電子科大薄膜物理(趙曉輝)太陽能電池

1、太陽能電池太陽能電池其其6%2%17%75%其其煤煤石油石油天然氣天然氣其他其他中國中國10%24%40%26%石石油油煤煤天然氣天然氣其他其他世界世界中國和世界的能源結(jié)構(gòu)中國和世界的能源結(jié)構(gòu) 能源枯竭能源枯竭 石油：石油：4242年，天然氣：年，天然氣：6767年，煤：年，煤：200200年年 。 環(huán)境污染環(huán)境污染 每年排放的二氧化碳達每年排放的二氧化碳達210210萬噸，萬噸，并呈上升趨勢，造成并呈上升趨勢，造成 全球氣候變暖；空氣中大量二全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴重影響人們的身體健康和人類氧化碳，粉塵含量己嚴重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。賴以生存的自然

2、環(huán)境。 中華人民共和國中華人民共和國 國家發(fā)展和改革委員會國家發(fā)展和改革委員會 中華人民共和國中華人民共和國 國家發(fā)展和改革委員會國家發(fā)展和改革委員會 中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃19991999白皮書白皮書 同國外相比，我國的能源系統(tǒng)更加不具備可持續(xù)發(fā)展特點同國外相比，我國的能源系統(tǒng)更加不具備可持續(xù)發(fā)展特點 v能源枯竭的威脅可能來的更早能源枯竭的威脅可能來的更早v 人口多，人均資源占有量僅及世界的一半，石油和天然氣資源僅占人口多，人均資源占有量僅及世界的一半，石油和天然氣資源僅占世界人均量的世界人均量的17.1和和13.2 ；加之能源利用技術(shù)落后，效率低下，能

3、加之能源利用技術(shù)落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能會比國外更加迅速，能源匱乏的威脅可能來的更早耗高，枯竭速度可能會比國外更加迅速，能源匱乏的威脅可能來的更早 v能源供需缺口將越來越大能源供需缺口將越來越大v 2020年全國需求量年全國需求量27億噸億噸TOE（噸油當量），尚缺（噸油當量），尚缺4.8億噸標煤；億噸標煤；2050年一次需求量達到年一次需求量達到40億噸標煤，缺口達億噸標煤，缺口達10億噸標煤，短缺億噸標煤，短缺25以上以上 v過度依賴煤炭，環(huán)境影響更加嚴重過度依賴煤炭，環(huán)境影響更加嚴重v 煤炭幾乎滿足了我國一次能源需求的煤炭幾乎滿足了我國一次能源需求的70，66的城市大氣顆粒物

4、的城市大氣顆粒物的含量和的含量和22的城市的二氧化硫含量均超過國家空氣質(zhì)量二級標準，在的城市的二氧化硫含量均超過國家空氣質(zhì)量二級標準，在冬季這些污染物的濃度更大，通常為夏季的冬季這些污染物的濃度更大，通常為夏季的2倍。環(huán)境專家估計，大氣中倍。環(huán)境專家估計，大氣中90的二氧化硫和的二氧化硫和70的煙塵來自于燃煤的煙塵來自于燃煤 v煤廢料的處理仍是問題煤廢料的處理仍是問題v 煤炭煤炭開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的大量的矸石、腐蝕性水、煤泥、灰渣和開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的大量的矸石、腐蝕性水、煤泥、灰渣和飛灰等，已構(gòu)成對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的危害，成為制約所在地區(qū)可飛灰等，已構(gòu)成對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的危害，成為

5、制約所在地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素持續(xù)發(fā)展的一個制約因素 v石油短缺，對外依存度加大石油短缺，對外依存度加大v 19931993年我國成為石油凈進口國，年我國成為石油凈進口國，20012001年進口依存度年進口依存度已經(jīng)達到已經(jīng)達到3434，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，石油進口量，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，石油進口量占整體石油需求量中的份額進一步增長，預計到占整體石油需求量中的份額進一步增長，預計到20202020年年將達到將達到5050。太陽能風能屬于本地資源，通過一定的工。太陽能風能屬于本地資源，通過一定的工藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、

