太阳电池的发展现状与前景展望.ppt

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shenhui1956 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 1877W G Adams和R E Day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 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 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 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Gr tzel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 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 太阳电池发明人 1954 BellLab DarylM Chapin CalvinS Fuller GeraldL 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 光电效应现象 光电效应 photoelectriceffect 现象最早在1887年由HeinrichHertz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 5eV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 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 ohmiccontact 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 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 h 普朗克常数h 6 626x10 34Js 光子频率 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h 如果h 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 根据能量守恒定律 爱因斯坦提出光电效应方程 h 1 2 mvm2 A 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 第二 假定1 2 mvm2 0 则 0 A h 这表明频率为 0的光子具有发射光电子的最小能量 如果光子频率低于 0 红限 不管光子数目多大 单个光子没有足够的能量去发射光电子 红限相当于电子所吸收的能量全部消耗于电子的逸出功时入射光的频率 第三 当一个光子被吸收时 全部能量就立即被吸收 不需要积累能量的时间 这就说明了光电效应的瞬时发生的问题 由于爱因斯坦发展了普朗克的能量子思想 提出了光子假说 所提出的光电效应方程成功地说明了光电效应的实验规律 从而荣获1921年诺贝尔物理学奖 就对人类的贡献而言 光电效应大于相对论 1921年授奖只字不提相对论 看来诺贝尔奖委员会具有 难得糊涂 的先见之明 光伏效应 光伏效应 photovoltaiceffect 是指半导体表面在光的照射下 光子的能量被吸收 让电子从价带跃迁到导带 一般的半导体的能隙宽度为1 2eV 其可吸收可见光到红外线 另外 在半导体中可以传导的除了带负电的电子外 还有带正电的空穴 这种双极性的导电机制是金属所不具有的 光电化学效应 photoelectrochemicaleffect 也可通过光照产生电压 一般会涉及到电介质和化学反应 染料敏化太阳电池 dye sensitizedsolarcell DSC 就是以此效应为基础的 p n结的形成与特性 半导体中的导电类型 n型硅晶体是指在硅晶体中加入V族元素 如磷 作为施主 donor 提供导带电子 p型硅晶体是指硅晶体中加入III族元素作为受体 acceptor 提供价带空穴 因此 