【正文】 3 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)星太陽能電站構(gòu)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(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電池供電 , 受到各國政府高度重視 。tzel教授研制的納米 TiO2染料敏化太陽電池 (Graezel Cell)效率達(dá)到 7%。 ? 2023 太陽電池年產(chǎn)量超過 1200 MW； 德國 Fraunhofer ISE多晶硅太陽電池效率達(dá)到 %。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產(chǎn)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%)。 14 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 愛因斯坦的光電效應(yīng)理論 ? 愛因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)出發(fā)，提出光子(photon)的概念。(mvm2)是光電子的最大初動(dòng)能。紅限相當(dāng)于電子所吸收的能量全部消耗于電子的逸出功時(shí)入射光的頻率。 17 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光伏效應(yīng) ? 光伏效應(yīng) (photovoltaic effect)是指半導(dǎo)體表面在光的照射下，光子的能量被吸收，讓電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。染料敏化太陽電池 (dye –sensitized solar cell： DSC） 就是以此效應(yīng)為基礎(chǔ)的。前兩種是可動(dòng)的，而后兩種是不動(dòng)的。 由于帶負(fù)電的受主離子和帶正電的施主離子都是固體在晶體中的，即形成從 n型區(qū)指向 p型區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。但從理論上分析，金屬光電效應(yīng)的太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率不超過 1％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有 ％。 20 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 太陽電池作為光電轉(zhuǎn)換器件必須具備的條件： 1. 入射光子能夠被吸收產(chǎn)生電子－空穴對(duì) 2. 電子－空穴對(duì)在復(fù)合前被分離 3. 分開的電子與空穴能夠傳輸?shù)截?fù)載 21 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的基本原理 ? 目前占太陽電池的主流地位的是晶體 Si 太陽電池。 ? 在太陽電池中 pn 結(jié)的空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)的作用就是使入射光子產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在復(fù)合（ rebination）之前被分離，并形成光電流通過金屬電極（ metal contact）給負(fù)載供電。其中發(fā)射區(qū)為受光面，通常 pn 結(jié)是通過在一個(gè) pSi 或 nSi基片上通過熱擴(kuò)散形成的。 ? 以晶體 Si 的 n＋ / p 型電池為例：在光照下， nSi 中的少子－空穴在空間電荷區(qū)的附近會(huì)向 pSi 區(qū)域擴(kuò)散形成電流； pSi 中的少子－電子在空間電荷區(qū)的附近會(huì)向 nSi 區(qū)域擴(kuò)散形成電流；而空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子向 nSi 區(qū)域漂移和產(chǎn)生的空穴向 pSi 區(qū)域漂移。 ? 由此可見，太陽電池的核心結(jié)構(gòu)是 pn 結(jié)，而 pn 結(jié)中的空間電荷區(qū)由施主正離子和受主負(fù)離子形成的內(nèi)建電場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)電子－空穴分離的最重要的物理?xiàng)l件。 ? 理想二結(jié)管的電流－電壓關(guān)系式為： I = Is ( e V/VT – 1 ) ? 這一方程確定一條電流－電壓關(guān)系曲線，如作以 x軸為電流， 以 y軸為電壓的一個(gè)坐標(biāo)系，則電流－電壓曲線主要分布在第一象限，從零點(diǎn)開始，電流隨電壓增加呈現(xiàn)單調(diào)指數(shù)增加。圖中 IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強(qiáng)度，恒流源來自太陽輻射所激發(fā)的過量載流子。但為了簡單起見和方便分析，一般將這電流－電壓曲線以 y 軸（電壓）為對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn) 180度放到第一象限。實(shí)際的太陽電池的串連電阻一般在幾－幾十 Ωcm 以下。 31 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的等效電路 ? 如考慮串聯(lián)電阻 Rs 和并聯(lián)電阻 Rsh 的實(shí)際存在，太陽電池的電流－電壓關(guān)系式則可表示為： ? I = Is ( e V/VT – 1 ) ＋ (V I Rs) / Rsh – IL ? 從太陽電池的電流－電壓關(guān)系曲線上可見，最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大工作電壓和最大工作電流的乘積（即 Pmax = Vmax I max ），在數(shù)值上就等同于一個(gè)在曲線下面的矩形圖形的面積，而以開路電壓和短路電流對(duì)應(yīng)的數(shù)值也可確定一個(gè)在曲線之上的矩形圖形的面積（ ISC VOC），和這樣來看，太陽電池的電流－電壓曲線越充滿 ISC 和 VOC 組成的矩形圖形的面積，即 Vmax I max 與 ISC VOC越接近，表明太陽電池的性能越好。 ? 太陽電池可定義為： η = Pmax/Pin ? 