6、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氫燃料，為各種為液體燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氫燃料，為各種移動設(shè)備提供能源。移動設(shè)備提供能源。 1.太陽能電池的發(fā)展歷史太陽能電池的發(fā)展歷史 1954 1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用于空間技術(shù)。當時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為用于空間技術(shù)。當時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為8 8。19731973年世界爆發(fā)石年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近1010幾年來，隨著幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污

7、染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能

8、電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在電池設(shè)備業(yè)的發(fā)展。在1997199720062006年的年的1010年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了2020倍，今后倍，今后1010年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年3030以上的增長速度發(fā)展。以上的增長速度發(fā)展。世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點v1954 美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6v1955 第一個光伏航標燈問世，美國第一個光伏航標燈問世，美國RCA發(fā)明發(fā)明Ga As太陽能電池太陽能電池v1958 太陽能電池首次裝備于美國先鋒太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，

9、轉(zhuǎn)換效率為號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8。v1959 第一個單晶硅太陽能電池問世。第一個單晶硅太陽能電池問世。v1960 太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。v1974 突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到18。v1975 非晶硅及帶硅太陽能電池問世非晶硅及帶硅太陽能電池問世v1978 美國建成美國建成100KW光伏電站光伏電站v1980 單晶硅太陽能電池效率達到單晶硅太陽能電池效率達到20多晶硅為多晶硅為14.5，Ga As為為22.5v1986 美國建成美國建成6.5KW光伏電站光伏電站v1990 德國提出德國提出“2000光伏屋頂計劃光伏

10、屋頂計劃”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太陽能電池問世，效率達太陽能電池問世，效率達32。v1997 美國提出美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽光計新陽光計劃劃”v1998 單晶硅太陽能電池效率達到單晶硅太陽能電池效率達到24.7，荷蘭提出，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃百萬光伏屋頂計劃”v2000 世界太陽能電池總產(chǎn)量達世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，歐洲計劃，歐洲計劃2010年生產(chǎn)年生產(chǎn)60億瓦光伏億瓦光伏電池電池2.太陽能電池市場狀況及趨勢太陽能電池市場狀況及趨勢2.1 太陽能電池的市場狀況太陽能電池的市場狀況1998年以前

11、，單晶硅電池占世界光伏生產(chǎn)的主導地位年以前，單晶硅電池占世界光伏生產(chǎn)的主導地位其次是多晶硅電池。從其次是多晶硅電池。從1998年開始，多晶硅電池開始年開始，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。非晶硅從超過單晶硅躍居第一。非晶硅從20世紀世紀80年代初開年代初開始商業(yè)化生產(chǎn)，但由于效率低和光衰減問題，市場始商業(yè)化生產(chǎn)，但由于效率低和光衰減問題，市場份額增加不快。份額增加不快。CdTe電池從電池從20世紀世紀80年代中期開年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，除技術(shù)因素外，始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，除技術(shù)因素外，人們對人們對Cd的毒性的疑慮也是原因之一。的毒性的疑慮也是原因之一。 CIS電

12、池的電池的產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，原因是生產(chǎn)過程中化學劑量產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，原因是生產(chǎn)過程中化學劑量比難以控制，大面積均勻性和重復性較差。比難以控制，大面積均勻性和重復性較差。2.2太陽電池的未來發(fā)展趨勢太陽電池的未來發(fā)展趨勢 2.2.1 商業(yè)化趨勢商業(yè)化趨勢v 1998年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶硅年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶硅電池。電池。v 從從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。v非晶硅從非晶硅從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。市場份

13、額先高后低。v CdTe電池從電池從80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，慢，Cd的毒性是原因之一；的毒性是原因之一； vCIS電池的產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，電池的產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，In是是稀有元素；稀有元素；v Sanyo公司公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速20012001、20022002年各種電池的市場份額和開始商業(yè)化時間年各種電池的市場份額和開始商業(yè)化時間. .電池技術(shù)市場份額 %商業(yè)化時間單晶硅35.1329.46 70初(地面應用)多晶硅47.3354.44

