太阳电池的发展现状与前景展望

太阳电池的发展现状与前景展望

沈辉中山大学太阳能系统研究所电力电子及控制技术研究所主要内容

太阳电池的发展历史太阳电池的基本理论晶体硅太阳电池的制备工艺薄膜太阳电池的技术发展2008年世界光伏产业发展回顾欧洲主要国家的光伏并网价格光伏与建筑结合的发展现状与趋势太阳电池发展未来结论与展望太阳电池的发展历史1839年法国实验物理学家亚利山大·柏克勒尔(AlexanderE.Becquerel1820-1891）首次在稀释的酸液体中发现光伏效应,即观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。（AlexanderE.Becquerel是HenriA.Becquerel(1852-1908)的祖父。HenriA.Becquerel由于发现放射性于1903年与居里夫妇一起共同获得诺贝尔物理奖，他的名字被用作放射性的单位）和研究了硒(Se)的光伏效应；1883美国发明家CharlesFritts描述了第一片硒太阳电池的原理；1889？弗里兹(CharlesFritts)发明半导体硒太阳电池,光电转换效率仅为1%,主要用于光电探测等;1905德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文；1918波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺；1921德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖；太阳电池的发展历史1930B.Lang研究氧化亚铜/铜(Cu/Cu2O)太阳电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky发表“新型氧化亚铜(Cu2O)光电池”论文；1932Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象；1933L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜(Cu-Cu2O)整流器和光电池”论文；1949年W.Shockley,J.Bardeen,W.H.Brattain发明晶体管,给出了p-n结物理解释,从此，半导体器件时代开始；1951生长p-n结，实现制备单晶锗电池；1953Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算；1954RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现象；(RCA:RadioCorporationofAmerica,美国无线电公司)；太阳电池的发展历史1954年美国贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的第一个实用的单晶硅p-n结太阳电池的发现，几个月后效率达到6%，几年后达到10%;1954年雷诺慈发现CdS具有光伏效应,1960年采用蒸镀法制得CdS太阳电池,效率为3.5%,1964年美国将效率提高4-6%,欧洲提高到9%;1955西部电工(WesternElectric)开始出售硅光伏技术商业专利；在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳电池产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片，相当于1785USD/W；1956P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章；1957Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；，和获得“太阳能转换器件”专利权；太阳电池的发展历史1958美国信号部队的T.Mandelkorn制成n/p型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100平方厘米，0.1W，为一备用的5毫瓦的话筒供电；1958年开始,单晶硅太阳电池在人造卫星\宇宙飞船\航天飞机等空间飞行器作为供电电源的应用,推动了太阳电池的发展,形成小型产业规模,单晶硅太阳电池市场价格1W-100USD;1959Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片电池列阵，每片2平方厘米,共约20W；1960Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%；1962第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14W；1963Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242W光伏电池列阵，在当时是世界最大的光伏电池列阵；1964宇宙飞船“光轮发射”，安装470W的光伏列阵；1965PeterGlaser和A.D.Little提出卫星太阳能电站构思；太阳电池的发展历史1966带有1000W光伏列阵大轨道天文观察站发射；1971年斯皮尔等人(W.E.Spear)采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功实现对a-Si:H的掺杂，获得n型和p