 PN結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離 L內所產生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產生的位置距離結區(qū)超過 L的電子空穴對，在擴散過程中將全部 復合掉，對 PN結光電效無貢獻 。 光照下的 PN結電流方程： ? 與熱平衡時比較，有光照時， PN結內將產生一個附加電流（光電流） Ip， 其方向與 PN結反向飽和電流 相同，一般 Ip≥I0。 此時 ? ? 令 Ip=SE， 則 ? )( 00 pKTqUIIeII ???)( 00 SEIeII KTe q U???0I? 開路電壓 Uoc： 光照下的 PN結外電路開路時 P端對N端的電壓，即上述電流方程中 I=0時的 U值： ? )(0 00 SEIeI KTe q U???)/l n ( ()/(/)l n ()/( 000 ISEqKTIISEqKTU oc ???? 短路電流 Isc： 光照下的 PN結，外電路短路時，從 P端流出，經過外電路，從 N端流入的電流稱為短路電流 Isc。 即上述電流方程中 U=0時的 I值，得 Isc=SE。 ? Uoc與 Isc是光照下 PN結的兩個重要參數，在一定溫度下， Uoc與光照度 E成對數關系，但最大值不超過接觸電勢差 UD。 弱光照下， Isc與 E有線性關系 。 ? a)無光照時熱平衡態(tài)， NP型半導體有統一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFNEFP。 ? b)穩(wěn)定光照下 PN結外電路開路，由于光生載流子積累而出現光生電壓，勢壘高度為 q(UDUoc)。 ? c)穩(wěn)定光照下 PN結外電路短路， PN結兩端無光生電壓，勢壘高度為 qUD， 光生電子空穴對被內建電場分離后流入外電路形成短路電流。 ? d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓 Uf， 另一部分光電流被 PN結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為 q(UDUf)。 3．太陽能電池 ? 太陽的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽的光除了照亮世界，使植物通過光合作用把太陽光轉變?yōu)楦鞣N養(yǎng)分，供人們食用，產生纖維質供人們做衣服，生長木材給我們建筑房屋以外，太陽的光還可以通過太陽能電池轉變?yōu)殡姟? ? 太陽能電池