半导体材料中具有四种带电电荷 带负电的电子 带正电的空穴 带负电的受主离子和带正电的施主离子 前两种是可动的 而后两种是不动的 p n结的形成和特性 将p型半导体与n型半导体接触 就形成p n结 junction 在p n结附近 电子会从浓度高的n型区向浓度低的p型区扩散 与此同时 空穴会从浓度高的p型区向浓度低的n型区扩散 结果在p n结附近的区域电中性被打破 即靠近n型区附近产生正电荷区 靠近p型区附近产生负电荷区 两者通称为空间电荷区 spacechargeregion 由于带负电的受主离子和带正电的施主离子都是固体在晶体中的 即形成从n型区指向p型区的内建电场 太阳电池的基本原理 太阳能辐射可以等同于一个表面温度为5800K的黑体辐射 辐射的能量的波长基本上分布在250 2500nm范围 其中紫外线占约6 7 可见光占约46 和红外线占约47 一般来说 利用光电效应也可以制作太阳电池 在金属的光电效应中 光子的能量被吸收 电子从费米能级 Fermienergy 附近跃迁到真空能级 但从理论上分析 金属光电效应的太阳电池的最大转换效率不超过1 实验结果只有0 001 这主要是存在物理限制 即一般金属的功函数大部分都在3 5eV之间 如此只有紫外线的光子才能产生光电流 但太阳光中紫外线仅占很少一部分 因此 利用金属的光电效应制作太阳电池无法进入实际应用 至今为止 实际使用的太阳电池主要是利用半导体的光伏效应制作的 一般的半导体带隙多在1 2eV之间 其可吸收太阳光中的紫外线 可见光到红外线 对晶体硅来说从紫外到部分红外线250 1100nm 太阳电池的基本原理 太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件 1 入射光子能够被吸收产生电子 空穴对2 电子 空穴对在复合前被分离3 分开的电子与空穴能够传输到负载 太阳电池的基本原理 目前占太阳电池的主流地位的是晶体Si太阳电池 实现太阳光到电流转换的核心结构是晶体Si的p n结 在光照下条件下 由于内建 built in 电场的作用 在p n结附近产生的电子 空穴对被分离 电子向n Si区漂移 空穴向p Si区漂移 从而产生从n Si区到p Si区的漂移电流 即所谓的光电流 对于具有n p结构的晶体硅太阳电池而言 产生的光电流方向是从n Si区到p Si区 这正好与一般p n结二极管的正向电流相反 在太阳电池中p n结的空间电荷区的内建电场的作用就是使入射光子产生的电子 空穴对在复合 recombination 之前被分离 并形成光电流通过金属电极 metalcontact 给负载供电 在光照条件下 如果将太阳电池正负级直接连接 即短路 即可都到短路电流 short circuitcurrent 即光电流 如将太阳电池两端不连接任何负载 即开路 即可测得开路电压 open circuitvoltage 开路电压也被称为光电压 photovoltage 这也是光伏 photovoltaics 一词的由来 太阳电池的基本原理 太阳电池的最核心部分是p n结 主要有发射区 空间电荷区和基区组成组成 其中发射区为受光面 通常p n结是通过在一个p Si或n Si基片上通过热扩散形成的 当入射光照上太阳电池上时 在发射区 空间电荷区和基区同时都将产生电子 空穴对 由于发射区和基区为准电中性区域 所形成的光电流为扩散电流 这由少数载流子决定 而多数载流子并不参与导电 在内建电场的作用下 空间电荷区的电子和空穴对光电流都有贡献 形成所谓的漂移电流 以晶体Si的n p型电池为例 在光照下 n Si中的少子 空穴在空间电荷区的附近会向p Si区域扩散形成电流 p Si中的少子 电子在空间电荷区的附近会向n Si区域扩散形成电流 而空间电荷区产生的电子向n Si区域漂移和产生的空穴向p Si区域漂移 这样在三个区域就形成了从n Si到p Si的一致方向的光电流 这就是太阳电池的工作原理 太阳电池的基本原理 除了空间电荷区的电子和空穴要受内建电场的作用外 在发射区和基区的少子由于要穿过空间电荷区也将受到内建电场的作用 在空间电荷区将被加速 由此可见 太阳电池的核心结构是p n结 而p n结中的空间电荷区由施主正离子和受主负离子形成的内建电场是实现电子 空穴分离的最重要的物理条件 综上所述 在太阳光照射下 