太阳电池材料-绪论

1、太阳电池材料教材：太阳电池材料 杨德仁编著1课程性质：专业必修时间：周一（1，2）周四（1，2）教室：1-215, 8-303课程特点：内容广、概念多课程要求：着重太阳电池材料的基本制备原理、制备技术以及材料结构、组成对太阳电池的影响。课程考核：考勤（5%），作业（10%），课后讨论（5%），期中（20%），期末（60%）课程简介12参考书：课程简介2Tom Markvart 编，梁骏吾 等译，太阳电池：材料、制备工艺及检测，机械工业出版社。林明献编，太阳电池技术入门，全华图书股份有限公司出版。靳瑞敏编著，太阳能电池原理与应用 ，北京大学出版社。3绪 论开发利用太阳能的战略意义太阳能发电的特点

2、太阳能发电的分类太阳能光伏发电的发展历史中国光伏发电市场的发展一些国家的“太阳能屋顶计划”一些国家发展太阳能光伏发电的规划4 第一章 绪论1化石燃料储量正面临逐渐枯竭的危机 局面 随着世界人口的增长和经济的发展，对于能源供应的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料来提供。然而，化石燃料的储量是有限的，全球石油可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。目前1/5的人口消费世界上75%的能源，发达国家人均石油消费量是最贫穷的全球一半人口消费量的15倍。一. 开发利用太阳能的战略意义5 据世界

3、卫生组织估计，到2060年全球人口将达100110亿。如果到时所有人的矿物和能源消费量都达到今天发达国家的人均消费水平，则地球上35种矿物中将有1/3在40年内消耗殆尽，包括所有的石油、天然气、煤炭（假设为2万亿吨）和铀。6化石燃料生产(消耗)的峰值存在一个高峰， 高峰在什么时间？ 离现在还有多远？ 留给可再生能源技术发展的时间足够吗？！7 日本的预测 自天然气以下为化石燃料化石燃料生产峰值在20202030之间 8世界油气资源的开采峰值对化石燃料开采峰值有决定性影响，因此我们再观察几个对油气资源开采峰值的预测。 2002 ， Association for Study of Peak Oil

4、 (ASPO): 峰值位于 2010年(见下图)； 9ASPO对世界油气开采峰值的最新预测 峰值位于 201010 2001， BP，World Energy Forum in Davos : 峰值位于2010 ，30-40之后将消耗尽； 2000，World Resources Institute in Washington: 峰值位于 2019.11 综合以上多种预测，化石燃料开采峰值位于本世纪2030年代12我国一次能源的储量均低于世界平均值， 2004年进口石油约1.1亿吨，外汇支出比前一年增加了30%40%。 13我国能源储量与世界比较 142保护生态环境逐渐受到人们的重视 随着全球

5、很多地区气候变暖，自然灾害频繁发生，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大等现象的出现，使人们逐渐认识到治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步。 15 现在单是CO2全球每年排放量就超过500亿吨，并且还在不断增加。按人口平均计算，美国每年的CO2排放量为20吨/人年，德国为12.3吨/人年，日本为8.7吨/人年。“京都议定书”对于工业化国家规定了减少温室气体排放量的指标。1617尽管“京都议定书”没有对我国的温室气体排放量规定具体的指标，但是我国的情况相当突出。 我国能源消费只占世界的8%9%，人均排放量也不算高，但是人口众多，能源利用率不高，能源消费以燃煤为主，而且煤炭所含的硫等有害成

6、分很高。18 我国SO2排放量占世界的15.1%，为世界第一；CO2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃烧而排放的S O2、CO2、NOx和烟尘分别占全国相应排放量的87%、71%、67%和60% ，所以备受世界关注。 我国必须作出巨大努力，来改变这种状态。192003年全球一次能源消耗结构比例20气候变化/环境污染/节能减排/可再生能源利用最近国外的研究报告指出，在几年内我国将成为温室气体量排放最多的国家 。 世界银行估计， 2020年中国由于空气污染造成的环境和健康损失，将达到GDP总量的13% 。21 太阳能是取之不尽的清洁无公害新能源。 安装1KW太阳能光伏发电系统，每年可以

7、减少CO2排放量6002300 kg、NOx排放量16 kg、SOx排放量9 kg和微粒0.6 kg。 在我国太阳能每发1度电，扣除在生产太阳电池及设备的过程中所消耗的电力，可至少相当于减少CO2排放量1.14kg。 223常规电网存在局限性 现在全球还有将近20亿人口没有用上电，我国在2000年也还有大约3000万人口没有电力供应，其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，由于居住分散，很难用常规电网解决用电问题，没有电力供应严重制约了当地经济的发展。 作为不受区域限制的太阳能，是个理想的补充能源，光伏发电在这些地区大有用武之地，存在着巨大的潜在市场。 23 二. 太阳能发电的特点优点:太阳能

