电子科大薄膜物理(赵晓辉)太阳能电池

1、太阳能电池太阳能电池其其6%2%17%75%其其煤煤石油石油天然气天然气其他其他中国中国10%24%40%26%石石油油煤煤天然气天然气其他其他世界世界中国和世界的能源结构中国和世界的能源结构 能源枯竭能源枯竭 石油：石油：4242年，天然气：年，天然气：6767年，煤：年，煤：200200年年 。 环境污染环境污染 每年排放的二氧化碳达每年排放的二氧化碳达210210万吨，万吨，并呈上升趋势，造成并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。赖以生存的自然

2、环境。 中华人民共和国中华人民共和国 国家发展和改革委员会国家发展和改革委员会 中华人民共和国中华人民共和国 国家发展和改革委员会国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划中国新能源与可再生能源发展规划19991999白皮书白皮书 同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点同国外相比，我国的能源系统更加不具备可持续发展特点 v能源枯竭的威胁可能来的更早能源枯竭的威胁可能来的更早v 人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的世界人均量的17.1和和13.2 ；加之能源利用技术落后，效率低下，能

3、加之能源利用技术落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早 v能源供需缺口将越来越大能源供需缺口将越来越大v 2020年全国需求量年全国需求量27亿吨亿吨TOE（吨油当量），尚缺（吨油当量），尚缺4.8亿吨标煤；亿吨标煤；2050年一次需求量达到年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，短缺亿吨标煤，短缺25以上以上 v过度依赖煤炭，环境影响更加严重过度依赖煤炭，环境影响更加严重v 煤炭几乎满足了我国一次能源需求的煤炭几乎满足了我国一次能源需求的70，66的城市大气颗粒物

4、的城市大气颗粒物的含量和的含量和22的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍。环境专家估计，大气中倍。环境专家估计，大气中90的二氧化硫和的二氧化硫和70的烟尘来自于燃煤的烟尘来自于燃煤 v煤废料的处理仍是问题煤废料的处理仍是问题v 煤炭煤炭开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和开发利用过程中产生的大量的矸石、腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可飞灰等，已构成对工农业生产和生态环境的危害，成为

5、制约所在地区可持续发展的一个制约因素持续发展的一个制约因素 v石油短缺，对外依存度加大石油短缺，对外依存度加大v 19931993年我国成为石油净进口国，年我国成为石油净进口国，20012001年进口依存度年进口依存度已经达到已经达到3434，随着国民经济的持续增长，石油进口量，随着国民经济的持续增长，石油进口量占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到占整体石油需求量中的份额进一步增长，预计到20202020年年将达到将达到5050。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工。太阳能风能属于本地资源，通过一定的工艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、间接地转换艺技术，不仅可转换为电力，还可以直接、

6、间接地转换为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种为液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。移动设备提供能源。 1.太阳能电池的发展历史太阳能电池的发展历史 1954 1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8 8。19731973年世界爆发石年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近1010几年来，随着几年来，随着世界能源短缺和环境污

7、染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能

8、电池设备业的发展。在电池设备业的发展。在1997199720062006年的年的1010年中，世界光伏产业扩大了年中，世界光伏产业扩大了2020倍，今后倍，今后1010年世界光伏产业仍以每年年世界光伏产业仍以每年3030以上的增长速度发展。以上的增长速度发展。世界太阳能电池发展的主要节点世界太阳能电池发展的主要节点v1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6v1955 第一个光伏航标灯问世，美国第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明发明Ga As太阳能电池太阳能电池v1958 太阳能电池首次装备于美国先锋太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，

9、转换效率为号卫星，转换效率为8。v1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。第一个单晶硅太阳能电池问世。v1960 太阳能电池首次实现并网运行。太阳能电池首次实现并网运行。v1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。v1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世非晶硅及带硅太阳能电池问世v1978 美国建成美国建成100KW光伏电站光伏电站v1980 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为多晶硅为14.5，Ga As为为22.5v1986 美国建成美国建成6.5KW光伏电站光伏电站v1990 德国提出德国提出“2000光伏屋顶计划光伏

10、屋顶计划”v1995 高效聚光高效聚光Ga As太阳能电池问世，效率达太阳能电池问世，效率达32。v1997 美国提出美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计新阳光计划划”v1998 单晶硅太阳能电池效率达到单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出，荷兰提出“百万光伏屋顶计划百万光伏屋顶计划”v2000 世界太阳能电池总产量达世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划，欧洲计划2010年生产年生产60亿瓦光伏亿瓦光伏电池电池2.太阳能电池市场状况及趋势太阳能电池市场状况及趋势2.1 太阳能电池的市场状况太阳能电池的市场状况1998年以前

