《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章

年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5
吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约
8.54吨。
1.1 太阳能资源
世界化石燃料的不断消耗
发展可再生替代能源
2100年64％
太阳能在未来能源结构中占主导地位！
1.1 太阳能资源
世界太阳能资源分布
地球上太阳能资源的分 布与各地的纬度、海拔 高度、地理状况、气候 条件等密切相关。
多晶硅 47.7% 单晶硅 38.3% 非晶硅 5.1% 带硅 1.5% CdTe 6.4% CIGS等 1.0%
中国光伏发展报告
Where is PV？
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳电池在太空的应用----飞船的翅膀
哈勃望远镜
两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦 功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用 的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分， 后部是一个环形舱，在这个舱里面，望远 镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器； 太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。
1.5 太阳电池应用与趋势
光伏建筑一体化是国际发展主流方向
尚德光伏研发中心
1.5 太阳电池应用与趋势
德国，遮阳挡雨，14.2 kW
德国，光伏走廊10 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
荷兰，装饰性光伏屋顶
意大利，外墙装饰，21 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
（1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现
主讲教师：
张兴旺 （1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@ 尹志岗 （5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@ 游经碧 （8-12章：22学时）；82304566，jyou@
课程性质：专业选修课 课时：54课时 考试类型：开卷 成绩计算方式：期末考试 （70%）+小组文献汇报 （30%）
Vanguard I, the first solar powered satellite
1.4 太阳电池发展历程
1961年到1971年：研究重点放在提高抗辐射能力 及降低成本方面。
1972年到1976年：研制出各种空间用单晶硅光伏 电池。20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光 伏电池。
1976年：诺贝尔物理奖授予莫特教授－在非晶态固体中的电子过程， 随后探索出非晶硅光伏电池。
1958：首颗以太阳电池作为信号系统电 源的人造卫星美国先锋I号（Vanguard-I， 效率为9%）卫星发射上天，从此开始了 太阳电池作为空间电源应用的新纪元。
Bell Labs engineer testing solar battery
in 1954
1963：日本Sharp商业化Si电池组件。
2011-2014年全球新增装机量、 我国新增装机量及增长率
2011年全球太阳电池产量达35 GW，新增装机总量30.2 GW。 2012年全球太阳电池产量达36 GW，新增装机总量32 GW。 2013年全球光伏组件产量将达40 GW，新增装机总量36 GW。 2014年全球光伏组件产量将达43 GW，新增装机总量43 GW。
1997年：京都协议签订，将光伏发电的应用推向另一个高峰。 2003年：第二次石油危机，发展可再生能源，无锡尚德等
目前，太阳电池在地面的应用非常广泛，主要集中在照明、通信、 交通等领域。而光伏发电与建筑物的结合（Building Integrated/Attached Photovoltaic）以及并网发电是当今光伏应 用新的趋势。
课程大纲
第一部分：基础知识
第一章：引言 第二章：半导体基础 第三章：P-N结 第四章：太阳能电池基础
第二部分：传统太阳能电池
第五章：晶体硅太阳能电池 第六章：高效III-V族化合物太阳能电池 第七章：硅基薄膜太阳能电池 第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）
第三部分：新型太阳能电池
第九章：有机太阳能电池 第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池 第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等） 第十二章：多结太阳能电池
在
西部丰富的太阳能
人均煤炭可采储量90吨（ 5资4.源9％） 石油可采储量3吨（ 11％ ） 天然气1080立方米（ 4.3％）
必 行 ！
1.2 太阳能的利用方式
1）太阳能光热利用：它的基本原理是将太阳辐射能收集起来， 通过与物质的相互作用转换成热能加以利用；
2）太阳能发电：包括光－热－电利用和光电转换两种，前者 是利用太阳辐射所产生的热能发电；后者是利用半导体材料的 光生伏特效应将太阳光直接转换为电能；
1.1 太阳能资源
1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了 以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性、 有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳 定及安全的重要性。
1.1 太阳能资源
与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战 着人类的忍受极限……
1.3 太阳电池基本工作原理
1.3 太阳电池基本工作原理
半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n结内建 电场作用下分离，从而在p-n结两端产生电动势。
光生伏特效应：指光照使不均匀半 导体或半导体与金属组合的不同部 位之间产生电位差的现象。
p-n结是太阳电池的核心！
1）光子能量大于带隙 2）内建电场
100.0%
80.0%
60.0%
40.0%
20.0%
0.0% 1996
1998
2000
2002
2004
2006
并网光伏发电市场份额逐年增长情况
1.5 太阳电池应用与趋势
光伏发电技术的明天
2012年7月5日，国际能源 署（IEA）发布了《可再 生能源中期市场报告 2012》 太阳能发电到2017年将占到可再生能源发电量的4.9%，其中光伏发电将是增长最快 的，预测期内装机容量将从70 GW提高到230 GW。 但同时，光伏制造业部门还将经历数年的重组阵痛期。政策支持的变动程度将是预测 的一个关键变量。中国（+32 GW）、美国（+21 GW）、德国（+20 GW）、日本 （+20 GW）和意大利（+11 GW）将成为装机量增长最多的国家。
参考书目： 1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》， 科学出版社， 2009年 2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》， 电子工业出版社，2011年 3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年