以光伏效应为基础的太阳电池的光电流主要来自以下三个部分 1 空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流 2 n Si区的少数载流子 空穴所形成的扩散电流 3 p Si区的少数载流子 电子所形成的扩散电流 一般而论 太阳电池 solarcell 是指任何能将太阳光直接转换为电力 electricpower 的器件 这里要强调的直接转换 太阳电池的等效电路 太阳电池的基本结构就是一个大面积的p n结 它的基本特性可借助一个理想二极管的电流 电压关系来分析 理想二结管的电流 电压关系式为 I Is eV VT 1 这一方程确定一条电流 电压关系曲线 如作以x轴为电流 以y轴为电压的一个坐标系 则电流 电压曲线主要分布在第一象限 从零点开始 电流随电压增加呈现单调指数增加 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 正常的二极管的p Si端为正极 n Si端为负极 二极管内电流从在p Si端到n Si端 但太阳电池中的电流方向是从n Si端到p Si端 这正好与二极管相反 太阳电池的理想化等效电路模型 太阳电池的能量转换可用理想化等效电路模型来说明 图中IL是入射光产生的恒流源的强度 恒流源来自太阳辐射所激发的过量载流子 Is是二极管饱和电流 RL是负载电阻 太阳电池的等效电路 相对与二极管 太阳电池在光照情况下产生的光电流IL为负值 即I Is eV VT 1 IL如无光照IL 0 太阳电池就是一个普通的二极管当太阳电池短路 即V 0 则I IL Isc 即光电流就等于短路电流 当太阳电池开路 即I 0 则开路电压为 VOC VTln IL Is 1 相对于二极管的电流 电压关系曲线 太阳电池的电流 电压关系曲线向下移动IL距离 即从第一象限移动到第四象限 但为了简单起见和方便分析 一般将这电流 电压曲线以y轴 电压 为对称轴旋转180度放到第一象限 太阳电池的等效电路 太阳电池电流 电压特性曲线 太阳电池I V特性曲线分析 特征点分析 电路负载为 即太阳电池短路 电压为 但电流达到最大 称为短路电流 此时太阳电池无输出 负载电阻慢慢调大 电压明显增加 电流略小于短路电流 不是太阳电池最佳工作点 负载电阻调到曲线拐点 此时电流和电压值乘积构成曲线下最大矩形面积 此点为最大功率点 为太阳电池最佳工作点 电压略有增加 但电流明显减小 不是太阳电池最佳工作点 负载电阻无穷大 相当于电路开路 电流为 电压达到最大 为开路电压 此时太阳电池无输出 太阳电池的等效电路 太阳电池的输出功率就是电流和电压的乘积 P IV IsV eV VT 1 ILV对于确定的太阳辐射 在太阳电池的电流 电压特性曲线上存在一个最大功率点 为了求出最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作电流值 可对上式进行数学处理 即通过dP dV 0即可得出最大工作电压 Vmax VTIn IL 1 Imax VT 1 由此导出最大工作电流 Imax IsVmaxeVmax VT VT而太阳电池的最大功率即Pmax VmaxImax 太阳电池的等效电路 串连电阻与并联电阻串联电阻 seriesresistance Rs 半导体材料本身 或半导体与金属之间都不可避免存在的电阻 理想的太阳电池的串连电阻为0 实际的太阳电池的串连电阻一般在几 几十 cm以下 并联电阻 shuntresistance Rsh 太阳电池的正负极之间存在不经过p n结的其它导电通道 这样将造成形成漏电流 leakagecurrent 如太阳电池中的产生 复合 generation recombination 电流 表面复合 surface recombination 电流 电池边缘隔离不完全以及金属电极穿透p n结等都将产生漏电流 可用并联电阻来表示太阳电池的漏电流的大小 理想的太阳电池的并联电阻为无穷大 实际的太阳电池的并联电阻为几十 几百 cm以上 太阳电池的等效电路 如考虑串联电阻Rs和并联电阻Rsh的实际存在 太阳电池的电流 电压关系式则可表示为 I Is eV VT 1 V IRs Rsh IL从太阳电池的电流 电压关系曲线上可见 最大功率点所对应的最大工作电压和最大工作电流的乘积 