型材料，为器件制造打下了基础；1972法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电；1973美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅；1973世界发生石油危机，唤起人们对可再生能源的兴趣,特别是在地面上大面积使用太阳电池供电,受到各国政府高度重视;1974日本推出光伏发电的“阳光计划”；Tyco实验室生长第一块EFG晶体硅带，25mm宽，457mm长（EFG：EdgedefinedFilmFed-Growth,定边喂膜生长）；1977世界光伏电池超过500KW；和在的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅（a-Si）太阳电池；1977年D.L.Staebler和C.R.Wronski在a-Si:H样品中发现，随光照其光电导和暗电导都显著减少，在150℃退火后又复原，这现象称为S-W效应，目前机理尚不清楚；1979世界太阳电池安装总量达到1MW；1980ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1MW光伏电池生产厂家；三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了a-Si组件批量生产并进行了户外测试；1980年开始,人们注重研究高效率太阳电池,以降低生产成本;1981名为SolarChallenger的光伏动力飞机飞行成功；太阳电池的发展历史1983世界太阳电池年产量超过21.3MW；名为SolarTrek的1kW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000公里；1984面积为1平方英尺（929cm2）的商品化非晶硅太阳电池组件问世；1985,单晶硅太阳电池用于地面供电电源,

太阳电池售价1W-10USD,2000年,1W-2.5USD,2010年美国目标:1W-1USD;澳大利亚新南威尔士大学MartinGreen研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；19866月，ARCOSolar发布G-4000—世界首例商用薄膜电池“动力组件”；198711月，在3100公里穿越澳大利亚的PentaxWorldSolarChallengePV-动力汽车竞赛上，GMSunraycer获胜，平均时速约为71km/h；1991世界太阳电池年产量超过55.3MW；瑞士Grätzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(GraezelCell)效率达到7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;太阳电池的发展历史1995世界太阳电池年产量超过77.7MW；光伏电池安装总量达到500MW；1998世界太阳电池年产量超过151.7MW；多晶浇铸硅太阳电池产量首次超过单晶硅；

1999世界太阳电池年产量超过201.3MW；美国NREL的等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%；非晶硅电池占市场份额12.3%；2000世界太阳电池年产量超过287.7MW，安装超过1000MW，标志太阳能时代到来；2001世界太阳电池年产量超过399MW;WuX.,DhereR.G.,AibinD.S.等报道碲化镉（CdTe）电池效率达到16.4%；单晶硅太阳电池售价约为3USD/W；德国人制作PVC太阳电池；2002世界太阳电池年产量超过540MW；多晶硅太阳电池售价约为2.2USD/W；太阳电池的发展历史2003太阳电池年产量超过760MW；德国FraunhoferISE的LFC（Laser－firedcontact）晶体硅太阳电池效率达到20%;2004太阳电池年产量超过1200MW；德国FraunhoferISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%;非晶硅电池占市场份额4.4%,降为1999年的1/3，CdTe占1.1%;而CIS占0.4%；太阳电池发明明人:（1954,BellLab)DarylM.Chapin,CalvinS.Fuller,GeraldL.Pearson太阳电池的基基本理论光电效应现象象爱因斯坦的光光电效应理论论光伏效应p-n结形成和特性性太阳电池原理理太阳电池等效效电路太阳电池效率率分析太阳电池的类类型太阳电池的发发展光电效应现象象光电效应(photoelectriceffect)现象最早在1887年由HeinrichHertz在从事电磁波波实验时发现现的，即金属属表面在光的的照射下发射射电子。光电效应是指指金属表面在在光的照射下下能发射电子子，即光电子子。但金属的的功函数大部部分在3－5eV之间，因此只只有能量是紫紫外线以上的的光子才能被被吸收来产生生光电流(photocurrent)，而太阳光中紫紫外线以上的的辐射只占很很小的一部分分（6－7%)。Dember效应：也称photodiffusion效应，光照射射在半导体表表面，光子被被吸收产生电电子－空穴对对，则半导体体表面的载流流子浓度增加加而向半导体体内部扩散，，但由于电子子与空穴的扩扩散系数不同同，电子与空空穴在空间的的分布就不同同，因此产生生内建电场形形成实验可测测量到的Dember电压。