【正文】 太陽電池的發(fā)展現狀與前景展望 沈 輝 中山大學太陽能系統(tǒng)研究所 電力電子及控制技術研究所 2 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 主要內容 1. 太陽電池的發(fā)展歷史 2. 太陽電池的基本理論 3. 晶體硅太陽電池的制備工藝 4. 薄膜太陽電池的技術發(fā)展 5. 2023年世界光伏產業(yè)發(fā)展回顧 6. 歐洲主要國家的光伏并網價格 7. 光伏與建筑結合的發(fā)展現狀與趨勢 8. 太陽電池發(fā)展未來 9. 結論與展望 3 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1839年法國實驗物理學家亞利山大 柏克勒爾 (Alexander E. Becquerel 18201891）首次在稀釋的酸液體中發(fā)現光伏效應 ,即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強度變化的現象。 （ Alexander E. Becquerel 是 Henri A. Becquerel (18521908)的祖父。 Henri A. Becquerel由于發(fā)現放射性于 1903年與居里夫婦一起共同獲得諾貝爾物理獎，他的名字被用作放射性的單位） ? 1877 (Se) 的光伏效應； ? 1883 美國發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽電池的原理； ? 1889？弗里茲 (Charles Fritts) 發(fā)明半導體硒太陽電池 , 光電轉換效率僅為 1%, 主要用于光電探測等 。 ? 1905 德國物理學家愛因斯坦（ Albert Einstein）發(fā)表關于光電效應的論文； ? 1918 波蘭科學家 Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝； ? 1921 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； 4 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1930 B. Lang 研究氧化亞銅 /銅 (Cu/Cu2O) 太陽電池，發(fā)表 “ 新型光伏電池 ” 論文； ? 發(fā)表 “ 新型氧化亞銅 (Cu2O) 光電池 ” 論文； ? 1932 Audobert 和 Stora發(fā)現硫化鎘 (CdS) 的光伏現象； ? 1933 . Grondahl 發(fā)表 “ 銅 氧化亞銅 (CuCu2O) 整流器和光電池 ” 論文； ? 1949年 W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 發(fā)明晶體管 ,給出了 pn結物理解釋 , 從此，半導體器件時代開始； ? 1951 生長 pn 結，實現制備單晶鍺電池； ? 1953 Wayne 州立大學 Dan Trivich 博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉換效率的第一個理論計算； ? 1954 RCA實驗室的 (CdS)的光伏現象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國無線電公司 )； 5 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1954年美國貝爾 (Bell ) 實驗室研究人員 D. M. Chapin， C. S. Fuller 和 G. L. Pearson報道 %效率的第一個實用的單晶硅 pn結太陽電池的發(fā)現，幾個月后效率達到 6%，幾年后達到 10%。 ? 1954年雷諾慈發(fā)現 CdS具有光伏效應 , 1960年采用蒸鍍法制得 CdS太陽電池 , 效率為 %, 1964年美國將效率提高 46%, 歐洲提高到 9%。 ? 1955 西部電工 (Western Electric) 開始出售硅光伏技術商業(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)太陽電池產品，電池為 14毫瓦 /片， 25美元 /片，相當于 1785 USD/W； ? 1956 , 和 發(fā)表 “ 鍺和硅 pn結電子電流效應 ” 的文章； ? 1957 Hoffman電子的單晶硅電池效率達到 8%； ， “ 太陽能轉換器件 ” 專利權； 6 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1958 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 100平方厘米， W，為一備用的 5毫瓦的話筒供電； ? 1958年開始 , 單晶硅太陽電池在人造衛(wèi)星 \宇宙飛船 \航天飛機等空間飛行器作為供電電源的應用 , 推動了太陽電池的發(fā)展 , 形成小型產業(yè)規(guī)模, 單晶硅太陽電池市場價格 1W100 USD。 ? 1959 Hoffman電子實現可商業(yè)化單晶硅電池效率達到 10%， 并通過用網柵電極來顯著減少光伏電池串聯電阻；衛(wèi)星探險家 6號發(fā)射，共用9600片電池列陣，每片 2平方厘米 ,共約 20W； ? 1960 Hoffman電子實現單晶硅電池效率達到 14%； ? 1962 第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星 Telstar發(fā)射，所用的太陽電池功率 14 W； ? 1963 Sharp公司成功生產光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝 242 W光伏電池列陣，在當時是世界最大的光伏電池列陣； ? 1964宇宙飛船 “ 光輪發(fā)射 ” ，安裝 470 W的光伏列陣； ? 1965 Peter Glaser 和 A. D. Little 提出衛(wèi)星太陽能電站構思； 7 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1966 帶有 1000 W光伏列陣大軌道天文觀察站發(fā)射； ? 