【正文】 :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。 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(diǎn)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(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。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)對接，因而從創(chuàng)新起步是必要的。 ? 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。 ? 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) ? 檢測分級 根據(jù)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(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。 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(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。 ? 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(shù)。實(shí)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(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。 ? 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)建電場是實(shí)現(xiàn)電子－空穴分離的最重要的物理?xiàng)l件。其中發(fā)射區(qū)為受光面，通常 pn 結(jié)是通過在一個 pSi 或 nSi基片上通過熱擴(kuò)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(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 2. 電子－空穴對在復(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。 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。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。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(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。 ? 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 %。 ? 1959 Hoffman電子實(shí)現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達(dá)到 10%， 并通過用網(wǎng)柵電極來顯著減少光伏電池串聯(lián)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(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)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(chǎn)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(dāng)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(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 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)建成世界第一個光伏住宅； ? 1973世界發(fā)生石油危機(jī)，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(xiàn)狀與前景展望 沈 輝 中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所 電力電子及控制技術(shù)研究所 2 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 主要內(nèi)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(shù)發(fā)展 5. 2023年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧 6. 歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格 7. 光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 8. 太陽電池發(fā)展未來 9. 結(jié)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(shí)驗(yàn)物理學(xué)家亞利山大 ? 1974 日本推出光伏發(fā)電的 “ 陽光計(jì)劃 ” ； Tyco實(shí)驗(yàn)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(jié)的工作基礎(chǔ)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(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 世界太陽電池安裝總量達(dá)到 1 MW； ? 1980 ARCO太陽能公司是世界上第一個年產(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)行了戶外測試； ? 1980年開始 , 人們注重研究高效率太陽電池 , 以降低生產(chǎn)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(shù) h= ，光子頻率 ν ）。 ? 第三，當(dāng)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(yīng)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(jié)的形成與特性 ? 半導(dǎo)體中的導(dǎo)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)太陽光到電流轉(zhuǎn)換的核心結(jié)構(gòu)是晶體 Si 的 pn 結(jié)。 ? 當(dāng)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(chǎn)生電子－空穴對。 ? 綜上所述，在太陽光照射下， 以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)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(nèi)建電場作用下形成的漂移電流； 2. nSi 區(qū)的少數(shù)載流子－空穴所形成的擴(kuò)散電流； 3. pSi 區(qū)的少數(shù)載流子－電子所形成的擴(kuò)散電流。 Is是二極管飽和電流， RL是負(fù)載電阻。 ? 并聯(lián)電阻（ shunt resistance ： Rsh）： ? 太陽電池的正負(fù)極之間存在不經(jīng)過 pn 結(jié)的其它導(dǎo)電通道，這樣將造成形成漏電流（ leakage current），如太陽電池中的產(chǎn)生－復(fù)合（generation rebination）電流、表面復(fù)合（ surface rebination）電流、電池邊緣隔離不完全以及金屬電極穿透 pn 結(jié)等都將產(chǎn)生漏電流。 ? 串聯(lián)電阻的增加和并聯(lián)電阻的減少都會減少填充系數(shù)。光子能量大于帶隙的多余部分能量就會產(chǎn)生使所產(chǎn)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(chǎn)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(dá)到 102 GW，一年的發(fā)電量將會達(dá)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(wǎng)的影響將隨之而來。 在此兩位女建筑