一般来来说，半导体体的Dember效应不是很很明显。如如器件的金金属接触不不是良好的的欧姆接触触(ohmiccontact)，则金属－半半导体形成成的Schottky接触的光伏伏效应会远远远超过纯纯粹的半导导体的Dember效应。爱因斯坦的的光电效应应理论爱因斯坦从从普朗克的的能量子假假设出发，，提出光子子(photon)的概念。光光子的能量量ε=hν（普朗克常常数h=6.626x10-34Js，光子频率率ν）。当光照照射在金属属表面上，，金属表面面的一个自自由电子从从入射光中中吸收一个个光子后，，就会得到到能量hν，如果hν大于电子从从金属表面面逸出时所所需的逸出出功A，这个电子子就可从金金属表面逸逸出，逸出出的电子可可被称为光光电子。根据能量守守恒定律，，爱因斯坦坦提出光电效应方方程:hν=1/2(mvm2)+A½(mvm2)是光电子的的最大初动动能。爱因斯坦的的光电效应应理论光电效应方方程说明三三个问题:第一，光电电子的初动动能与入射射光频率之之间的线性性关系，即即入射光的的强度增加加时，光子子数也增多多，因而单单位时间内内光电子数数目也随之之增加，这这即可说明明饱和电流流或光电子子数与光的的强度之间间的正比关关系。第二，假定定1/2(mvm2)＝0，则ν0=A/h,这表明频率率为ν0的光子具有有发射光电电子的最小小能量。如如果光子频频率低于ν0（红限），，不管光子子数目多大大，单个光光子没有足足够的能量量去发射光光电子。红红限相当于于电子所吸吸收的能量量全部消耗耗于电子的的逸出功时时入射光的的频率。第三，当一一个光子被被吸收时，，全部能量量就立即被被吸收，不不需要积累累能量的时时间，这就就说明了光光电效应的的瞬时发生生的问题。。由于爱因斯斯坦发展了了普朗克的的能量子思思想，提出出了光子假假说，所提提出的光电电效应方程程成功地说说明了光电电效应的实实验规律，，从而荣获获1921年诺贝尔物物理学奖。。就对人类类的贡献而而言，光电电效应大于于相对论，，1921年授奖只字字不提相对对论，看来来诺贝尔奖奖委员会具具有“难得糊涂”的先见之明明。光伏效应光伏效应(photovoltaiceffect)是指半导体体表面在光光的照射下下，光子的的能量被吸吸收，让电电子从价带带跃迁到导导带。一般的半导导体的能隙隙宽度为1－2eV，其可吸收收可见光到到红外线。。另外，在在半导体中中可以传导导的除了带带负电的电电子外，还还有带正电电的空穴，，这种双极极性的导电电机制是金金属所不具具有的。光电化学效效应(photoelectrochemicaleffect)也可通过光光照产生电电压，一般般会涉及到到电介质和和化学反应应。染料敏敏化太阳电电池(dye––sensitizedsolarcell：DSC）就是以此效效应为基础础的。p-n结的形成与与特性半导体中的的导电类型型：n型硅晶体是是指在硅晶晶体中加入入V族元素（如如磷）作为为施主(donor)，提供导带电电子。p型硅晶体是是指硅晶体体中加入III族元素作为为受体(acceptor)，提供价带空空穴。因此此，半导体体材料中具具有四种带带电电荷：：带负电的的电子，带带正电的空空穴，带负负电的受主主离子和带带正电的施施主离子。。前两种是是可动的，，而后两种种是不动的的。p-n结的形成和和特性：将p型半导体与与n型半导体接接触，就形形成p-n结(junction)。在p-n结附近，电电子会从浓浓度高的n型区向浓度度低的p型区扩散，，与此同时时，空穴会会从浓度高高的p型区向浓度度低的n型区扩散。。结果在p-n结附近的区区域电中性性被打破，，即靠近n型区附近产产生正电荷荷区，靠近近p型区附近产产生负电荷荷区，两者者通称为空空间电荷区区(spacechargeregion)。由于带负电电的受主离离子和带正正电的施主主离子都是是固体在晶晶体中的，，即形成从从n型区指向p型区的内建建电场。太阳电池的的基本原理理太阳能辐射射可以等同同于一个表表面温度为为5800K的黑体辐射射，辐射的的能量的波波长基本上上分布在250－2500nm范围，其中中紫外线占占约6－7％，可见光光占约46％和红外线线占约47％。一般来说，，利用光电电效应也可可以制作太太阳电池。。在金属的的光电效应应中，光子子的能量被被吸收，电电子从费米米能级（Fermienergy）附近跃迁迁到真空能能级。但从从理论上分分析，金属属光电效应应的太阳电电池的最大大转换效率率不超过1％，实验结结果只有0.001％。这主要要是存在物物理限制：：即一般金金属的功函函数大部分分都在3－5eV之间，如此此只有紫外外线的光子子才能产生生光电流，，但太阳光光中紫外线线仅占很少少一部分，，因此，利利用金属的的光电效应应制作太阳阳电池无法法进入实际际应用。至今为止，，实际使用用的太阳电电池主要是是利用半导导体的光伏伏效应制作作的。一般般的半导体体带隙多在在1－2eV之间，其可可吸收太阳阳光中的紫紫外线、可可见光到红红外线（对对晶体硅来来说从紫外外到部分红红外线250－1100nm）。太阳电池的的基本原理理太阳电池作作为光电转转换器件必必须具备的的条件：1.入射光子能能够被吸收收产生电子子－空穴对对2.电子－空穴穴对在复合合前被分离离3.分开的电子子与空穴能能够传输到到负载太阳电池的的基本原理理目前占太阳阳电池的主主流地位的的是晶体Si太阳电池。。实现太阳阳光到电流流转换的核核心结构是是晶体Si的p-n结。在光照照下条件下下，由于内内建（built-in）电场的作作用，在p-n结附近产生生的电子－－空穴对被被分离，电电子向n-Si区漂移，空空穴向p-Si区漂移，从从而产生从从n-Si区到p-Si区的漂移电电流，即所所谓的光电电流。