8、取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足全美国的用电需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。24太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。优点:25太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。 太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太

9、阳电池容量，避免了浪费。优点:26地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电。 能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m2。大规模使用时，需要占有较大面积。目前价格仍较贵，初始投资高。（2013年08月30日发改委发出通知：上网电价和补贴标准明确 光伏业迎实质利好 ）缺 点:27三. 太阳能发电的分类太阳能光发电(光伏)太阳能热发电 大致可分为槽式太阳能热发电塔式太阳能热发电碟式太阳能热发电28 槽式太阳能热发电槽式太阳能集热场主要由中高温太阳能真空集热管、抛物线型反射镜、槽式支架、对日跟踪系统以及柔性过渡管构成。29 塔式太阳

10、能热发电30近代太阳塔热发电31 碟式太阳能热发电抛物线面聚光镜镜面框架接受器32四. 太阳能光伏发电的发展历史1839年 19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了 “光生伏打效应”。1877年 亚当斯等在硒片上发现固体光伏效应，并制成了第一个硒光电池。1883年 美国发明家弗里兹描述了第一个用硒片制造的太阳电池。331904年 爱因斯坦发表光电效应论文1916年 密立根提供了光电效应的实验证据1918年波兰科学家切克劳斯基发展了一种单晶硅生长的方法1930年 郎格发表了“新的光伏电池” 同年 肖特基发表 “新的氧化铜光电池”1931年

11、布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电介液，在阳光下带动电动机341932年 奥杜博特等制成第一块”硫化镉”太阳电池1941年 奥尔在硅上发现光伏效应1954年5月美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松宣布仅仅几个月后原来效率为4.5%的硅太阳电池已上升到6%，这是世界上第一个实用的太阳电池35 美国贝尔实验室制成的第一批太阳电池361955年11月霍夫曼电子半导体公司（美国）宣布可提供效率为2%的商业光伏产品， 每个电池14mw，价格为$25， 相当于$1785/W1957年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了8%1958年霍夫曼电子公司硅太阳电池效率达到了9%1958年3月17日 太阳电池首次在空间应用

12、，装备于美国的先锋1号人造卫星，功率为0.1W，面积约100平方厘米。运行了8年371959年霍夫曼电子公司商业应用的光伏电池效率达到了10%同年8月7日发射的探险者6号人造卫星配备了1cm2cm的太阳电池9600片1960年霍夫曼电子公司太阳电池的效率达到了14%1962年7月23日第一个商业通讯卫星发射，功率为14W381962年 砷化镓太阳电池光电转换效率达到了13%1963年 夏普公司生产出了实用的硅光伏组件同年，日本在灯塔上安装了一套当时世界上最大242W的光伏方阵，容量为242W1964年发射的大型气象卫星上装备了470 W光伏方阵391965年 格拉瑟提出了建造空间太阳能电站的设

13、想1966年 发射的天文观察卫星装备了1kw光伏方阵1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达到了 8%；1972年法国在尼日尔乡村学校安装了一套硫化镉光伏系统同年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达到了16%401973年德拉瓦大学建立了世界上第一个光伏与光热混合的户用屋顶系统: “太阳一号” ，实现了并网运行 同年砷化镓太阳电池效率达到15%1974年日本制定了发展光伏的“阳光计划 ” 同年Tyco实验室应用定边喂膜法制成了宽度为1英寸、 18英寸长的的硅带同年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达到18%411976年 多晶硅太阳电池效率达到10%1976年卡尔松等制成了第一个非晶

14、硅太阳电池，在面积3.5平方厘米上效率为1.1%19761985年和19921995年美国NASA刘易斯研究中心项目在世界各地安装了83套不同用途的光伏系统，如为疫苗冷藏、房间照明、通讯、水泵和教室的电视等提供电力421977年世界光伏产量超过了500KW1978年NASA在亚利桑那州巴巴哥印第安人保留区安装了3.5KW光伏系统，为水泵和15户居民提供电力，这是世界上第一个乡村光伏系统,1985年通电网后，该系统专为社区水泵供电同年 美国建成100KW太阳能地面电站431980年单晶硅太阳电池效率达20%；砷化镓太阳电池效率达到22.5%；多晶硅太阳电池效率达到14.5%；硫化镉太阳电池效率达

