【正文】 物理前沿知識(shí)講座 主講人：王怡、趙昶、李東臨等 第一講：太陽能光伏技術(shù) 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(fēng)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(zhuǎn)化和利用 。 ? 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于 太陽能熱利用技術(shù) ，再利用熱能進(jìn)行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域； ? 通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能 利用的屬于太陽能 光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的 光伏效應(yīng)原理 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。 二十世紀(jì) 50年代，太陽能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了兩項(xiàng)重大技術(shù)突破：一是1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出 6％的實(shí)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(xiàng)技術(shù)突破為太陽能利用進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期奠定了技術(shù)基礎(chǔ) 。 ? 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(jí)的陽光發(fā)電計(jì)劃。 ? 1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計(jì)投入達(dá) 8億多美元。 ? 1992年，美國政府頒布了新的光伏發(fā)電計(jì)劃，制定了宏偉的發(fā)展目標(biāo) 。 ? 日本在 70年代制定了“陽光計(jì)劃”，1993年將“月光計(jì)劃”（節(jié)能計(jì)劃）、“環(huán)境計(jì)劃”、“陽光計(jì)劃”合并成“新陽光計(jì)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(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。 90年代以來聯(lián)合國召開了一系列有各國領(lǐng)導(dǎo)人參加的高峰會(huì)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(shè)立國際太陽能基金等，推動(dòng)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(huì)的一大主題和共同行動(dòng)，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)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(shù)列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃，大大推動(dòng)了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 ? 二十多年來 ， 太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā) 、 商業(yè)化生產(chǎn) 、 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(chǎn)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(xué) (原長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院 )，獲學(xué)士學(xué)位。 1986年畢業(yè)于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，獲碩士學(xué)位。 1988年留學(xué)于澳大利亞新南威爾士大學(xué)，師從國際太陽能電池權(quán)威、 2022年諾貝爾環(huán)境獎(jiǎng)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(shù)獲博士學(xué)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(gè)人持有 10多項(xiàng)太陽能電池技術(shù)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(xiàn)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(xué)與工程大會(huì)（ PVSEC15） 國際光伏科學(xué)與工程特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。 ? ? 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(yuǎn)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(huì)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(shù)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(chǎn)線投產(chǎn)運(yùn)行，盡管產(chǎn)品性能優(yōu)異，產(chǎn)品仍然賣不出去，堅(jiān)持?jǐn)?shù)月后，跟隨他的幾位骨干相繼離開。 ? 2022年，尚德產(chǎn)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(gè)人也榮登中國富豪榜首。 ? 2022年 3月，尚德電力對(duì)外宣布，將連續(xù) 8年，向韓國東洋制鐵化學(xué)株式會(huì)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(tǒng)公司供應(yīng) 230MSK光伏玻璃板，用于設(shè)計(jì)、制造和設(shè)置一體化光伏（ BIPV） 系統(tǒng)。 ? 多晶硅的風(fēng)險(xiǎn)愈演愈烈，施正榮再度掌舵方向，進(jìn)入薄膜太陽能領(lǐng)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(gè)硅薄膜電池基地。相比硅片太陽能電池，它的轉(zhuǎn)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(shí)也面臨資金、技術(shù)的門檻。 2．光 伏 效 應(yīng) ? 光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。 ? 產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有好幾種，主要的一種是由于 阻擋層 的存在。以下以 PN結(jié)為例說明 。 熱平衡態(tài)下的 PN結(jié) ? PN結(jié)的形成： ? 同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成 P區(qū)和 N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量 ΔE很小，在室溫下雜質(zhì)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?qū)Ψ?擴(kuò)散 。 ? 設(shè)想在結(jié)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(fù)合，這樣在原來是 N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)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(kuò)散到 N區(qū)后，由不能運(yùn)動(dòng)的受主離子 NA形成負(fù)的空間電荷。 ? 在 P區(qū)與 N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動(dòng)的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層 ），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內(nèi)電場（稱內(nèi)建電場）此電場對(duì)兩區(qū) 多子的擴(kuò)散有抵制 作用，而對(duì)少子的 漂移 有幫助作用，直到 擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)達(dá)到平衡 ，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場 。 ? 熱平衡下 PN結(jié)模型及能帶圖 ? PN結(jié)能帶與接觸電勢差： 在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF； 在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位， EC、 EF、 Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。 ? 從能帶圖看， N型、 P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)， EFN與 EFP有一定差值。當(dāng) N型與 P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生 內(nèi)建電場 ，內(nèi)建電場方向?yàn)閺?N區(qū)指向 P區(qū) 。 ? 在內(nèi)建電場作用下， EFN將連同整個(gè) N區(qū)能帶一起下移， EFP將連同整個(gè) P區(qū)能帶一起上移，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為 EFN=EFP， 載流子停止流動(dòng)為止。在結(jié)區(qū)這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于 N型、 P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)費(fèi)米能級(jí)之差： ? qUD=EFNEFP ? 得 ? UD=(EFNEFP)/q ? q： 電子電量 ? UD： 接觸電勢差或內(nèi)建電勢 ? ? 對(duì)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(guān)。在一定溫度下， PN結(jié)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(jié) ? PN結(jié)光電效應(yīng)： 當(dāng) PN結(jié)受光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因 P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴， N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有 P區(qū)的光生電子和 N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子） 漂移 到結(jié)電場附近時(shí)能在內(nèi)建電場作用下 漂移 過結(jié)。 ? 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(duì)被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)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(chǎn)生一個(gè)與熱平衡 PN結(jié)的 內(nèi)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(fù)。 于是有結(jié)電流由 P區(qū)流向 N區(qū)，其方向與光電流相反。 實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè) N區(qū)中空穴在壽命 τp的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為 Lp， P區(qū)中電子在壽命 τn的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Ln。 Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于 PN結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離 L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過 L的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散過程中將全部 復(fù)合掉，對(duì) PN結(jié)光電效無貢獻(xiàn) 。 光照下的 PN結(jié)電流方程： ? 與熱平衡時(shí)比較，有光照時(shí)， PN結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)附加電流（光電流） Ip， 其方向與 PN結(jié)反向飽和電流 相同，一般 Ip≥I0。 此時(shí) ? ? 令 Ip=SE， 則 ? )( 00 pKTqUIIeII ???)( 00 SEIeII KTe q U???0I? 開路電壓 Uoc： 光照下的 PN結(jié)外電路開路時(shí) P端對(duì)N端的電壓，即上述電流方程中 I=0時(shí)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(jié)，外電路短路時(shí)，從 P端流出，經(jīng)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(shí)的 I值，得 Isc=SE。 ? Uoc與 Isc是光照下 PN結(jié)的兩個(gè)重要參數(shù)，在一定溫度下， Uoc與光照度 E成對(duì)數(shù)關(guān)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(guān)系 。 ? a)無光照時(shí)熱平衡態(tài)， NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，勢壘高度為qUD=EFNEFP。 ? b)穩(wěn)定光照下 PN結(jié)外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓，勢壘高度為 q(UDUoc)。 ? c)穩(wěn)定光照下 PN結(jié)外電路短路， PN結(jié)兩端無光生電壓，勢壘高度為 qUD， 光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場分離后流入外電路形成短路電流。 ? d)有光照有負(fù)載，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓 Uf， 另一部分光電流被 PN結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N養(yǎng)分，供人們食用，產(chǎn)生纖維質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)殡姟? ? 太陽能電池