对于于具有n＋/p结构的晶体体硅太阳电电池而言，，产生的光光电流方向向是从n-Si区到p-Si区，这正好好与一般p-n结二极管的的正向电流流相反。在太阳电池池中p-n结的空间电电荷区的内内建电场的的作用就是是使入射光光子产生的的电子－空空穴对在复复合（recombination）之前被分分离，并形形成光电流流通过金属属电极（metalcontact）给负载供供电。在光照条件件下，如果果将太阳电电池正负级级直接连接接，即短路路，即可都都到短路电电流（short-circuitcurrent）即光电流流；如将太太阳电池两两端不连接接任何负载载，即开路路，即可测测得开路电电压（open-circuitvoltage）。开路电电压也被称称为光电压压（photovoltage），这也是是光伏（photovoltaics）一词的由由来。太阳电池的的基本原理理太阳电池的的最核心部部分是p-n结，主要有有发射区、、空间电荷荷区和基区区组成组成成。其中发发射区为受受光面，通通常p-n结是通过在在一个p-Si或n-Si基片上通过过热扩散形形成的。当入射光照照上太阳电电池上时，，在发射区区、空间电电荷区和基基区同时都都将产生电电子－空穴穴对。由于于发射区和和基区为准准电中性区区域，所形形成的光电电流为扩散散电流，这这由少数载载流子决定定，而多数数载流子并并不参与导导电。在内内建电场的的作用下，，空间电荷荷区的电子子和空穴对对光电流都都有贡献，，形成所谓谓的漂移电电流。以晶体Si的n＋/p型电池为例例：在光照照下，n-Si中的少子－－空穴在空空间电荷区区的附近会会向p-Si区域扩散形形成电流；；p-Si中的少子－－电子在空空间电荷区区的附近会会向n-Si区域扩散形形成电流；；而空间电电荷区产生生的电子向向n-Si区域漂移和和产生的空空穴向p-Si区域漂移。。这样在三三个区域就就形成了从从n-Si到p-Si的一致方向向的光电流流。这就是是太阳电池池的工作原原理。太阳电池的的基本原理理除了空间电电荷区的电电子和空穴穴要受内建建电场的作作用外，在在发射区和和基区的少少子由于要要穿过空间间电荷区也也将受到内内建电场的的作用，在在空间电荷荷区将被加加速。由此可见，，太阳电池池的核心结结构是p-n结，而p-n结中的空间间电荷区由由施主正离离子和受主主负离子形形成的内建建电场是实实现电子－－空穴分离离的最重要要的物理条条件。综上所述，，在太阳光光照射下，，以光伏效应应为基础的的太阳电池池的光电流流主要来自自以下三个个部分：1.空间电荷区区的电子和和空穴在内内建电场作作用下形成成的漂移电电流；2.n-Si区的少数载载流子－空空穴所形成成的扩散电电流；3.p-Si区的少数载载流子－电电子所形成成的扩散电电流。一般而论，，太阳电池池（solarcell）是指任何何能将太阳阳光直接转转换为电力力（electricpower）的器件，，这里要强强调的直接接转换。太阳电池的的等效电路路太阳电池的的基本结构构就是一个个大面积的的p-n结，它的基基本特性可可借助一个个理想二极极管的电流流－电压关关系来分析析。理想二结管管的电流－－电压关系系式为：I=Is(eV/VT–1)这一方程确确定一条电电流－电压压关系曲线线，如作以以x轴为电流，，以y轴为电压的的一个坐标标系，则电电流－电压压曲线主要要分布在第第一象限，，从零点开开始，电流流随电压增增加呈现单单调指数增增加。其中：I－电流，V－电压，Is－饱和电流（（saturationcurrent），VT=kBT/q0，其中kB为Boltzmann常数,q0–电子电荷，，T－绝对温度，，在室温下VT=0.026V。正常常的的二二极极管管的的p-Si端为正正极极，，n-Si端为负负极极，，二二极极管管内内电电流流从从在在p-Si端到n-Si端，但但太太阳阳电电池池中中的的电电流流方方向向是是从从n-Si端到p-Si端，这这正正好好与与二二极极管管相相反反。。太阳阳电电池池的的理理想想化化等等效效电电路路模模型型太阳阳电电池池的的能能量量转转换换可可用用理理想想化化等等效效电电路路模模型型来来说说明明。。图图中中IL是入入射射光光产产生生的的恒恒流流源源的的强强度度，，恒恒流流源源来来自自太太阳阳辐辐射射所所激激发发的的过过量量载载流流子子。。Is是二二极极管管饱饱和和电电流流，，RL是负负载载电电阻阻。。太阳阳电电池池的的等等效效电电路路相对对与与二二极极管管，，太太阳阳电电池池在在光光照照情情况况下下产产生生的的光光电电流流IL为负负值值，，即即I=Is(eV/VT–1)––IL如无无光光照照IL＝0，太太阳阳电电池池就就是是一一个个普普通通的的二二极极管管当太太阳阳电电池池短短路路，，即即V=0，则则I＝–IL=Isc，即即光光电电流流就就等等于于短短路路电电流流。。当太太阳阳电电池池开开路路，，即即I＝0，则开开路路电电压压为为：：VOC=VTln(IL/Is＝1)相对对于于二二极极管管的的电电流流－－电电压压关关系系曲曲线线，，太太阳阳电电池池的的电电流流－－电电压压关关系系曲曲线线向向下下移移动动IL距离离，，即即从从第第一一象象限限移移动动到到第第四四象象限限。。但但为为了了简简单单起起见见和和方方便便分分析析，，一一般般将将这这电电流流－－电电压压曲曲线线以以y轴（（电电压压））为为对对称称轴轴旋旋转转180度放放到到第第一一象象限限。。