14、 70年代末非晶硅8.625.580年代初A-Si/c-Si(n)4.615.990年代末帶硅3.483.380年代中薄硅/陶瓷0.260.390年代中CdTe0.390.380年代中CIS0.18/00年代初2.2.2 技術(shù)發(fā)展趨勢技術(shù)發(fā)展趨勢2.2.2.1 硅基電池硅基電池:v 硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富(以石英砂以石英砂形式存在形式存在)；v 環(huán)境友好；環(huán)境友好；v 電池效率高，性能穩(wěn)定；電池效率高，性能穩(wěn)定；v 工藝基礎(chǔ)成熟。工藝基礎(chǔ)成熟。v 硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點、熱點晶硅硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點、熱點晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化技

15、術(shù)電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù) 硅基薄膜電池硅基薄膜電池研究開發(fā)方向：研究開發(fā)方向：晶硅電池晶硅電池: 提高電池提高電池/組件效率組件效率高效鈍化技術(shù)：高效鈍化技術(shù)：TiO2，SiNx, SiO2, a-Si高效陷光技術(shù)：減反射，表面織構(gòu)化，背反射等，高效陷光技術(shù)：減反射，表面織構(gòu)化，背反射等，選擇性發(fā)射區(qū)選擇性發(fā)射區(qū)(前前)，背表面場背表面場(BSF)，細柵或者單面技術(shù)，細柵或者單面技術(shù)， 高效封裝技術(shù)最佳封裝材料的折射率等。高效封裝技術(shù)最佳封裝材料的折射率等。簡化、改進工藝自動化、環(huán)保、低成本；簡化、改進工藝自動化、環(huán)保、低成本； 如硅片如硅片薄化及其工藝，薄化及其工藝， 材料的國產(chǎn)化和提高性能；材料

16、的國產(chǎn)化和提高性能； 2.2.2.2 2.2.2.2 化合物電池化合物電池v CIGS CIGS 電池：提高效率，大面積重復性，電池：提高效率，大面積重復性，S S代代SeSev CdTe CdTe電池：提高效率，大面積重復性電池：提高效率，大面積重復性v GratzelGratzel電池電池 高效染料，固體或準固態(tài)電解質(zhì)，高效染料，固體或準固態(tài)電解質(zhì)，提高效率，大面積重復性提高效率，大面積重復性v 有機電池有機電池 高效電子受體和給體以及材料，提高高效電子受體和給體以及材料，提高效率效率 3.3.新型概念電池：量子點、量子阱電池，中間帶新型概念電池：量子點、量子阱電池，中間帶 光伏電池，帶隙

17、遞變迭層電池等，尚處在理論探索、光伏電池，帶隙遞變迭層電池等，尚處在理論探索、概念研究和驗證階段概念研究和驗證階段。3.太陽能電池定義和分類太陽能電池定義和分類 太陽能電池，太陽能電池，又稱光伏器件又稱光伏器件，是一種利用光是一種利用光生伏特效應把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是生伏特效應把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。太陽能電池分類太陽能電池分類按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分類分類同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池肖特基肖特基太陽電池太陽電池按材料按材料分類分類硅太陽硅太陽電池電池敏化納米晶敏化納米晶太陽電池太陽電池有機化合物有機化合物太陽

18、電池太陽電池塑料塑料太陽電池太陽電池無機化合物無機化合物半導體半導體太陽電池太陽電池按光電轉(zhuǎn)換按光電轉(zhuǎn)換機理機理傳統(tǒng)傳統(tǒng)太陽電池太陽電池激子激子太陽電池太陽電池太陽能電池發(fā)電原理5.太陽能電池的生產(chǎn)工藝太陽能電池的生產(chǎn)工藝導電玻璃導電玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 檢測檢測 鍍鋁電極鍍鋁電極 沉積沉積PN結(jié)結(jié)老化老化 檢測檢測 封裝封裝 成品檢測成品檢測6.6.太陽能電池的應用太陽能電池的應用 上世紀上世紀6060年代，科學家們就已經(jīng)將太陽電池應用于空間技年代，科學家們就已經(jīng)將太陽電池應用于空間技術(shù)術(shù)通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中

19、，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太親切，不僅在空間應用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢 v用戶太陽能電源用戶太陽能電源1.1.小型電源小型電源10-100W10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等電視、收錄機等 太陽能電源太陽能電源 太陽能逆變器太陽能逆變器2. 3-5KW2. 3-5K