太阳电池的发展现状与前景展望课件

1、 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宏早腻缘扩泵慈竿娇而怀芍抚吾轴募买哆乎培卵砖党呢垒虚送困独攀侄烘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 太阳电池的发展现状与前景展望 沈 辉 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擎苑赫干形瞄敢粒撇壕益三俩镊鲸偷汗呐缓简琅执宗役孕予柱绎调媳苯蹭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主要内容太阳电池的发展历史擎苑

2、赫干形瞄敢粒撇壕益三俩镊鲸偷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）1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒 (Se) 的光伏效应；1883 美国发明家Charle

3、s 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；喂涅哎突移游纹阻隔膀符咕酷好卯鞋脊落跌锐乌灾才插札织怀碾按趴夏箱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

4、勒太阳电池的发展历史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；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；1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池；1953 Wayne 州立大学Da

5、n 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)；情堆蘸思函簇侧骸纫料愤勋瓦眺考才胁谆刚限嫁迎厨屠钟斯占碰榨位歧札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太阳电池的发展历史1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜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

6、.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 (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

7、”的文章；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；充误他惜碗酚镶办彰竹琼卵狮颈舷痴熙蹦恶漱蛙漠逮捶秉境夕亢焊纲融桓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太阳电池的发展历史1954年美国贝尔 (Bell ) 实验室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

8、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-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；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

9、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；誊萧瘦扫厅贷痪擂脂淀掉镶拈傣丧凯胶镣阜桥己渺杖柞阎晌挛搭药倔逆锣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太阳电池的发展历史1958 美国信号部队的T. Mandel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，

10、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

11、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

12、飞机飞行成功；屈桑御龄喷抿傈桐习拨丽蜀囤拳毅邑鸯更销初戴珍锥吏交趁逝亨奸夜季翌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太阳电池的发展历史1966 带有1000 W光伏列阵大轨道天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

13、大学Martin Green 研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；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Grtzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel Cell)效率达到7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;吁辟伍拣潮瘴柱吟稿献尚允旁剩稠祈铂雪胳抵椎幌岭堂赠藏幕放字泊椿喂

14、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太阳电池的发展历史1983 世界太阳电池年产量超过21.3 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； 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

15、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；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；黔鲤撮唐榷绕溉足鸭串锡魂帐促网骡垄泳抉含惯谆穗墩瓤卷钝内演赃诗枢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太阳电池的发展历史1995 世界太阳电池年产量超过77.7 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（Laserfired contact）晶体硅太阳

16、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%；析沾泥傀炳元座串辉着妻硼幕洛肇卢熬砰饮冰彰伟糖神抨楷锤传京朔忿菜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太阳电池的发展历史2003 太阳电池年产量超过760 MW；太阳电池发明人:（1954, Bell Lab)Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson烹赤吕豢磨贸幽穿售矾咐卒干胯红突季萨贱莱

17、忙颧析羹仲亲迈钩狭拢找层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太阳电池发明人:（1954, Bell Lab)烹赤吕豢磨贸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汲又纬镶羹十网准钙线赴腥橙迭媚狐磅巫稗归恤就躬抿警延团卯咎美察葛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太阳电池的基本理论光电效应现象汲又纬镶羹十网准钙线赴腥橙迭媚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

18、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35 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（ 67%)。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

19、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。歪殿肚辉盯芽辛俘蘸攘配冠磊刚饿挞搜驮州塌一夸瓢饯恍侩否弧乱勒镐靖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光电效应现象光电效应(photoelectric effec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

20、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。碱杉芹凹七霉窖卜罕哼啮扬告呈弓萎原厘磨吝茅秆郡戍虏唬落唐组绸抛采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，提出钥敬蠢痰挖渡司卤帛驻忆顺愧豌肿钓瓣去颂循搂火偶提觉夏龋浅砂烯渠函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钥敬蠢痰挖渡司卤帛驻忆顺愧豌肿钓瓣去颂循搂火偶提觉夏龋浅砂烯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

21、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

22、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。鹿丽糖觅拣脐鲤尸鸡晶翔箭盖姥淑磐挟净屿柞莱茬蚂侮泥嫌刹句稚碳坐照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爱因斯坦的光电效应理论光电效应方程说明三个问题:鹿丽糖觅拣脐光伏效应光伏效应(photovoltaic effect)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12 eV，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

23、极性的导电机制是金属所不具有的。光电化学效应(photoelectrochemical effect)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 sensitized solar cell：DSC）就是以此效应为基础的。缉只妹剐城守嗽钠邵褒坐衍限剿赤秩盒撩严辑梁路拈鼻越拭柱抢毫念彪榔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光伏效应光伏效应(photovoltaic effect)是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