太阳阳电电池池的的等等效效电电路路太阳阳电电池池电电流流-电压压特特性性曲曲线线太阳阳电电池池I-V特性性曲曲线线分分析析特征征点点分分析析：：１－－电电路路负负载载为为００，，即即太太阳阳电电池池短短路路，，电电压压为为００，，但但电电流流达达到到最最大大，，称称为为短短路路电电流流，，此此时时太太阳阳电电池池无无输输出出２－负负载电电阻慢慢慢调调大，，电压压明显显增加加，电电流略略小于于短路路电流流，不不是太太阳电电池最最佳工工作点点３－负负载电电阻调调到曲曲线拐拐点，，此时时电流流和电电压值值乘积积构成成曲线线下最最大矩矩形面面积，，此点点为最最大功功率点点，为为太阳阳电池池最佳佳工作作点４－电电压略略有增增加，，但电电流明明显减减小，，不是是太阳阳电池池最佳佳工作作点５－负负载电电阻无无穷大大，相相当于于电路路开路路，电电流为为０，，电压压达到到最大大，为为开路路电压压，此此时太太阳电电池无无输出出太阳电电池的的等效效电路路太阳电电池的的输出出功率率就是是电流流和电电压的的乘积积：P=IV=IsV(eV/VT–1)––ILV对于确确定的的太阳阳辐射射，在在太阳阳电池池的电电流－－电压压特性性曲线线上存存在一一个最最大功功率点点。为为了求求出最最大功功率点点所对对应的的最大大工作作电压压和最最大工工作电电流值值，可可对上上式进进行数数学处处理，，即通通过dP/dV=0即可得得出最最大工工作电电压：：Vmax=VTIn(（IL＋1/（Imax/VT＝1）)，由此此导出出最大大工作作电流流：Imax＝IsVmaxeVmax/VT/VT而太阳阳电池池的最最大功功率即即Pmax＝VmaxImax太阳电电池的的等效效电路路串连电电阻与与并联联电阻阻串联电电阻（（seriesresistance:Rs）：半导体体材料料本身身、或或半导导体与与金属属之间间都不不可避避免存存在的的电阻阻。理想的的太阳阳电池池的串串连电电阻为为0。实际际的太太阳电电池的的串连连电阻阻一般般在几几－几几十Ωcm以下。。并联电电阻（（shuntresistance：Rsh）：太阳电电池的的正负负极之之间存存在不不经过过p-n结的其其它导导电通通道，，这样样将造造成形形成漏漏电流流（leakagecurrent），如如太阳阳电池池中的的产生生－复复合（（generation-recombination）电流流、表表面复复合（（surface-recombination）电流流、电电池边边缘隔隔离不不完全全以及及金属属电极极穿透透p-n结等都都将产产生漏漏电流流。可可用并并联电电阻来来表示示太阳阳电池池的漏漏电流流的大大小。。理想的的太阳阳电池池的并并联电电阻为为无穷穷大，，实际际的太太阳电电池的的并联联电阻阻为几几十－－几百百Ωcm以上。。太阳电电池的的等效效电路路如考虑虑串联联电阻阻Rs和并联联电阻阻Rsh的实际际存在在，太太阳电电池的的电流流－电电压关关系式式则可可表示示为：：I=Is(eV/VT–1)＋(V-IRs)/Rsh–IL从太阳阳电池池的电电流－－电压压关系系曲线线上可可见，，最大大功率率点所所对应应的最最大工工作电电压和和最大大工作作电流流的乘乘积（（即Pmax=VmaxImax），在在数值值上就就等同同于一一个在在曲线线下面面的矩矩形图图形的的面积积，而而以开开路电电压和和短路路电流流对应应的数数值也也可确确定一一个在在曲线线之上上的矩矩形图图形的的面积积（ISCVOC），和和这样样来看看，太太阳电电池的的电流流－电电压曲曲线越越充满满ISC和VOC组成的的矩形形图形形的面面积，，即VmaxImax与ISCVOC越接近近，表表明太太阳电电池的的性能能越好好。这这样就就可用用定义义一个个参数数即填填充系系数（（fillfactor:FF）来描描述太太阳电电池的的性能能：FF＝Pmax/ISCVOC＝VmaxImax/ISCVOC事实上上，填填充系系数FF即可反反映串串联电电阻和和并联联电阻阻对太太阳电电池的的所产产生的的影响响。串联电电阻对对太阳阳电池池参数数的影影响并联电电阻对对太阳阳电池池参数数的影影响太阳电电池的的效率率理论论分析析太阳电电池的效率率（efficiency）是指太太阳电电池将将入射射的太太阳光光的功功率转转换成成最大大的电电功率率的比比例。。国际际标准准采用用人造造光源源，并并规定定三个个基本本测试试条件件:1.即光源源的能能量1000W/m2，2.光源光光谱分分布为为AM1.5和3.太阳电电池的的温度度保持持在25℃。太阳电电池可可定义义为：：η=Pmax/Pin也可以写写为：η=Pmax/Pin＝FFISCVOC/Pin由此可见见，要提提高太阳阳电池的的效率必必须同时时增加开路电压压、短路路电流和填充系数数。串联电阻阻的增加加和并联联电阻的的减少都都会减少少填充系系数。太阳电池池的效率率理论分分析目前的太太阳电池池理论就就光电转转换效率率而言分分为以下下三种情情况：单结太阳阳电池的的理论效效率为31％；多结太阳阳电池的的理论效效率为69％；热力学所所限制的的太阳电电池的理理论效率率为85％。单结太阳阳电池：对于太太阳光谱谱的具体体情况，，从材料料角度要要得到最最高的转转换效率率，其能能隙的宽宽度为1.35eV最为合适适，此时时可达到到最高的的效率为为31％。对于于单晶硅硅来说，，理论上上的最高高效率可可达到28％。多结太阳阳电池：以材料料的能隙隙由小到到大的顺顺序，从从太阳电电池的受受光面依依次排列列。主要要是让高高能量的的光子先先被吸收收利用，，后吸收收低能量量光子，，以便降降低释放放声子的的几率，，即降低低热量产产生对电电池性能能的影响响。不同同的结之之间通过过隧道二二极管联联结（tunneldiode）起来，，这样，，开路电电压就等等于多个个不同能能隙的电电子－空空穴的Fermi能级之差差的总和和，这也也是多能能隙的太太阳电池池有相当当高的开开路电压压的原因因。