即Pmax VmaxImax 在数值上就等同于一个在曲线下面的矩形图形的面积 而以开路电压和短路电流对应的数值也可确定一个在曲线之上的矩形图形的面积 ISCVOC 和这样来看 太阳电池的电流 电压曲线越充满ISC和VOC组成的矩形图形的面积 即VmaxImax与ISCVOC越接近 表明太阳电池的性能越好 这样就可用定义一个参数即填充系数 fillfactor FF 来描述太阳电池的性能 FF Pmax ISCVOC VmaxImax ISCVOC事实上 填充系数FF即可反映串联电阻和并联电阻对太阳电池的所产生的影响 串联电阻对太阳电池参数的影响 并联电阻对太阳电池参数的影响 太阳电池的效率理论分析 太阳电池的效率 efficiency 是指太阳电池将入射的太阳光的功率转换成最大的电功率的比例 国际标准采用人造光源 并规定三个基本测试条件 1 即光源的能量1000W m2 2 光源光谱分布为AM1 5和3 太阳电池的温度保持在25 太阳电池可定义为 Pmax Pin也可以写为 Pmax Pin FFISCVOC Pin由此可见 要提高太阳电池的效率必须同时增加开路电压 短路电流和填充系数 串联电阻的增加和并联电阻的减少都会减少填充系数 太阳电池的效率理论分析 目前的太阳电池理论就光电转换效率而言分为以下三种情况 单结太阳电池的理论效率为31 多结太阳电池的理论效率为69 热力学所限制的太阳电池的理论效率为85 单结太阳电池 对于太阳光谱的具体情况 从材料角度要得到最高的转换效率 其能隙的宽度为1 35eV最为合适 此时可达到最高的效率为31 对于单晶硅来说 理论上的最高效率可达到28 多结太阳电池 以材料的能隙由小到大的顺序 从太阳电池的受光面依次排列 主要是让高能量的光子先被吸收利用 后吸收低能量光子 以便降低释放声子的几率 即降低热量产生对电池性能的影响 不同的结之间通过隧道二极管联结 tunneldiode 起来 这样 开路电压就等于多个不同能隙的电子 空穴的Fermi能级之差的总和 这也是多能隙的太阳电池有相当高的开路电压的原因 太阳电池的效率理论分析 对于单结电池 只要能量大于半导体带隙的入射光子都可以产生电子 空穴对 光子能量大于带隙的多余部分能量就会产生使所产生的电子 空穴对处于高能态 后又通过释放声子 晶格振动 的方式回到能隙附近 即光子能量多余能隙的部分以释放声子能量的方式 这样将使器件产生热量 从而影响性能 采用多结结构制造电池就是为了避免这样的能带内的能量释放 intrabandenergyrelaxation 然而 多结电池解决不了载流子的能带间的能量释放 interbandenergyrelaxation 即载流子复合过程 有三种可能 光发射 声子发射和俄歇 Auger 过程 俄歇过程是载流子之间的能量交换 只要遏制光发射和声子发射就可阻止载流子能带间的能量释放 但这将造成载流子平均能量升高 则载流子温度升高 即造成热载流子现象 而热载流从理论上也是可以显著提高太阳电池效率的途径之一 晶体硅太阳电池的制备工艺 多晶硅材料西门子工艺 硅烷法晶体生长 硅片单晶 多晶 硅带技术太阳电池自动化 大规模生产技术光伏组件标准组件 建材型组件系统集成并网发电 建筑集合 大型地面电站 晶体硅太阳电池的制备工艺 硅片表面绒化通过湿化学工艺去除硅片表面机械损伤 颗粒附着物等污染物 并形成绒面构造 扩散制结用横向石英管或链式扩散炉 一般用p型硅片进行磷扩散形成n型层 减反射膜制备用PECVD制作SiNx减反膜 PECVD PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition 表面金属化采用丝网印刷 键式炉加热烧结检测分级根据电池效率 分级包装 晶体硅太阳电池的制备工艺 硅片类型多晶硅片为主硅片厚度180 150 120 m电池效率多晶15 17 单晶17 20 生产规模30 60 200 1000MW 薄膜太阳电池的技术发展 太阳电池发展的基本问题 市场情况硅材料90 以上 提高效率和降低成本 材料的选择和工艺优化薄膜太阳电池的技术难点 衬底材料硅 陶瓷 玻璃 塑料 薄膜制备工艺Sol Gel CVD PVD主要薄膜电池产品 非晶硅太阳电池 碲化镉太阳电池 铜铟锡太阳电池 著名薄膜太阳电池企业及产品 薄膜太阳电池的转换效率 