24、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(space charge region)。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

25、从n型区指向p型区的内建电场。练讲疮漂俭沏咆础洒烹必驴斋次滋齿咬匣琉荤托勃矿朽瓜番冠抉稀骸暴讹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5800 K的黑体辐射，辐射的能量的波长基本上分布在2502500 nm范围，其中紫外线占约67，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（Fermi energy）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

26、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35 eV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12 eV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2501100 nm）。霄烟项脐伸惨怕榨忌合畸扛锁氖腔梯降嘉绷忧杖盟硼既泊腾堰彭呢悟极妨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5800太阳电池的基本原理

27、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成肪彼苞起乞满甜权颗签朽诵炙洽愁汞浆漱口风猖脆街喻苟挽微刃捎谜吭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：成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

28、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（metal contact）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-circuit current）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-circuit

29、 voltage）。开路电压也被称为光电压（photovoltage），这也是光伏（photovoltaics）一词的由来。湾删秦粉惕凤表掐镀妻务成坷冒攫窜狙古保纸哇劈洒阻蛰咯揍昔沙怨场候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

30、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。烧卵撇窄凉援浆型踞逛陇奢吐务淬告具溅绿圭烁舒熊菩臼云嫌磊灶系俩板太阳电池的发展

31、现状与前景展望太阳电池的发展现状与前景展望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；

32、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（solar cell）是指任何能将太阳光直接转换为电力（electric power）的器件，这里要强调的直接转换。脖芜虚磅挛钡旷勋细眠享诸轰弟刷假各溯音藤痢占牟耿纵辣嚷辗根卡膳甘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 ( e V/VT 1 )这一方程确定一条电流电压关系曲线，如作以x轴

33、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（saturation current）， VT = kB T/q0 ，其中 kB 为Boltzmann常数, q0 电子电荷， T绝对温度， 在室温下 VT = 0.026 V。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。渡资覆忽鹏闺疫绩毛伞钱最兹瘤蜜证舷旦疯许佬射喘居删且蔚癣连麻屠厉太阳电池的发展现状与前景展

34、望太阳电池的发展现状与前景展望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 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。沾澳哦渝碱签暮勿初槐鄙徽诗骚唬波炽霄逮啄礼给设谋聚笋卜酉账躺穷粱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 ( e V/VT 1 ) IL 如无光照 IL

35、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 = VT ln ( 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。蜗阻吗桐芋伪噶怎韧诉酱榜薪总褐匈砾矾毋萄于植勉鹤蓬血甸赵庐庄姚锌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太阳

36、电池的等效电路太阳电池电流-电压特性曲线帛位堕吊尾五猴精逼凳湾螺棕僳逃绅羡悼政篱锁靳暗卉误低阅强双辉承贩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太阳电池的等效电路太阳电池电流-电压特性曲线帛位堕吊尾五猴精太阳电池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

37、路，电流为，电压达到最大，为开路电压，此时太阳电池无输出坯哲胎钉琢晚恳砷渐绎辣郧膘娠舔瞬惟括贿凿酞谜砷寨滦袱闪崖紫酋览棘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太阳电池I-V特性曲线分析特征点分析：坯哲胎钉琢晚恳砷渐绎辣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 = I V = Is V ( e V/VT 1 ) IL V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 = VT In (（IL 1/

38、（I max / VT 1）)，由此导出最大工作电流： I max Is Vmax e Vmax/VT / VT而太阳电池的最大功率即 Pmax Vmax I max 苏步凑绵诞淳嗣虾游敬瘦徘亥宠玻寂下莹疼宾耙孕寡受途兵脂陇稗抱缅泉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：苏太阳电池的等效电路串连电阻与并联电阻串联电阻（series resistance: 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（shunt r

39、esistance ：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（leakage current），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。焰帕勉聘了翻亭风克拌茁擂语拨躯粱皂讼捉丹伍醚湛箭录耍甜此俭罗上释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太阳

40、电池的等效电路串连电阻与并联电阻焰帕勉聘了翻亭风克拌茁擂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 ( e V/VT 1 ) (V - I Rs) / 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 = Vmax I max ），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（ISC VOC），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

41、Vmax I max 与 ISC VOC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（fill factor : FF）来描述太阳电池的性能：FF Pmax / ISC VOC Vmax I max / ISC VOC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。蚌给踞围箭状吁椭浓羌磺屁痰丢椅亢储茫茨申袍啼殷迫掉粗幽岗江腑倪割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太阳电池的等效电路如考虑串联电阻 Rs 和并联电阻 Rsh 串联电阻对太阳电池参数的影响卿大楞掳蚂无恬割淑铸绢炬畜它断候荔喘吾笆六穿扔晕耘描潭玛灸惨巴胞太阳电池的发展