也可以寫為： η = Pmax/Pin ＝ FF ISC VOC /Pin ? 由此可見，要提高太陽電池的效率必須同時(shí)增加 開路電壓、短路電流和 填充系數(shù)。對(duì)于單晶硅來說，理論上的最高效率可達(dá)到 28％。 36 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽電池的效率理論分析 ? 對(duì)于單結(jié)電池，只要能量大于半導(dǎo)體帶隙的入射光子都可以產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。只要遏制光發(fā)射和聲子發(fā)射就可阻止載流子能帶間的能量釋放，但這將造成載流子平均能量升高，則載流子溫度升高，即造成熱載流子現(xiàn)象。 ? 減反射膜制備 用 PECVD制作 SiNx 減反膜 (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) ? 表面金屬化 采用絲網(wǎng)印刷 ,鍵式爐加熱燒結(jié) ? 檢測(cè)分級(jí) 根據(jù)電池效率，分級(jí)包裝 39 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 晶體硅太陽電池的制備工藝 ? 硅片類型 多晶硅片為主 ? 硅片厚度 180 150 120 μm ? 電池效率 多晶 1517%，單晶 1720% ? 生產(chǎn)規(guī)模 ? 30 60 200 1000 MW 40 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展 ? 太陽電池發(fā)展的基本問題 市場(chǎng)情況 硅材料 90%以上 提高效率和降低成本 材料的選擇和工藝優(yōu)化 ? 薄膜太陽電池的技術(shù)難點(diǎn) 襯底材料 硅、陶瓷、玻璃、塑料 薄膜制備工藝 SolGel, CVD, PVD ? 主要薄膜電池產(chǎn)品 非晶硅太陽電池 碲化鎘太陽電池 銅銦錫太陽電池 41 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 著名薄膜太陽電池企業(yè)及產(chǎn)品 42 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率 43 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 非晶硅太陽電池 ? 非晶硅 aSi禁帶寬度為 , 通過摻 B 或摻 P可得到 p型 aSi或 n型 aSi。 ? 非晶硅太陽電池光譜響應(yīng)的峰值與太陽光譜的峰值接近； ? 由于非晶硅材料的本征吸收系數(shù)很大， 1um厚度就能充分吸收太陽光， ? 厚度不足晶體硅的 1/100，可明顯節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料 ? SW 效應(yīng)：非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨光照時(shí)間加長而減少， 經(jīng) 200度退火 2小時(shí)可恢復(fù)原狀。 ? 到 2030年的目標(biāo)是，太陽光發(fā)電成本由現(xiàn)在的每度 46日元（家庭用電價(jià)格的大約 2倍），降低到與市電同等水平的每度 7日元，累計(jì)安裝量達(dá)到 102 GW。 79 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化 ? 發(fā)展希望寄托于年輕建筑師 ? 多方面合作至關(guān)重要： ? 政府部門、建筑師、規(guī)劃師、建筑商、施工單位 80 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 太陽能光伏建筑設(shè)計(jì) Solar Design 光伏發(fā)電系統(tǒng)在老建筑、城市和農(nóng)村的應(yīng)用 英格麗特 為了將含有標(biāo)準(zhǔn)、彩色、材料和裝飾元素的現(xiàn)代技術(shù)器件與老建筑和紀(jì)念碑實(shí)現(xiàn)對(duì)接，因而從創(chuàng)新起步是必要的。 本書實(shí)際證明光伏發(fā)電設(shè)備可以多種多樣和可以被作為建筑構(gòu)件使用。 太陽電池是什么？ ? 一塊平板卻可以不可思議地發(fā)電 ? 既輕又能彎曲的太陽電池 ? 可以減少二氧化碳排放 一看就懂 一本淺顯易懂的漫畫科普書 集體編寫 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 太陽光發(fā)電研究中心 翻譯校正 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 太陽光發(fā)電研究中心 劉正新 中山大學(xué) 太陽能系統(tǒng)研究所 華南太陽能研究院 沈 輝 太 陽 電 池 91 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 光伏發(fā)電在我國具有無限發(fā)展空間 92 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 93 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。 11:38:5311:38:5311:38Saturday, March 4, 2023 1乍見翻疑夢(mèng)，相悲各問年。 2023年 3月 4日星期六 11時(shí) 38分 53秒 11:38:534 March 2023 1做前，能夠環(huán)視四周；做時(shí)，你只能或者最好沿著以腳為起點(diǎn)的射線向前。 :38:5311:38Mar234Mar23 1世間成事，不求其絕對(duì)圓滿，留一份不足，可得無限完美。 2023年 3月 上午 11時(shí) 38分 :38March 4, 2023 1少年十五二十時(shí)，步行奪得胡馬騎。 11:38:5311:38:5311:383/4/2023 11:38:53 AM 1越是沒有本領(lǐng)的就越加自命不凡。 :38:5311:38:53March 4, 2023 1意志堅(jiān)強(qiáng)的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。 上午 11時(shí) 38分 53秒 上午 11時(shí) 38分 11:38: MOMODA POWERPOINT Lorem ipsum dolor sit, eleifend nulla ac, fringilla purus. 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