非晶硅太阳电池 非晶硅a Si禁带宽度为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C 可得到a SiC 禁带宽度 2 0eV 宽带隙 掺Ge 可得到a SiGe禁带宽度1 7 1 4eV 窄带隙 在太阳光谱的可见光范围内 非晶硅的吸收系数比晶体硅大将近一个数量级 其本征吸收系数高达105cm 1 非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值接近 由于非晶硅材料的本征吸收系数很大 1um厚度就能充分吸收太阳光 厚度不足晶体硅的1 100 可明显节省昂贵的半导体材料S W效应 非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减少 经200度退火2小时可恢复原状 这种现象首先由Stabler和Wronski发现 这是非晶硅材料结构的一种光致亚稳变化效应 即光照是材料产生悬挂键等亚稳缺陷 非晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 非晶硅 短波 与单晶硅 长波 太阳电池光谱响应曲线 铜铟锡太阳电池 铜铟锡太阳电池 安装在北威尔士StAsaph的WelshDevelopmentAgency光学中心由CIS太阳电池组件组成的85kW光伏电站 碲化镉 镉化硫太阳电池 结构特点 CdTe是II VI族化合物 闪锌矿结构 晶格常数a 0 16477nm CdS是II VI族化合物 纤锌矿结构光学性能 直接带隙半导体材料 1 5eV 光谱响应与太阳光谱非常吻合 1 m厚度的薄膜可吸收99 所对应的太阳光能量 CdS 直接带隙半导体材料 2 42eV电学性能 薄膜组分 结构沉积条件 热处理过程对薄膜的电阻和导电类型有很大影响CdTe CdS薄膜太阳电池参数的理论值 开路电压电压Voc 1 05mV 短路电流Jsc30 8mA cm2 填充因子FF 83 7 转换效率约27 尽管和相差10 但他们能形成电性能优良的异质结 碲化镉 镉化硫太阳电池 碲化镉 镉化硫太阳电池 FirstSolarCdTe太阳池组件组成的80kW光伏电站 薄膜太阳电池的机遇与发展 至今为止 薄膜电池未能达到所期望的发展原因 效率 稳定性 价格硅电池长寿命 经长时期应用检验 认可度高薄膜电池优点 薄膜化 大面积是太阳电池发展趋势低成本 柔性电池发展机遇多晶硅薄膜电池有机材料太阳电池 印刷工艺 2008年世界光伏产业发展回顾 全球 2008年太阳电池全球总产量7 35GW 安装6GW四大生产国 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 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 DrArnulfJ ger Waldau 2008年世界光伏产业发展回顾 欧洲 欧盟27国到2008年底光伏安装总量达到9 5GW 其中2008年一年安装4 59GW到2008年底德国安装总量5 3GW 西班牙3 4GW2008年9月欧洲光伏工业协会 EPIA 公布计划 在2020年欧洲12 的电能通过光伏系统提供 这对应420TWh的电量即350GW的光伏系统 为实现此目标 在2009 2020年之间要安装340GW2008生产大国 德国 连续稳定增长2008应用大国 西班牙 突如其来 不稳定意大利 法国的应用以与建筑结合为主 2008年世界光伏产业发展回顾 日本 2008年底光伏安装累计2 15GW2010年预计产能4 5GW2012年预计产能7GW2009年预计安装400MW2010年预计安装总量4 8GW2030年预计安装总量100GW长期的第一生产大国地位被超越 2008年世界光伏产业发展回顾 美国 2008年美国为第三大光伏市场342MW 其中并网292MW 到2008年底累计安装总量1 15GW 其中并网768MW2008年美国本土的太阳电池产量为414MWFirstSolar的CdTe电池 2009年底达到1 1GW产能 但是主要产地在国外 马来西亚790MW 德国198MW 法国100MW以上 1997克林顿签署 OneMillionSolarRoof 计划2006年施瓦辛格在加州签署 