太阳电池池的效率率理论分分析对于单结结电池，，只要能能量大于于半导体体带隙的的入射光光子都可可以产生生电子－－空穴对对。光子子能量大大于带隙隙的多余余部分能能量就会会产生使使所产生生的电子子－空穴穴对处于于高能态态，后又又通过释释放声子子（晶格格振动））的方式式回到能能隙附近近，即光光子能量量多余能能隙的部部分以释释放声子子能量的的方式，，这样将将使器件件产生热热量，从从而影响响性能。。采用多多结结构构制造电电池就是是为了避避免这样样的能带带内的能能量释放放（intrabandenergyrelaxation）。然而，多多结电池池解决不不了载流流子的能能带间的的能量释释放（interbandenergyrelaxation）即载流流子复合合过程：：有三种种可能：：光发射射、声子子发射和和俄歇（（Auger）过程，，俄歇过过程是载载流子之之间的能能量交换换。只要要遏制光光发射和和声子发发射就可可阻止载载流子能能带间的的能量释释放，但但这将造造成载流流子平均均能量升升高，则则载流子子温度升升高，即即造成热热载流子子现象。。而热载载流从理理论上也也是可以以显著提提高太阳阳电池效效率的途途径之一一。晶体硅太太阳电池池的制备备工艺多晶硅材材料西门子工工艺、硅硅烷法晶体生长长-硅片单晶、多多晶、硅硅带技术术太阳电池池自动化、、大规模模生产技技术光伏组件件标准组件件、建材材型组件件系统集成成并网发电电、建筑筑集合、、大型地地面电站站晶体硅太太阳电池池的制备备工艺硅片表面面绒化通过湿化化学工艺艺去除硅片表面面机械损损伤、颗颗粒附着着物等污污染物，，并形成成绒面构构造;扩散制结结用横向石石英管或链式扩散炉,一般用p型硅片进进行磷扩扩散形成成n型层;减反射膜膜制备用PECVD制作SiNx减反膜(PECVD:PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)表面金属属化采用丝网网印刷,键式炉加加热烧结结检测分级级根据电池池效率，，分级包包装晶体硅太太阳电池池的制备备工艺硅片类型型多晶硅片片为主硅片厚度度180-150-120μm电池效率率多晶15-17%，单晶17-20%生产规模模30-60-200-1000MW薄膜太阳阳电池的的技术发发展太阳电池池发展的的基本问问题-市场情况况硅硅材料料90%以上-提高效率率和降低低成本-材料的选选择和工工艺优化化薄膜太阳阳电池的的技术难难点-衬底材料料硅硅、、陶瓷、、玻璃、、塑料-薄膜制备备工艺Sol-Gel,CVD,PVD主要薄膜膜电池产产品-非晶硅太太阳电池池-碲化镉太太阳电池池-铜铟锡太太阳电池池著名薄膜膜太阳电电池企业业及产品品薄膜太阳阳电池的的转换效效率非晶硅太太阳电池池非晶硅a-Si禁带宽度度为1.7eV,通过掺B或掺P可得到p型a-Si或n型a-Si;非晶硅掺掺C,可得到a-SiC,禁带宽度度2.0eV（宽带隙隙）;掺Ge,可得到a-SiGe禁带宽度度（窄带隙隙）;在太阳光光谱的可可见光范范围内，，非晶硅硅的吸收收系数比比晶体硅硅大将近近一个数数量级，，其本征征吸收系系数高达达105cm-1;非晶硅太太阳电池池光谱响响应的峰峰值与太太阳光谱谱的峰值值接近；；由于非晶晶硅材料料的本征征吸收系系数很大大，1um厚度就能能充分吸吸收太阳阳光，厚度不足足晶体硅硅的1/100，可明显显节省昂昂贵的半半导体材材料S-W效应：非非晶硅及及其合金金的光暗暗电导率率随光照照时间加加长而减减少，经经200度退火2小时可恢恢复原状状。这种种现象首首先由Stabler和Wronski发现。这这是非晶晶硅材料料结构的的一种光光致亚稳稳变化效效应，即即光照是是材料产产生悬挂挂键等亚亚稳缺陷陷非晶硅太太阳电池池非晶硅太太阳电池池非晶硅太太阳电池池非晶硅(短波)与单晶硅硅(长波)太阳电池池光谱响响应曲线线铜铟锡太太阳电池池铜铟锡太太阳电池池安装在北北威尔士士StAsaph的WelshDevelopmentAgency光学中心心由CIS太阳电池池组件组组成的85kW光伏电站站碲化镉/镉化硫太太阳电池池结构特点点：CdTe是II-VI族化合物物，闪锌锌矿结构构，晶格格常数a=0.16477nm；CdS是II-VI族化合物物，纤锌锌矿结构构光学性能能：直接接带隙半半导体材材料，1.5eV,光谱响应与与太阳光谱谱非常吻合合，1μm厚度的薄膜膜可吸收99%所对应的太太阳光能量量；CdS：直接带隙隙半导体材材料，2.42eV电学性能：：薄膜组分分、结构沉沉积条件、、热处理过过程对薄膜膜的电阻和和导电类型型有很大影影响CdTe/CdS薄膜太阳电电池参数的的理论值：：开路电压电电压Voc=1.05mV；短路电流流Jsc30.8mA/cm2；填充因子子FF=83.7%；转换效率率约27%尽管和相差差10%，但他们能能形成电性性能优良的的异质结碲化镉/镉化硫太阳阳电池碲化镉/镉化硫太阳阳电池FirstSolarCdTe太阳池组件件组成的80kW光伏电站薄膜太阳电电池的机遇遇与发展至今为止，，薄膜电池池未能达到到所期望的的发展原因：效率率、稳定性性、价格硅电池长寿寿命，经长长时期应用用检验，认认可度高薄膜电池优优点：薄膜化、大大面积是太太阳电池发发展趋势低成本、柔柔性电池发展机遇多晶硅薄膜膜电池有机材料太太阳电池-印刷工艺2008年世界光伏伏产业发展展回顾-全球2008年太阳电池池全球总产产量7.35GW，安装6GW四大生产国国：中国(大陆：2.4GW，台湾0.8GW)、德国(1.6GW？)、日本(1.2GW)、美国（？？