【正文】 太陽(yáng)電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望 沈 輝 中山大學(xué)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 電力電子及控制技術(shù)研究所 2 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 主要內(nèi)容 1. 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 2. 太陽(yáng)電池的基本理論 3. 晶體硅太陽(yáng)電池的制備工藝 4. 薄膜太陽(yáng)電池的技術(shù)發(fā)展 5. 2023年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧 6. 歐洲主要國(guó)家的光伏并網(wǎng)價(jià)格 7. 光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 8. 太陽(yáng)電池發(fā)展未來(lái) 9. 結(jié)論與展望 3 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1839年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(xiàn)光伏效應(yīng) ,即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。 （ Alexander E. Becquerel 是 Henri A. Becquerel (18521908)的祖父。 Henri A. Becquerel由于發(fā)現(xiàn)放射性于 1903年與居里夫婦一起共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，他的名字被用作放射性的單位） ? 1877 (Se) 的光伏效應(yīng)； ? 1883 美國(guó)發(fā)明家 Charles Fritts 描述了第一片硒太陽(yáng)電池的原理； ? 1889？弗里茲 (Charles Fritts) 發(fā)明半導(dǎo)體硒太陽(yáng)電池 , 光電轉(zhuǎn)換效率僅為 1%, 主要用于光電探測(cè)等 。 ? 1905 德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦（ Albert Einstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文； ? 1918 波蘭科學(xué)家 Czochralski發(fā)展生長(zhǎng)單晶硅的提拉法工藝； ? 1921 德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)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)； 4 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1930 B. Lang 研究氧化亞銅 /銅 (Cu/Cu2O) 太陽(yáng)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(xiàn)硫化鎘 (CdS) 的光伏現(xiàn)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(jié)物理解釋 , 從此，半導(dǎo)體器件時(shí)代開(kāi)始； ? 1951 生長(zhǎng) pn 結(jié)，實(shí)現(xiàn)制備單晶鍺電池； ? 1953 Wayne 州立大學(xué) Dan Trivich 博士完成基于太陽(yáng)光譜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(gè)理論計(jì)算； ? 1954 RCA實(shí)驗(yàn)室的 (CdS)的光伏現(xiàn)象；(RCA:Radio Corporation of America, 美國(guó)無(wú)線電公司 )； 5 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1954年美國(guó)貝爾 (Bell ) 實(shí)驗(yàn)室研究人員 D. M. Chapin， C. S. Fuller 和 G. L. Pearson報(bào)道 %效率的第一個(gè)實(shí)用的單晶硅 pn結(jié)太陽(yáng)電池的發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)月后效率達(dá)到 6%，幾年后達(dá)到 10%。 ? 1954年雷諾慈發(fā)現(xiàn) CdS具有光伏效應(yīng) , 1960年采用蒸鍍法制得 CdS太陽(yáng)電池 , 效率為 %, 1964年美國(guó)將效率提高 46%, 歐洲提高到 9%。 ? 1955 西部電工 (Western Electric) 開(kāi)始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利； ? 在亞利桑那大學(xué)召開(kāi)國(guó)際太陽(yáng)能會(huì)議， Hoffman電子推出效率為 2%的商業(yè)太陽(yáng)電池產(chǎn)品，電池為 14毫瓦 /片， 25美元 /片，相當(dāng)于 1785 USD/W； ? 1956 , 和 發(fā)表 “ 鍺和硅 pn結(jié)電子電流效應(yīng) ” 的文章； ? 1957 Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 8%； ， “ 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件 ” 專利權(quán)； 6 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1958 美國(guó)信號(hào)部隊(duì)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(qiáng)，這對(duì)太空電池很重要； Hoffman電子的單晶硅電池效率達(dá)到 9%； 第一個(gè)光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒 1號(hào)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(kāi)始 , 單晶硅太陽(yáng)電池在人造衛(wèi)星 \宇宙飛船 \航天飛機(jī)等空間飛行器作為供電電源的應(yīng)用 , 推動(dòng)了太陽(yáng)電池的發(fā)展 , 形成小型產(chǎn)業(yè)規(guī)模, 單晶硅太陽(yáng)電池市場(chǎng)價(jià)格 1W100 USD。 ? 1959 Hoffman電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到 10%， 并通過(guò)用網(wǎng)柵電極來(lái)顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險(xiǎn)家 6號(hào)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(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)到 14%； ? 1962 第一個(gè)商業(yè)通訊衛(wèi)星 Telstar發(fā)射，所用的太陽(yáng)電池功率 14 W； ? 1963 Sharp公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個(gè)燈塔安裝 242 W光伏電池列陣，在當(dāng)時(shí)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(yáng)能電站構(gòu)思； 7 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)對(duì) aSi:H的摻雜，獲得 n型和 p型材料，為器件制造打下了基礎(chǔ)； ? 1972 法國(guó)人在尼日爾一鄉(xiāng)村學(xué)校安裝一個(gè)硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電； ? 1973 美國(guó)特拉華大學(xué)建成世界第一個(gè)光伏住宅； ? 