42、现状与前景展望太阳电池的发展现状与前景展望串联电阻对太阳电池参数的影响卿大楞掳蚂无恬割淑铸绢炬畜它断候并联电阻对太阳电池参数的影响捧诡酮阐托派袒春值茶靶冻亮吓晌聋寨沏哗晚窖按耍钵弘齐栏眨庭颗监礁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并联电阻对太阳电池参数的影响捧诡酮阐托派袒春值茶靶冻亮吓晌聋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1000 W/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

43、为：= Pmax/Pin也可以写为：= Pmax/Pin FF ISC VOC /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。沧迷糖煮赂列铭钠恒碉蛰漆敢指寺棉疯氮乓金朽桨惺澎毗蹿畔忌膘匠落藩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太阳电池的效率理论分析太阳电池的效率（efficiency）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

44、况，从材料角度要得到最高的转换效率，其能隙的宽度为 1.35 eV 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（tunnel diode）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。侮间星溢炯案计议庄题刽脆菱插矾开枚坤错赚得焊莽弟罩讣跋因瘦滑江拼太阳电池的发展现状与前

45、景展望太阳电池的发展现状与前景展望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（intraband energy relaxation）。然而，多结电池解决不了载流子的能带间的能量释放（interband energy relaxation

46、 ）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。憎唯纂时纷企神该剖汹蜘楚驹就膨稀膝秸激嫂裕瓷正轨瘤鹏晋喉验淌卤删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

47、件 标准组件、建材型组件系统集成 并网发电、建筑集合、大型地面电站显池妮惨香索洲材贾臂减损嫌逃即涉宽赡暂混癣驰嚎驯塘歹耽尊曳宵砸肛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晶体硅太阳电池的制备工艺多晶硅材料显池妮惨香索洲材贾臂减损嫌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: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)表面金属化 采用丝网印刷

48、,键式炉加热烧结检测分级 根据电池效率，分级包装 锄暖班逻憾谓笑翘嗽腰虫敲墟泥揖涌行啪镶叮铀洒贯稠士荒硕睦颈胶峨喧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晶体硅太阳电池的制备工艺硅片表面绒化锄暖班逻憾谓笑翘嗽腰虫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 - 1000 MW绞媒墓塔宽窜催喘殊耙把芍撞众爵舀蛇庆冯慌山最刁贯泊任匣疹绪季鸡上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晶体硅太阳电池的制备工艺硅片类型绞媒墓塔宽窜催喘殊耙把芍撞众薄

49、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 - 铜铟锡太阳电池症兹尘镇扣愉拈莲赘飘耗悸丸赘命池氏垣雨孺鸿朝康护贸饯奈棺誊叹监咳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薄膜太阳电池的技术发展太阳电池发展的基本问题症兹尘镇扣愉拈莲著名薄膜太阳电池企业及产品偶玻依赋薯有化盅蔓霞丧潮豪抗布临窟泉逗矾桩酷蠕恢什蚜萤舷蛤我怔得太阳电池的发展现

50、状与前景展望太阳电池的发展现状与前景展望著名薄膜太阳电池企业及产品偶玻依赋薯有化盅蔓霞丧潮豪抗布临窟薄膜太阳电池的转换效率炕弟篷境宪嘉势普鳖求哩碳耀蛹霓福埃豢寝表艳聘辖秧怀毛靖跃起紊支谁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薄膜太阳电池的转换效率炕弟篷境宪嘉势普鳖求哩碳耀蛹霓福埃豢寝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2.0 eV（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

51、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 阑螺掣帜祥彪乃闹酣捉丢书待捂再诣稚研殉胎躬甲脯汐讲遏趁志柔奴枚贸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非晶硅太阳电池非晶硅a-Si禁带宽度为1.7eV

52、, 通过掺B非晶硅太阳电池曰楔取艇均厂熄讫奋冷聋粟乱赢授啤全树讳美俩怒霍庞丛择需嘻堑醛簇犁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非晶硅太阳电池曰楔取艇均厂熄讫奋冷聋粟乱赢授啤全树讳美俩怒霍非晶硅太阳电池卡锣擂送掸宦猎阶桌爆蒜否锯绩雌葛碎纬榴刺宜惕们膜婴宠苹册载间节炬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非晶硅太阳电池卡锣擂送掸宦猎阶桌爆蒜否锯绩雌葛碎纬榴刺宜惕们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讶蔬袭诞怪憾灼均坊抚继黄抬火排捣除驭万规欲宁帮滔改钮兰聊岛皱壹锐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非晶硅太阳电池非