GW）2008年六大市场场：西班牙（2.7GW）、德国（（1.5GW）、美国（（342MW）、韩国（（282MW）意大利（（258MW）日本（230MW）材料来自PVStatusReport2009,DrArnulfJäger-Waldau2008年世界光伏伏产业发展展回顾-欧洲欧盟27国到2008年底光伏安安装总量达达到9.5GW，其中2008年一年安装装4.59GW到2008年底德国安安装总量5.3GW，西班牙3.4GW2008年9月欧洲光伏伏工业协会会（EPIA）公布计划划：在2020年欧洲12%的电能通过过光伏系统统提供，这这对应420TWh的电量即350GW的光伏系统统,为实现此目目标，在2009-2020年之间要安安装340GW2008生产大国-德国，连续续稳定增长长2008应用大国–西班牙，突突如其来、、不稳定意大利、法法国的应用用以与建筑筑结合为主主2008年世界光伏伏产业发展展回顾-日本2008年底光伏安安装累计2.15GW2010年预计产能能4.5GW2012年预计产能能7GW2009年预计安装装400MW2010年预计安装装总量4.8GW2030年预计安装装总量100GW长期的第一一生产大国国地位被超超越2008年世界光伏伏产业发展展回顾-美国2008年美国为第第三大光伏伏市场342MW(其中并网292MW)到2008年底累计安安装总量1.15GW,其中并网768MW2008年美国本土土的太阳电电池产量为为414MWFirstSolar的CdTe电池，2009年底达到1.1GW产能，但是是主要产地地在国外（（马来西亚亚790MW，德国198MW，法国100MW以上）1997克林顿签署署“OneMillionSolarRoof”计划2006年施瓦辛格格在加州签签署“MillionSolarRoofsPlan”美国计划到到2015年安装5-10GW，2030年安装70-100GW2008年世界光伏伏产业发展展回顾-中国2008年太阳电池池产量世界界第一：2.4GW+0.8GW2008年大陆：50多个电池厂厂，300多组件厂2009年预计产能能8.9GW2010年预计产能能12.3GW计划安装总总量：到2011年达到2GW，2020年达到20GW但是国内市市场太小！！生产规模与与应用规模模巨大反差差！2009年建设部““光电建筑筑计划”是是第一次全全国性、规规模化的并并网工程实实施，我国国光伏发展展一里程碑碑，将青史史留名！科技部“金金太阳计划划”，规模模应用？！！欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-德国欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-德国欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-西班牙欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-意大利欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-瑞士欧洲主要国国家的光伏伏并网价格格-法国光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势光伏发电技技术在城乡乡推广的主主要途径：：屋顶计划、、光伏建筑筑集成太阳能屋顶顶计划发起起国：德国日本美国光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势德国“十万万屋顶”计计划（一一千、二万万屋顶）德国太阳房房或零能耗耗建筑，1983年一个农村村光伏建筑筑运行至今今，情况良良好十万屋顶项项目，跟踪踪调研分析析政府机构推推进发展-德国环境部部研究机构强强大、研究究前沿与实实用、与企企业合作紧紧密、产业配套齐齐全、创新新能力强政策有远见见、到位、、可操作性性强德国光伏上上网电价-来源GestoredeiServiziElettrici(GSE),PHOTON2009设备功率不与建筑结合部分建筑结合完全建筑结合1-2.999kW39.2043.1348.023-19.99kW37.2441.1645.0820kW35.2839.2043.122010设备功率部分建筑结合完全建筑结合1-2.999kW38.4242.2647.063-19.99kW36.5040.3444.1820kW34.5738.4242.26光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势日本“阳光光计划”“新阳光计计划”（（“月光计计划”）研究机构强强大企业基础好好，创新能能力强光伏与建筑筑结合的发发展现状与与趋势在日本，作作为太阳光光发电技术术开发的长长期战略方方针，新能能源产业技技术综合开开发机构（（简称NEDO）在2004年制定并发发表了2030年的路线图图（PV2030）。到2030年的目标是是，太阳光光发电成本本由现在的的每度46日元（家庭庭用电价格格的大约2倍），降低低到与市电电同等水平平的每度7日元，累计计安装量达达到102GW。如果太阳电电池的安装装量达到102GW，一年的发发电量将会会达到1100亿千瓦时（（度），约约占日本总总用电量的的10%，这这样样天天气气变变动动引引起起的的输输出出变变动动和和对对电电网网的的影影响响将将随随之之而而来来。。因此把太阳电电池和蓄电技技术相结合组组成相对独立立的发电系统统，或者和其其他的分散性性能源相结合合组成混合型型系统，从更更长远看，氢氢能源的利用用也将会变得得更重要。