1973世界發(fā)生石油危機(jī)，喚起人們對(duì)可再生能源的興趣 ,特別是在地面上大面積使用太陽(yáng)電池供電 , 受到各國(guó)政府高度重視 。 ? 1974 日本推出光伏發(fā)電的 “ 陽(yáng)光計(jì)劃 ” ； Tyco實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)第一塊 EFG晶體硅帶， 25 mm寬， 457 mm長(zhǎng)（ EFG： Edge defined Film FedGrowth,定邊喂膜生長(zhǎng)）； ? 1977 世界光伏電池超過(guò) 500 KW； 1975年控制 pn結(jié)的工作基礎(chǔ)上制成世界上第一個(gè)非晶硅（ aSi）太陽(yáng)電池； ? 1977年 D. L. Staebler 和 C. R. Wronski 在 aSi:H樣品中發(fā)現(xiàn)，隨光照其光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)都顯著減少，在 150℃ 退火后又復(fù)原，這現(xiàn)象稱為 SW效應(yīng)，目前機(jī)理尚不清楚； ? 1979 世界太陽(yáng)電池安裝總量達(dá)到 1 MW； ? 1980 ARCO太陽(yáng)能公司是世界上第一個(gè)年產(chǎn)量達(dá)到 1 MW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(jì)算器，接著完成了 aSi組件批量生產(chǎn)并進(jìn)行了戶外測(cè)試； ? 1980年開(kāi)始 , 人們注重研究高效率太陽(yáng)電池 , 以降低生產(chǎn)成本 。 ? 1981 名為 Solar Challenger 的光伏動(dòng)力飛機(jī)飛行成功； 8 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1983 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW；名為 Solar Trek的 1 kW光伏動(dòng)力汽車穿越澳大利亞， 20天內(nèi)行程達(dá)到 4000公里； ? 1984 面積為 1平方英尺（ 929 cm2）的商品化非晶硅太陽(yáng)電池組件問(wèn)世； ? 1985,單晶硅太陽(yáng)電池 用于地面供電電源 , 太陽(yáng)電池售價(jià) 1W10USD, 2023年 , 1W , 2023年美國(guó)目標(biāo) : 1W1USD。澳大利亞新南威爾士大學(xué) Martin Green 研制單晶硅的太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20%； ? 1986 6月， ARCO Solar發(fā)布 G4000—世界首例商用薄膜電池 “ 動(dòng)力組件 ” ； ? 1987 11月，在 3100公里穿越澳大利亞的 Pentax World Solar Challenge PV動(dòng)力汽車競(jìng)賽上， GM Sunraycer 獲勝，平均時(shí)速約為71 km/h； ? 1991 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW； 瑞士 Gr228。tzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽(yáng)電池 (Graezel Cell)效率達(dá)到 7%。1995年納米 TiO2染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 10%。 9 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 1995 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW；光伏電池安裝總量達(dá)到 500 MW； ? 1998 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW；多晶 澆鑄 硅 太陽(yáng) 電池產(chǎn)量首次超過(guò)單晶硅； ? 1999 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW； 美國(guó) NREL的 等報(bào)道銅銦錫（ CIS）電池效率達(dá)到 %； 非晶硅電池占市場(chǎng)份額%； ? 2023 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) MW，安裝超過(guò) 1000 MW，標(biāo)志太陽(yáng)能時(shí)代到來(lái)； ? 2023 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 399 MW。Wu X.,Dhere .,Aibin （ CdTe）電池效率達(dá)到 %； 單晶硅太陽(yáng)電池售價(jià)約為 3 USD/W； 德國(guó)人制作 PVC太陽(yáng)電池； ? 2023 世界太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 540 MW；多晶硅太陽(yáng)電池售價(jià)約為 USD/W； 10 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷史 ? 2023 太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 760 MW； 德國(guó) Fraunhofer ISE的 LFC（Laser－ fired contact）晶體硅太陽(yáng)電池效率達(dá)到 20%。 ? 2023 太陽(yáng)電池年產(chǎn)量超過(guò) 1200 MW； 德國(guó) Fraunhofer ISE多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá)到 %。非晶硅電池占市場(chǎng)份額 %,降為 1999年的 1/3，CdTe占 %。 而 CIS占 %； 11 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池發(fā)明人 :（ 1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson 12 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽(yáng)電池的基本理論 ? 光電效應(yīng)現(xiàn)象 ? 愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 光伏效應(yīng) ? pn 結(jié)形成和特性 ? 太陽(yáng)電池原理 ? 太陽(yáng)電池等效電路 ? 太陽(yáng)電池效率分析 ? 太陽(yáng)電池的類型 ? 太陽(yáng)電池的發(fā)展 13 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光電效應(yīng)現(xiàn)象 ? 光電效應(yīng) (photoelectric effect) 現(xiàn)象最早在 1887年由 Heinrich Hertz在從事電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，即金屬表面在光的照射下發(fā)射電子。 ? 光電效應(yīng)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(shù)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(lái)產(chǎn)生光電流 (photocurrent)， 而太陽(yáng)光中紫外線以上的輻射只占很小的一部分 （ 6－ 7%)。 ? Dember效應(yīng)：也稱 photodiffusion效應(yīng)，光照射在半導(dǎo)體表面，光子被吸收產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，則半導(dǎo)體表面的載流子濃度增加而向半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散，但由于電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)不同，電子與空穴在空間的分布就不同，因此產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)形成實(shí)驗(yàn)可測(cè)量到的 Dember電壓。一般來(lái)