15、到9.15%同年美国ARCO Solar公司年产量超过1MW441981年5月在沙特阿拉伯吉达安装了8KW用于海水淡化装置1982年世界太阳电池产量超过了9.3MW同年7月在美国达拉斯机场安装了20KW光伏和140KW光热混合系统同年12月美国安装1MW光伏电站，使用了108个双轴跟踪装置451983年功率为1KW的太阳能汽车在澳大利亚用不到20天跑完了4000km ，最大时速72km/h ，平均24km/h同年ARCO Solar公司在美国加州卡利萨平原建成6MW光伏电站，占地120英亩，电力输入太平洋煤气电力公司电网，足够20002500户家庭使用同年世界光伏产量超过21.3MW ，销售额

16、超过2.5亿美元461984年美国萨克拉门托市政公用公司管辖区(SMUD)关闭了核电站后，建成了第一个1MW光伏电站同年英国BP Solar公司在南安普敦建成了30KW并网光伏系统1985年澳大利亚新南威尔士大学马丁格林等研制的硅太阳电池，效率超过了20%471986年6月ARCO Solar公司推出了世界第一个“ G-400”商业薄膜动力用太阳电池组件1990年 德国提出“ 1000个太阳能屋顶”计划，每个屋顶安装35KW太阳电池1992年在南极洲安装了一套0.5kw光伏系统，配备2.4kwh蓄电池，为实验设备，照明，个人电脑，打印机和小型微波炉提供电力481995年 高效聚光砷化镓太阳电池

17、效率达到32%1996年 BP Solar公司宣布碲化镉技术进入商业化生产同年5月7日图森电力公司宣布已具备铜铟硒电池生产能力同年7月世界上第一架太阳能动力飞机穿越德国,机身上安装了3000片高效太阳电池,总面积21平方米491997年 美国提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要安装100万套同年，日本提出“新阳光计划” ，提出到2010年将生产43亿W太阳电池同年， 欧盟提出“百万太阳能屋顶”计划，到2010年要生产37亿W太阳电池1998年单晶硅太阳电池效率达24.7%；全球多单晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池501999年 日本太阳电池产量首次超过美国而居世界第一位2000年

18、 全球太阳电池产量达278MW。日本三洋公司的非晶硅/单晶硅/非晶硅双异质结太阳电池效率超过21%2001年“太阳神号” (Helios)光伏动力飞机飞行高度超过了海拔30km ，创造了新的记录51 历年世界太阳电池产量年份197719821983198419851986198719881989产量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.252532004年世界太阳电池产量54世界光伏应用领域55世界光伏市场的发展562030年世界光伏应用分类预测572003年 主要太阳电池生产公司所占份额 582008年世界前30名太阳电池生产商（MWp）592008年世界前3

19、0名太阳电池生产商（MWp）排名生产厂家产量(MW)排名生产厂家产量(MW)1Q-cell (DE)570.4 16BP Solar (AU,IN,US,ES)156.3 2First Solar (US,DE,ML)504.0 17Schott Solar (DE,US)149.0 3Suntech Power (CH)尚德 （无锡）497.5 18Ersol Solar (DE)143.0 4Sharp (JP)473.0 19REC (NW)132.0 5Kyocera (JP)290.0 20Uni-Solar (US)113.0 6Baoding Yingli (CH)英利 （保定）

20、281.5 21China Sunergy (CH) 中电 （南京）110.9 7JA Solar (CH)晶澳 （扬州等）277.0 22Canadian Solar (CH) 阿特斯 苏州108.0 8Motech (TW)272.0 23Neo Solar (TW)102.0 9Sun Power (PH)236.9 24Changzhou Yijing (CH) 亿晶 常州99.7 10Solar World (US,DE)221.0 25Ningbo Solar (CH) 宁波97.0 11Sanyo (JP)210.0 26Isofoton (ES)96.5 12Trina Sol

21、ar (CH) 天合 （常州）209.0 27E-Ton (TW)95.0 13Solarfun (CH) 林洋 （南通）189.0 28Sovello (DE)94.1 14Mitsubishi Electric (JP,+HEL)188.0 29DelSolar (TW)71.5 15GinTech (TW)180.0 30Jetion Solar (CH) 浚鑫 江阴65.3 合 计6232.6世界前30家光伏企业总产量6.2GW。中国大陆占10家，总产量1935MW；台湾占5家总产量720.5MW。中国大陆加上台湾的产量合计：3500MW，占世界总产量的44%。60五. 中国光伏发电市