1971年斯皮爾等人 (. Spear) 采用輝光放電法分解硅烷 (SiH4)制得氫化非晶硅薄膜 (aSi:H)， 1975首次成功實現對 aSi:H的摻雜，獲得 n型和 p型材料，為器件制造打下了基礎； ? 1972 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； ? 1973 美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅； ? 1973世界發(fā)生石油危機，喚起人們對可再生能源的興趣 ,特別是在地面上大面積使用太陽電池供電 , 受到各國政府高度重視 。 ? 1974 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， 25 mm寬， 457 mm長（ EFG： Edge defined Film FedGrowth,定邊喂膜生長）； ? 1977 世界光伏電池超過 500 KW； 1975年控制 pn結的工作基礎上制成世界上第一個非晶硅（ aSi）太陽電池； ? 1977年 D. L. Staebler 和 C. R. Wronski 在 aSi:H樣品中發(fā)現，隨光照其光電導和暗電導都顯著減少，在 150℃ 退火后又復原，這現象稱為 SW效應，目前機理尚不清楚； ? 1979 世界太陽電池安裝總量達到 1 MW； ? 1980 ARCO太陽能公司是世界上第一個年產量達到 1 MW光伏電池生產廠家；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 aSi組件批量生產并進行了戶外測試； ? 1980年開始 , 人們注重研究高效率太陽電池 , 以降低生產成本 。 ? 1981 名為 Solar Challenger 的光伏動力飛機飛行成功； 8 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1983 世界太陽電池年產量超過 MW；名為 Solar Trek的 1 kW光伏動力汽車穿越澳大利亞， 20天內行程達到 4000公里； ? 1984 面積為 1平方英尺（ 929 cm2）的商品化非晶硅太陽電池組件問世； ? 1985,單晶硅太陽電池 用于地面供電電源 , 太陽電池售價 1W10USD, 2023年 , 1W , 2023年美國目標 : 1W1USD。澳大利亞新南威爾士大學 Martin Green 研制單晶硅的太陽電池效率達到 20%； ? 1986 6月， ARCO Solar發(fā)布 G4000—世界首例商用薄膜電池 “ 動力組件 ” ； ? 1987 11月，在 3100公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動力汽車競賽上， GM Sunraycer 獲勝，平均時速約為71 km/h； ? 1991 世界太陽電池年產量超過 MW； 瑞士 Gr228。tzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽電池 (Graezel Cell)效率達到 7%。1995年納米 TiO2染料敏化電池轉換效率達到 10%。 9 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 1995 世界太陽電池年產量超過 MW；光伏電池安裝總量達到 500 MW； ? 1998 世界太陽電池年產量超過 MW；多晶 澆鑄 硅 太陽 電池產量首次超過單晶硅； ? 1999 世界太陽電池年產量超過 MW； 美國 NREL的 等報道銅銦錫（ CIS）電池效率達到 %； 非晶硅電池占市場份額%； ? 2023 世界太陽電池年產量超過 MW，安裝超過 1000 MW，標志太陽能時代到來； ? 2023 世界太陽電池年產量超過 399 MW。Wu X.,Dhere .,Aibin （ CdTe）電池效率達到 %； 單晶硅太陽電池售價約為 3 USD/W； 德國人制作 PVC太陽電池； ? 2023 世界太陽電池年產量超過 540 MW；多晶硅太陽電池售價約為 USD/W； 10 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的發(fā)展歷史 ? 2023 太陽電池年產量超過 760 MW； 德國 Fraunhofer ISE的 LFC（Laser－ fired contact）晶體硅太陽電池效率達到 20%。 ? 2023 太陽電池年產量超過 1200 MW； 德國 Fraunhofer ISE多晶硅太陽電池效率達到 %。非晶硅電池占市場份額 %,降為 1999年的 1/3，CdTe占 %。 而 CIS占 %； 11 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池發(fā)明人 :（ 1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson 12 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本理論 ? 光電效應現象 ? 愛因斯坦的光電效應理論 ? 光伏效應 ? pn 結形成和特性 ? 太陽電池原理 ? 太陽電池等效電路 ? 太陽電池效率分析 ? 太陽電池的類型 ? 太陽電池的發(fā)展 13 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光電效應現象 ? 光電效應 (photoelectric effect) 現象最早在 1887年由 Heinrich Hertz在從事電磁波實驗時發(fā)現的，即金屬表面在光的照射下發(fā)射電子。 ? 光電效應是指金屬表面在光的照射下能發(fā)射電子，即光電子。但金屬的功函數大部分在 3－ 5 eV之間，因此只有能量是紫外線以上的光子才能被吸收來產生光電流 (photocurrent)， 而太陽光中紫外線以上的輻射只占很小的一部分 （ 6－ 7%)。 ? Dember效應：也稱 photodiffusion效應，光照射在半導體表面，光子被吸收產生電子－空穴對，則半導體表面的載流子濃度增加而向半導體內部擴散，但由于電子與空穴的擴散系數不同，電子與空穴在空間的分布就不同，因此產生內建電場形成實驗可測量到的 Dember電壓。一般來