MillionSolarRoofsPlan 美国计划到2015年安装5 10GW 2030年安装70 100GW 2008年世界光伏产业发展回顾 中国 2008年太阳电池产量世界第一 2 4GW 0 8GW2008年大陆 50多个电池厂 300多组件厂2009年预计产能8 9GW2010年预计产能12 3GW计划安装总量 到2011年达到2GW 2020年达到20GW但是国内市场太小 生产规模与应用规模巨大反差 2009年建设部 光电建筑计划 是第一次全国性 规模化的并网工程实施 我国光伏发展一里程碑 将青史留名 科技部 金太阳计划 规模应用 欧洲主要国家的光伏并网价格 德国 欧洲主要国家的光伏并网价格 德国 欧洲主要国家的光伏并网价格 西班牙 欧洲主要国家的光伏并网价格 意大利 欧洲主要国家的光伏并网价格 瑞士 欧洲主要国家的光伏并网价格 法国 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 光伏发电技术在城乡推广的主要途径 屋顶计划 光伏建筑集成太阳能屋顶计划发起国 德国日本美国 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 德国 十万屋顶 计划 一千 二万屋顶 德国太阳房或零能耗建筑 1983年一个农村光伏建筑运行至今 情况良好十万屋顶项目 跟踪调研分析政府机构推进发展 德国环境部研究机构强大 研究前沿与实用 与企业合作紧密 产业配套齐全 创新能力强政策有远见 到位 可操作性强 德国光伏上网电价 来源GestoredeiServiziElettrici GSE PHOTON 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 日本 阳光计划 新阳光计划 月光计划 研究机构强大企业基础好 创新能力强 光伏与建筑结合的发展现状与趋势 在日本 作为太阳光发电技术开发的长期战略方针 新能源产业技术综合开发机构 简称NEDO 在2004年制定并发表了2030年的路线图 PV2030 到2030年的目标是 太阳光发电成本由现在的每度46日元 家庭用电价格的大约2倍 降低到与市电同等水平的每度7日元 累计安装量达到102GW 如果太阳电池的安装量达到102GW 一年的发电量将会达到1100亿千瓦时 度 约占日本总用电量的10 这样天气变动引起的输出变动和对电网的影响将随之而来 因此把太阳电池和蓄电技术相结合组成相对独立的发电系统 或者和其他的分散性能源相结合组成混合型系统 从更长远看 氢能源的利用也将会变得更重要 关于光伏建筑结合或一体化 光伏建筑结合概念 光伏发电技术与建筑本身的结合 普通结合 采用标准组件和附着式安装方式 紧密结合 采用光伏建筑构件和镶嵌式安装方式光伏建筑集成 或称一体化 主要采用光伏建筑构件和镶嵌式安装方式 是光伏技术与建筑紧密结合形式 光伏电池作为建筑元素融入建筑本身 关于光伏建筑结合或一体化 光伏建筑组件 双玻璃叠层 根据透光要求 调节电池片之间间隔中空玻璃 要考虑光线折射损失与散热问题光伏电池瓦片 电池可与陶瓷 金属 聚合物等结合光伏外墙瓷砖 通过真空层压或硅酮胶粘接光伏集成屋顶 可用标准组件 通过集成技术形成发电屋顶结构 关于光伏建筑结合或一体化 评论文章来自PhotonDasSolarstrom Magazinp84 93为什么光伏建筑集成发展困难 世界范围内而论 50块组件中只有不到1块用于光伏建筑集成 全球范围只占05 市场份额 原因何在 建筑师缺乏对光伏认识 缺乏相关经验借鉴 缺少合作氛围 缺乏相关的技术标准 关于光伏建筑结合或一体化 与建筑结合 光伏组件必须在发电的同时满足以下条件 代替幕墙或起到屋顶的功能 遮阳 隔音 挡风 遮雨 隔冷 隔热 防火等等光伏建筑集成或光伏建筑一体化 BIPV 即光伏组件除了发电同时满足作为建筑外表面的建筑构件的功能 德国标准 DINVDE0126 21这样的组件可以完美地用于建筑 当然还有安全与外观问题 价格是不是可以接受和寿命能不能与传统建材相比 仍需发展和评估 但是它可以发电产生利润并保护环境 关于光伏建筑结合或一体化 发展希望寄托于年轻建筑师多方面合作至关重要 政府部门 建筑师 规划师 建筑商 施工单位 太阳能光伏建筑设计SolarDesig