第一章 引 言
13.1 太阳能资源及其分布 1.2 太阳能的利用方式 13.3 太阳电池工作原理 1.4 太阳电池发展历程 13.5 太阳电池应用与趋势 1.6 中国光伏发电的现状
直接带隙半导体，带隙在1.1~1.7 eV之间； 组成的材料无毒性，在地球上丰度高； 便于制备，并可大面积、薄膜化生产； 有较高的光电转换效率； 较好的力学性能，便于加工； 性能稳定，耐候性好，具有较长的使用寿命。
1.4 太阳电池发展历程
硅占绝对主导地位（92.6%）
中国一次性消费能源构成
当前商用太阳电池的市场份额
1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式
太阳能
核能
地热能
太阳能电池
风能
生物质能
水势能
清洁能源－－光伏发电
最丰富的能源 不存在运输问题 十分清洁的能源
1.1 太阳能资源
太阳------物理参数
太阳------地球生命之源！
太阳------巨大的火球！
表面温度：5760-6000K 中心温度：1.5×107K 日冕层温度：5×106K 质量：1.989×1030kg 太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于 每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量
1.5 太阳电池应用与趋势
（4）较大型光伏电站日益增多，并向并网方向发展
1.5 太阳电池应用与趋势
德国Mühlhausen 6.3 MW平单轴跟踪
9.55 MWp Monte Alto (Milargo) Spain
Arnstein, Germany-12 MWp
1.5 太阳电池应用与趋势
（4）较大型光伏电站日益增多，并向并网方向发展
Electric Field
1.4 太阳电池发展历程
1839年，法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物理学家A.E.贝克勒尔(Becqurel)
用两片金属浸入溶液构成伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势－ “光生伏特效应（photovoltaic effect）”。
1873年，英国科学家Wilough B. Smith
观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光照射下硒导电能力的增加正 比于光通量。
3）光化利用：利用太阳能辐射直接分解水制氢的光－化学转 换方式；
4）光生物利用：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换为 生物质能的过程。目前主要有速生植物（薪炭林、油料作物和 巨型海藻）。
1.2 太阳能的利用方式
光热发电：利用太阳辐射所产生的热能发电。
太阳能发电
光伏发电：利用半导体材料的光生伏特效应 将太阳光能直接转换为电能的一种技术。
1883年，美国科学家Charles Fritts
开发出以硒为基础的光伏电池。
人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为“光伏器件”。 其中，半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高，通 常称这类光伏器件为“光伏电池”。
1.4 太阳电池发展历程
1954：美国贝尔实验室为远程通信系统 寻找可靠电源时，发现掺杂硅对光敏感， 可产生稳定的电压。第一次做出了光电 转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池。
特点 能
解决能源危机 取之不尽、无污染
源
太 阳
角 度
资源丰富
地球表面0.1%的太阳能，转变率5%，每年 发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目 前世界上能耗的40倍
能
的
特点
优
环
改善环境、保护气候 无污染物、废气、噪音的污染
点
境
角 度
节能减排
1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万 kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每
1.3 太阳电池基本工作原理
太阳电池(solar cell)，是一种利用光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。
（1）以p型晶体硅半导体材料为衬底； （2）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层； （3）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极； （4）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极； （5）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构。
全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、 美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸 和中国西部地区等。
1.1 太阳能资源
中国，世界能源 第二大消耗国
中国，二氧化碳 第二大排放国
中国，传统化石 能源匮乏
中国，太阳能 资源极其丰富
中国太阳能资源分布
势
2013年9月，中国已成为世界第一 大石油进口国，进口依存度逼近 60％。
1.4 太阳电池发展历程
按技术成熟程度分为三代
1）晶硅电池： (第一代电池)
单晶硅，多晶硅，带硅，球形电池
2）薄膜电池：（第二代电池）
GaAs，a-Si，CIGS，CdTe， μcSi, 多晶Si
3）新型概念电池：(第三代电池)
多结(带隙递变)电池， 中间带（杂质带，量子点）电池， 上、下转换器电池， 热载流子电池， 有机聚合物电池， 钙钛矿、量子点电池等。
1.5 太阳电池应用与趋势
（2）光伏发电成本逐步下降
生产规模不断扩大、自动化程度持 续提高、技术水平的逐步改进、光 伏市场的有效开拓。
不同种类太阳电池发电成本现状及预测
美国能源部对光伏发电价格的预测
1.5 太阳电池应用与趋势
（3）有效的扶持政策使得光电池产量与装机总量逐年增加
2011-2014年全球太阳能电池产量、 我国太阳能电池产量及增长率
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳能灯
太阳能灯是一种利用太阳能作为能 源的灯，只要阳光充足就可以就地 安装，不受供电线路的影响，不用 开沟埋线，不消耗常规电能，是一 种绿色环保型产品。
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳能车和游艇
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳能电动车
中山大学太阳能系统研究所的 一辆太阳能电动车，外观上， 跟公园的电瓶车一个样，可以 搭乘6名乘客，但是国产的时速 最 高 却 只 有 48 公 里 ， 持 续 行 驶 时间也就1个小时。
1.1 太阳能资源
(世界能源消耗)
3.0 × 1020 joule/y 3.0 × 1024 joule/y (照射到地面的太阳能)
=万分之一！
巨大潜力
我国的太阳能资源
地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤 2007年一次能源26.5亿吨标煤
45.7亿年，>50亿年， 取之不尽、用之不竭
1.1 太阳能资源