22、场的发展 中国于1958年开始进行太阳能光伏发电的研究 1971年首次将太阳电池成功地应用在”东方红二号”人造卫星上 1973年开始将太阳电池应用于地面，在天津港用于航标灯1977年全国太阳电池产量约1.1KW ，价格为200元/W1980年前中国光伏产业发展缓慢，主要应用于高端领域。此后，光伏产业发展纳入国家计划，加大对光伏应用示范项目支持，促进光伏产业发展。61五. 中国光伏发电市场的发展 中国于1958年开始进行太阳能光伏发电的研究 1971年首次将太阳电池成功地应用在”东方红二号”人造卫星上 1973年开始将太阳电池应用于地面，在天津港用于航标灯1977年全国太阳电池产量约1.1KW

23、，价格为200元/W1980年前中国光伏产业发展缓慢，主要应用于高端领域。此后，光伏产业发展纳入国家计划，加大对光伏应用示范项目支持，促进光伏产业发展。62五. 中国光伏发电市场的发展2004年德国“上网电价法”的实施，促进了世界光伏产业的大发展，也催生了一批中国光伏企业。随着，大量民间资本进入光伏产业，在中国政府大力支持下，中国光伏产业取得了快速发展，2007年中国光伏电池产量突破1000MWp，占世界总产量的27.2%，超过日本和欧洲，跃居世界第一大生产国。2007年中国国内光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1%。针对光伏产业与国内市场之间发展的不平衡，2009年3月23日

24、，财政部、住房和城乡建设部出台关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见，并出台了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，这两个文件的出台，对光伏市场的拓展有巨大的促进作用，让国内太阳能光伏企业看到了光明的前景。63五. 中国光伏发电市场的发展近几年来，国家越来越重视光伏产业，相继出台各项鼓励民间企业投资光伏产业的措施和政策，对使用光伏系统的用户或组织实行补助计划，与此同时将光伏发电纳入国家项目。自2011年11月初以来，我国光伏产业的市场端已出现了三次重大事件，分别是美国与欧盟的“双反”以及国内市场大规模启动。“美国、欧盟及我国本土这三大市场占据全球市场总额约70%。 2013年8月6日，

25、中欧光伏“价格承诺”协议正式实施，中欧贸易史上涉案金额最大的贸易摩擦案最终以和解告终，这对行业来说是一大利好消息。 2013年08月30日国家发展和改革委员会发出通知，明确规定了光伏电站标杆上网电价政策以及分布式光伏发电项目的电价补贴标准。专家表示，这相当于给光伏发电企业吃下了“定心丸”，对产业的发展形成重大利好。 64六. 一些国家的”太阳能屋顶计划”1. 美国 1997年6月26日美国总统克林顿宣布，为了达到2012年使温室气体排放量比1990年减少7 的目标，采取的一项重要措施是实施“百万太阳能屋顶计划” ，在2010年前，要在全国的的住宅、学校、商业建筑和政府机关办公楼屋顶上安装100

26、万套太阳能装置，光伏组件累计用量将达到3025MW，产生的电力相当于新建35个燃煤的发电厂。 65 美国百万屋顶计划指标66美国千万屋顶计划指标从2012年开始，将投资2.5亿美元用于“千万屋顶计划”，从2013年2021年，每年将投资5亿美元用于太阳能屋顶计划。2012年2021年，根据一个家庭3KW5KW容量，总安装量达30GW50GW，财政补助方式为工程项目净投入的50%，初始阶段补贴1.75美元/W，到2018年大约0.5美元/W。 此次新增的千万太阳能屋顶计划，是迄今为止规模最大、补贴额度最高的新政策，是态度鲜明的支持光伏产业发展的宣言。预计未来几年市场爆发增长，美国也将成为全球最重

27、要、增长最快的市场。 672. 欧盟 在1997年提出目标到2010年要由可再生能源提供总能源消耗的12%和电力供应的21%。为此在欧盟范围内要安装100万套太阳能光伏发电系统，其中50万套为屋顶并网光伏系统，另外50万套是独立光伏系统，为乡村供电。在 2010年前要累计安装太阳能光伏系统3000MW，大约是1995年产量的100倍，发电量大约2.43.5TWh。683. 德国 在1990年率先宣布并实施“1000屋顶”计划，开始并不顺利，后来政府实行补贴政策，在结束时安装了2056套， 超额完成。在此基础上，1999年开始实施“十万屋顶”计划，实行低息贷款，并且以0.50.6欧元 / KWh的高价收购输入电网的太阳能电力，结果单是在2003年就安装了120 MW ，现在德国的