【正文】 :38:5311:38:53March 4, 2023 1意志堅強的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。 2023年 3月 上午 11時 38分 :38March 4, 2023 1少年十五二十時，步行奪得胡馬騎。 2023年 3月 4日星期六 11時 38分 53秒 11:38:534 March 2023 1做前，能夠環(huán)視四周；做時，你只能或者最好沿著以腳為起點的射線向前。 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 日本產業(yè)技術綜合研究所 太陽光發(fā)電研究中心 翻譯校正 日本產業(yè)技術綜合研究所 太陽光發(fā)電研究中心 劉正新 中山大學 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。為了將含有標準、彩色、材料和裝飾元素的現代技術器件與老建筑和紀念碑實現對接，因而從創(chuàng)新起步是必要的。 ? 到 2030年的目標是，太陽光發(fā)電成本由現在的每度 46日元（家庭用電價格的大約 2倍），降低到與市電同等水平的每度 7日元，累計安裝量達到 102 GW。 ? 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 采用絲網印刷 ,鍵式爐加熱燒結 ? 檢測分級 根據電池效率，分級包裝 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發(fā)展 ? 太陽電池發(fā)展的基本問題 市場情況 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難點 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。 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 ? 對于單結電池，只要能量大于半導體帶隙的入射光子都可以產生電子－空穴對。 ? 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增加 開路電壓、短路電流和 填充系數。實際的太陽電池的串連電阻一般在幾－幾十 Ωcm 以下。圖中 IL是入射光產生的恒流源的強度，恒流源來自太陽輻射所激發(fā)的過量載流子。 ? 由此可見，太陽電池的核心結構是 pn 結，而 pn 結中的空間電荷區(qū)由施主正離子和受主負離子形成的內建電場是實現電子－空穴分離的最重要的物理條件。其中發(fā)射區(qū)為受光面，通常 pn 結是通過在一個 pSi 或 nSi基片上通過熱擴散形成的。 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換器件必須具備的條件： 1. 入射光子能夠被吸收產生電子－空穴對 2. 電子－空穴對在復合前被分離 3. 分開的電子與空穴能夠傳輸到負載 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。 由于帶負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)的內建電場。染料敏化太陽電池 (dye –sensitized solar cell： DSC） 就是以此效應為基礎的。紅限相當于電子所吸收的能量全部消耗于電子的逸出功時入射光的頻率。 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理論 ? 愛因斯坦從普朗克的能量子假設出發(fā)，提出光子(photon)的概念。 ? 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 %。 ? 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 。 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 ? 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 。非晶硅電池占市場份額 %,降為 1999年的 1/3，CdTe占 %。光子的能量 ε = hν （普朗克常數 h= ，光子頻率 ν ）。 ? 第三，當一個光子被吸收時，全部能量就立即被吸收，不需要積累能量的時間，這就說明了光電效應的瞬時發(fā)生的問題。 18 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 pn結的形成與特性 ? 半導體中的導電類型： n型硅晶體是指在硅晶體中加入 V族元素（如磷）作為施主 (donor)， 提供導帶電子。 19 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 ? 太陽能輻射可以等同于一個表面溫度為 5800 K的黑體輻射，輻射的能量的波長基本上分布在 250－ 2500 nm范圍，其中紫外線占約 6－ 7％，可見光占約 46％和紅外線占約 47％。實現太陽光到電流轉換的核心結構是晶體 Si 的 pn 結。 ? 當入射光照上太陽電池上時，在發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)同時都將產生電子－空穴對。 ? 綜上所述，在太陽光照射下， 以光伏效應為基礎的太陽電池的光電流主要來自以下三個部分： 1. 空間電荷區(qū)的電子和空穴在內建電場作用下形成的漂移電流； 2. nSi 區(qū)的少數載流子－空穴所形成的擴散電流； 3. pSi 區(qū)的少數載流子－電子所形成的擴散電流。 Is是二極管飽和電流， RL是負載電阻。 ? 并聯電阻（ shunt resistance ： Rsh）： ? 太陽電池的正負極之間存在不經過 pn 結的其它導電通道，這樣將造成形成漏電流（ leakage current），如太陽電池中的產生－復合（generation rebination）電流、表面復合（ surface rebination）電流、電池邊緣隔離不完全以及金屬電極穿透 pn 結等都將產生漏電流。 ? 串聯電阻的增加和并聯電阻的減少都會減少填充系數。光子能量大于帶隙的多余部分能量就會產生使所產生的電子－空穴對處于高能態(tài)，后又通過釋放聲子（晶格振動）的方式回到能隙附近，即光子能量多余能隙的部分以釋放聲子能量的方式，這樣將使器件產生熱量，從而影響性能。 ? 非晶硅摻 C, 可得到 aSiC, 禁帶寬度 ? eV（寬帶隙） 。 ? 如果太陽電池的安裝量達到 102 GW，一年的發(fā)電量將會達到 1100億千瓦時（度），約占日本總用電量的 10%，這樣天氣變動引起的輸出變動和對電網的影響將隨之而來。 在此兩位女建筑