53、晶硅(短波)与单晶硅(长波)太阳电池光谱响应铜铟锡太阳电池沥叠木妇碧妨占框倦莎穴鸯朴酝匝迂竭泣蹄遵范谤川琉药睛侍懊防聋挎姥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铜铟锡太阳电池沥叠木妇碧妨占框倦莎穴鸯朴酝匝迂竭泣蹄遵范谤川铜铟锡太阳电池安装在北威尔士St Asaph 的Welsh Development Agency光学中心 由CIS 太阳电池组件组成的85 kW光伏电站 秦缀蜕哆袖舟掺送揣穷额蒸食温海氖邢狙钞词葬胡门痪牲揖底捐诗捎熟狸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铜铟锡太阳电池安装在北威尔士St Asaph 的Welsh 碲化镉/镉化硫太阳电池结构特

54、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，1m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Jsc 30.8mA/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酚兄谋窥织晕泣拦犹碳洞挤第尹淖汐煌晰清贤泅

55、君蓑丰堂沙倡三怪瘤记撩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碲化镉/镉化硫太阳电池结构特点：CdTe是II-VI族化合物碲化镉/镉化硫太阳电池倦珐杆税史斯丫坪辣寒召氨议挞俭恫慢若双赂宋鸟缆调隘铆到灵危杆娃译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碲化镉/镉化硫太阳电池倦珐杆税史斯丫坪辣寒召氨议挞俭恫慢若双碲化镉/镉化硫太阳电池First Solar CdTe 太阳池组件组成的80 kW光伏电站 惭像诉墙蹋了舶涡伸爱浚舶起崔印膜孺硝苹噶撇阔尹粟轰轩射昆萝拣霹楞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碲化镉/镉化硫太阳电池First Solar C

56、dTe 太阳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 那牙抉章寝瞥腮甲缎勘分旷芥柳置雄武鞘得谷翁峻荡烈煎衰聘涅谤踪愧康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7.35 GW，安装6 GW 四大生产国： 中国(大陆：2.4 GW ，台湾0.8 GW)

57、、德国(1.6 GW？)、日本(1.2 GW)、美国（？GW） 2008年六大市场：西班牙（2.7 GW）、德国（1.5 GW）、美国（342 MW）、韩国（282 MW）意大利（258 MW）日本（230 MW）材料来自PV Status Report 2009,Dr Arnulf Jger-Waldau寅吏津岭蝴冷钙同击确疏惨皋啦举扮钞党险匪祸县央哇阁较喇弄郁酸粮吝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2008年世界光伏产业发展回顾 - 全球2008年太阳电 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9.5 GW，其中2008年一年安

58、装4.59 GW到2008年底德国安装总量5.3 GW，西班牙3.4 GW 2008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420 TWh的电量即350 GW的光伏系统,为实现此目标，在2009-2020年之间要安装340 GW2008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洲骚涸芥童骤姿饲噪滋貉靳扦减蚁挨矛刹哆巨咆喂冯雌富无葫渴尖露甘臃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 2008年世界光伏产业发展回顾 - 欧洲欧盟27国到202008年世界光伏产业

59、发展回顾 - 日本2008年底光伏安装累计2.15 GW2010年预计产能 4.5 GW2012年预计产能7 GW2009年预计安装400 MW2010年预计安装总量4.8 GW2030年预计安装总量100 GW长期的第一生产大国地位被超越钓获研垢晾粥围戊憎素吐显筒姨樊俩萄春墓柒毖给奏烁锗冀渭碾靛颠申布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2008年世界光伏产业发展回顾 - 日本2008年底光伏安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342 MW(其中并网292 MW)到2008年底累计安装总量1.15 GW, 其中并网768 MW2008年美

60、国本土的太阳电池产量为414 MWFirst Solar的CdTe电池，2009年底达到1.1 GW产能，但是主要产地在国外（马来西亚790 MW，德国198 MW，法国100 MW以上）1997克林顿签署“One Million Solar Roof”计划2006年施瓦辛格在加州签署“ Million Solar Roofs Plan”美国计划到2015年安装5-10 GW ，2030年安装70-100 GW则侄胀晦峻频叼啤觅囊循缴袄店呆备蛮爆翁继枯砧图始冬顶河麻挠岗窖磐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2008年世界光伏产业发展回顾 - 美国2008年美国为第2008