太阳电池的发展现状与前景展望

• 1986 6月，ARCO Solar发布G-4000—世界首例商用薄膜电池“动力 组件”；
• 1987 11月，在3100公里穿越澳大利亚的Pentax World Solar Challenge PV-动力汽车竞赛上，GM Sunraycer 获胜，平均时速约 为71 km/h；
• 1991 世界太阳电池年产量超过55.3 MW；瑞士Grätzel教授研制的纳
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%;
太阳电池发明人:（1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson
太阳电池的基本理论
• 光电效应现象 • 爱因斯坦的光电效应理论 • 光伏效应 • p-n 结形成和特性 • 太阳电池原理 • 太阳电池等效电路 • 太阳电池效率分析 • 太阳电池的类型 • 太阳电池的发展
太阳电池的发展历史
• 1983 世界太阳电池年产量超过21.3 MW；名为Solar Trek的1 kW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（929 cm2）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Martin Green 研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；
• 1955 西部电工 (Western Electric) 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1785 USD/W； • 1956 P.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；
爱因斯坦的光电效应理论
• 爱因斯坦从普朗克的能量子假设出发，提出光子 (photon)的概念。光子的能量ε= hν（普朗克常数h= 6.626x10-34Js，光子频率ν）。当光照射在金属表面 上，金属表面的一个自由电子从入射光中吸收一个光子 后，就会得到能量hν，如果hν大于电子从金属表面逸 出时所需的逸出功A，这个电子就可从金属表面逸出， 逸出的电子可被称为光电子。
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(Alexander E. Becquerel 1820-1891）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。
（Alexander E. Becquerel 是Henri A. Becquerel (1852-1908)的祖父 。Henri A. 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）
• Dember效应：也称photodiffusion效应，光照射在半导体表面，光 子被吸收产生电子－空穴对，则半导体表面的载流子浓度增加而 向半导体内部扩散，但由于电子与空穴的扩散系数不同，电子与 空穴在空间的分布就不同，因此产生内建电场形成实验可测量到 的Dember电压。一般来说，半导体的Dember效应不是很明显。 如器件的金属接触不是良好的欧姆接触(ohmic contact)，则金属－ 半导体形成的Schottky接触的光伏效应会远远超过纯粹的半导体 的Dember效应。
• W.Schottky 发表“新型氧化亚铜 (Cu2O) 光电池”论文； • 1932 Audobert 和Stora发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象； • 1933 L.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；
• 2002 世界太阳电池年产量超过540 MW；多晶硅太阳电池售价约为 2.2 USD/W；
太阳电池的发展历史
• 2003 太阳电池年产量超过760 MW；德国Fraunhofer ISE的LFC（ Laser－fired contact）晶体硅太阳电池效率达到20%;
• 2004 太阳电池年产量超过1200 MW；德国Fraunhofer ISE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%；
米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel 染料敏化电池转换效率达到10%;
Cell)效率达到7%;1995年纳米TiO2
太阳电池的发展历史
• 1995 世界太阳电池年产量超过77.7 MW；光伏电池安装总量达到 500 MW；
• 1998 世界太阳电池年产量超过151.7 MW；多晶浇铸硅太阳电池产 量首次超过单晶硅；
• 1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒 (Se) 的光伏效应； • 1883 美国发明家Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理； • 1889？弗里兹(Charles Fritts) 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（Albert Einstein）发表关于光电效应
• 1957 Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D.M.Chapin， C.S.Fuller和G.L.Pearson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，0.1 W，为一备用的5毫瓦的话筒供电；
• 1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池；
• 1953 Wayne 州立大学Dan Trivich 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；
• 1954 RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现象； (RCA:Radio Corporation of America, 美国无线电公司)；
太阳能系统研究所
Institute for Solar Energy Systems
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2020/11/30
主要内容
1. 太阳电池的发展历史 2. 太阳电池的基本理论 3. 晶体硅太阳电池的制备工艺 4. 薄膜太阳电池的技术发展 5. 2008年世界光伏产业发展回顾 6. 欧洲主要国家的光伏并网价格 7. 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 8. 太阳电池发展未来 9. 结论与展望
• 1960 Hoffman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14 W； • 1963 Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242
W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470 W的光伏列阵； • 1965 Peter Glaser 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1000 W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，25 mm宽，457 mm长（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定边喂膜生长）； • 1977 世界光伏电池超过500 KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear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1 MW； • 1980 ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1 MW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Solar Challenger 的光伏动力飞机飞行成功；
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பைடு நூலகம்
• 1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜 (Cu/Cu2O) 太阳电池，发表“新 型光伏电池”论文；
• 根据能量守恒定律，爱因斯坦提出光电效应方程: hν=1/2(mvm2)+ A
• ½(mvm2)是光电子的最大初动能。
爱因斯坦的光电效应理论
• 光电效应方程说明三个问题:
• 第一，光电子的初动能与入射光频率之间的线性关系，即入射光的强 度增加时，光子数也增多，因而单位时间内光电子数目也随之增加， 这即可说明饱和电流或光电子数与光的强度之间的正比关系。
• 1999 世界太阳电池年产量超过201.3 MW；美国NREL的 M.A.Contreras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287.7 MW，安装超过1000 MW，标 志太阳能时代到来；
• 2001 世界太阳电池年产量超过399 MW;Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.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3 USD/W；德国人制作PVC太阳电池；
• 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-100 USD;
• 1959 Hoffman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；
光电效应现象
• 光电效应(photoelectric effect) 现象最早在1887年由Heinrich Hertz在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射 电子。
• 光电效应是指金属表面在光的照射下能发射电子，即光电子。但 金属的功函数大部分在3－5 eV之间，因此只有能量是紫外线以上 的光子才能被吸收来产生光电流(photocurrent)，而太阳光中紫外 线以上的辐射只占很小的一部分（ 6－7%)。