11、，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位其次是多晶硅电池。从其次是多晶硅电池。从1998年开始，多晶硅电池开始年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪世纪80年代初开年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。份额增加不快。CdTe电池从电池从20世纪世纪80年代中期开年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。的毒性的疑虑也是原因之一。 CIS电

12、池的电池的产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。2.2太阳电池的未来发展趋势太阳电池的未来发展趋势 2.2.1 商业化趋势商业化趋势v 1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。电池。v 从从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。v非晶硅从非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。市场份

13、额先高后低。v CdTe电池从电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，慢，Cd的毒性是原因之一；的毒性是原因之一； vCIS电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是是稀有元素；稀有元素；v Sanyo公司公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速电池商业化仅两三年，发展迅速20012001、20022002年各种电池的市场份额和开始商业化时间年各种电池的市场份额和开始商业化时间. .电池技术市场份额 %商业化时间单晶硅35.1329.46 70初(地面应用)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年代末带硅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 技术发展趋势技术发展趋势2.2.2.1 硅基电池硅基电池:v 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂以石英砂形式存在形式存在)；v 环境友好；环境友好；v 电池效率高，性能稳定；电池效率高，性能稳定；v 工艺基础成熟。工艺基础成熟。v 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅电池的产业化技

15、术电池的产业化技术 硅基薄膜电池硅基薄膜电池研究开发方向：研究开发方向：晶硅电池晶硅电池: 提高电池提高电池/组件效率组件效率高效钝化技术：高效钝化技术：TiO2，SiNx, SiO2, a-Si高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区选择性发射区(前前)，背表面场背表面场(BSF)，细栅或者单面技术，细栅或者单面技术， 高效封装技术最佳封装材料的折射率等。高效封装技术最佳封装材料的折射率等。简化、改进工艺自动化、环保、低成本；简化、改进工艺自动化、环保、低成本； 如硅片如硅片薄化及其工艺，薄化及其工艺， 材料的国产化和提高性能；材料

16、的国产化和提高性能； 2.2.2.2 2.2.2.2 化合物电池化合物电池v CIGS CIGS 电池：提高效率，大面积重复性，电池：提高效率，大面积重复性，S S代代SeSev CdTe CdTe电池：提高效率，大面积重复性电池：提高效率，大面积重复性v GratzelGratzel电池电池 高效染料，固体或准固态电解质，高效染料，固体或准固态电解质，提高效率，大面积重复性提高效率，大面积重复性v 有机电池有机电池 高效电子受体和给体以及材料，提高高效电子受体和给体以及材料，提高效率效率 3.3.新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带 光伏电池，带隙

17、递变迭层电池等，尚处在理论探索、光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段概念研究和验证阶段。3.太阳能电池定义和分类太阳能电池定义和分类 太阳能电池，太阳能电池，又称光伏器件又称光伏器件，是一种利用光是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。太阳能光伏发电的基础和核心。太阳能电池分类太阳能电池分类按结构按结构分类分类同质结同质结太阳电池太阳电池异质结异质结太阳电池太阳电池肖特基肖特基太阳电池太阳电池按材料按材料分类分类硅太阳硅太阳电池电池敏化纳米晶敏化纳米晶太阳电池太阳电池有机化合物有机化合物太阳

18、电池太阳电池塑料塑料太阳电池太阳电池无机化合物无机化合物半导体半导体太阳电池太阳电池按光电转换按光电转换机理机理传统传统太阳电池太阳电池激子激子太阳电池太阳电池太阳能电池发电原理5.太阳能电池的生产工艺太阳能电池的生产工艺导电玻璃导电玻璃 膜切割膜切割 清洗清洗 检测检测 镀铝电极镀铝电极 沉积沉积PN结结老化老化 检测检测 封装封装 成品检测成品检测6.6.太阳能电池的应用太阳能电池的应用 上世纪上世纪6060年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中

19、，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势建筑系统的结合已经形成产业化趋势 v用户太阳能电源用户太阳能电源1.1.小型电源小型电源10-100W10-100W不等，用于边远无电地区如高原、不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等电视、收录机等 太阳能电源太阳能电源 太阳能逆变器太阳能逆变器2. 3-5KW2. 3-5K