关于光伏建筑筑结合或一体体化光伏建筑结合合概念-光伏发电技术术与建筑本身身的结合-普通结合-采用标准组件件和附着式安安装方式-紧密结合-采用光伏建筑筑构件和镶嵌嵌式安装方式式光伏建筑集成成（或称一体体化）：主要采用光伏伏建筑构件和和镶嵌式安装装方式，是光光伏技术与建筑紧密结合合形式，光伏伏电池作为建建筑元素融入入建筑本身关于光伏建筑筑结合或一体体化光伏建筑组件件：双玻璃叠层：：根据透光要要求，调节电电池片之间间间隔中空玻璃：要要考虑光线折折射损失与散散热问题光伏电池瓦片片：电池可与与陶瓷、金属属、聚合物等等结合光伏外墙瓷砖砖：通过真空空层压或硅酮酮胶粘接光伏集成屋顶顶：可用标准准组件，通过过集成技术形形成发电屋顶结构关于光伏建筑筑结合或一体体化评论文章来自自PhotonDasSolarstrom–Magazinp84-93为什么光伏建建筑集成发展展困难？世界范围内而而论，50块组件中只有有不到1块用于光伏建建筑集成（全全球范围只占占05.%市场份额）原因何在：建筑师缺乏对对光伏认识；；缺乏相关经验验借鉴；缺少合作氛围围；缺乏相关的技技术标准关于光伏建筑筑结合或一体体化与建筑结合，，光伏组件必必须在发电的的同时满足以以下条件：代替幕墙或起起到屋顶的功功能；遮阳、隔音、、挡风、遮雨雨、隔冷、隔隔热、防火等等等光伏建筑集成成或光伏建筑筑一体化（BIPV）：即光伏组件除除了发电同时时满足作为建建筑外表面的的建筑构件的的功能，德国国标准-DINVDE0126-21这样的组件可可以完美地用用于建筑，当当然还有安全全与外观问题题，价格是不不是可以接受受和寿命能不不能与传统建建材相比，仍仍需发展和评评估，但是它它可以发电产产生利润并保保护环境。关于光伏建筑筑结合或一体体化发展希望寄托托于年轻建筑筑师多方面合作至至关重要：政府部门、建建筑师、规划划师、建筑商商、施工单位位太阳能光伏建建筑设计SolarDesign光伏发电系统统在老建筑、、城市和农村村的应用英格丽特·赫曼斯杜佛克克丽斯斯提那·儒博著沈辉褚褚玉芳王王丹萍译张原陈陈维校目录

前言太阳能建筑PVACCEPT:研究项目应用领域造型和构造创新的太阳电电池和组件成功的实际范范例-光伏屋顶-光伏幕墙-在城市的应用用-在农村的应用用光伏技术基础础图片说明前言主动太阳能利利用在最近的的时间是备受受关注的课题题。太阳能发发电设备（光光伏设备）在在新建建筑上上利用的可能能性，不管是是技术上还是是造型上都毫毫无问题，但但是对于在已有建建筑再利用光光伏，从建筑筑学的视角来来看往往是不不满意的。为为了将含有标标准、彩色、、材料和装饰饰元素的现代代技术器件与与老建筑和纪纪念碑实现对对接，因而从从创新起步是是必要的。在此两位女建建筑师想要通通过此书与对对太阳能建筑筑感兴趣的建建筑师、专业业工程师、建建筑商、建筑筑管理部门的的代理、城镇镇管理机构实实现对话，使使他们能够对对于新型构造造的光伏发电电设备在已有有建筑、老建建筑周边和农农村应用的可可能性有所了了解。各各式各各样的应用和和方案以及创创新的构造的的光伏组件被被介绍，并且且对光伏系统统的功能和组组成进行了简简要地说明。。本书的重点点是对超过30多个各式各样样的和以极高高美学质量建建造的应用实实例的描述。。本书实际证明明光伏发电设设备可以多种种多样和可以以被作为建筑筑构件使用。。本书还将贡贡献于，正常常地美学保护护与光伏利用用引入老建筑筑和纪念性保保护的建筑的的协调，以及及使得建筑学学家、投资人人和纪念建筑筑保护者对于于这种环境友友好技术构成成的松弛的和和创新的环境境的产生灵感感。发展光伏与建建筑结合的若若干建议光伏生产要首首先满足自用用城市发展以屋屋顶为主，新新建筑光伏建建筑集成一体化概念：：建材型、设设计、施工光伏建材化研研究产业分工：材料、器件、、系统、应用用、检测、评评价发展光伏与建建筑结合的若若干建议-启动光伏“十十万屋顶计划划”或“百万万屋顶计划””制定光伏上网网补助价格我国发展光伏伏最关键问题题！！！-制定光伏发电电中长期发展展规划、目标标，2010年：0.1%；2020年：1%；2030年：10%（欧盟国家2020年：12%）建立国家级测测试评估实验验室，长期跟跟踪测试，对对各类电池的的经济型、技技术性、稳定定性以及地方方适应性表现现给于客观评评估，成立太太阳能建筑设设计、规划研研究机构和人人才培训太阳电池的未未来发展晶体硅电池为为主流－第一一代（硅片为为基础）－单晶硅－多晶硅薄膜太阳电池池－第二代－非晶硅－铜铟（镓））硒或铜铟（（镓）硫新型高效太阳阳电池－第三三代（概念））－多结电池－非晶－晶体体结合太阳电池的未未来发展多个结太阳电电池（光谱分分段利用）单光子激发多多对电子－空空穴对（多激激发）中间带隙（分分步激发）热载流子太阳阳电池黑体辐射的频频谱转换（上上移、下移和和集中）其它类型太阳阳电池（热光光伏电池、敏敏化、有机））太阳电池的未未来发展多结太阳电池池的转换效率率理论计算太阳电池的未未来发展太阳电池实现现最发电模式式－光子与电子子的转换（简简洁）－光子器件，，最佳的和技技术；太阳电池存在在问题－效率与成本本－高纯硅材料料短缺－薄膜电池问问题第三代太阳电电池太阳电池发电电发展前景广广阔－未来主要的的发电形式问题与展望并网电价出台台是推广光伏伏应用的关键键所在知识宣传-广泛开展光伏伏发电科普教教育人才培养-技工、中专、、本科（目前前主要是研究究生）中山大学硕士士点“光伏技术与应应用”大专教育：新新余职业技术术学院、乐山职业技术术学院、从业资质-设计、安装工工程技术人员员产品质量-材料、器件、、系统测试和和评价施工质量-评估和认证