太阳能电池原理与设计 课件 第1章 太阳能电池发展概况

主讲：XXX第1章太阳能电池发展概况CONTENTS目录PART

01PART

02PART

03PART

04太阳能利用技术及其发展历史太阳能电池技术概况太阳能电池技术的挑战我国光伏产业的发展历程Part.01太阳能利用技术及其发展历史太阳能利用技术及其发展历史01太阳能是太阳以电磁波的形式向宇宙空间发射的能量，是地球上生命和气候系统的主要能量来源。地球接收到的太阳辐射的能量强度取决于多个因素，包括太阳高度角、日地距离以及日照时间等。太阳常数是描述地球接收太阳辐射强度的一个物理量，它指的是在地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，其值约为1367W/m2。地球的最大横截面积约为127400000km2，因此可算得整个地球接收到的功率约为1.74×1017W。简单地换算一下，太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨煤释放的能量，而全球人类目前每年能源消费的总和只相当于太阳在40分钟内照射到地球表面的能量。由此可见，地球接收的太阳能量十分巨大，具有极大的利用潜力。太阳能简介太阳能利用技术及其发展历史01太阳辐射到达地球大气层后，会经过云层、空气和水汽等的反射、散射和吸收，强度会显著减弱。大约30%的太阳辐射能直接以短波形式反射回宇宙空间，23%被大气吸收，仅有47%左右的能量到达地球表面，成为人类在地球上可开发利用的太阳能资源。尽管地球只接收到太阳总辐射能量的一小部分，但这已经远远超过了人类目前每年所用的各种类型能源的总和，而且这如此巨大的能量是免费且取之不尽用之不竭的。因此，对太阳能的利用是人类一直所追求的。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。几千年来，人们以各种方式利用太阳的能量。太阳能简介太阳能利用技术及其发展历史01太阳能利用技术分为无源和有源两种。无源技术如利用太阳光照明、取暖，无需额外装置；有源技术如太阳能光伏、光热转换等，需特定设备。目前主要应用形式为光热利用和光伏利用。无源技术示例：太阳光照明有源技术示例：太阳能热水器有源技术示例：太阳能电池太阳能利用技术太阳能利用技术及其发展历史01在太阳能光热利用的历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明了世界上第一台太阳能驱动的发动机算起。早期的太阳能光热利用装置几乎全部采用聚光方式收集阳光用于加热水，并利用水蒸气作为工作工质输出机械能，这种光热转换发动机功率不大、价格昂贵、实用价值不大。直至聚光太阳能热发电技术的出现，才使得太阳能光热利用真正具备使用价值。该技术利用大规模的定日镜组成阵列，将太阳辐射反射并积聚到吸热塔顶部的吸热器对内部工质（无机盐）进行加热，再通过热交换，驱动蒸汽涡轮发动机发电。光热利用技术太阳能利用技术及其发展历史01在1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔（EdmondBecquerel）发现，用两片半导体浸入电解质溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，这种现象后来被称为“光生伏特效应”，是太阳能光伏技术的物理基础。光伏利用技术发展史1883年，美国发明家查尔斯·弗里茨（CharlesFritts）通过把金属硒和薄片的铂组装在一起，实现了将光能转换成电能，转换率为1%，这标志着太阳能电池的诞生。但是，由于制造成本过高、能量转换效率太低，该发明并没有得到商业化应用。1932年，奥杜博特和斯托拉制成了第一块硫化镉太阳能电池；1941年，贝尔实验室的研究员奥尔在硅上发现光伏效应。1954年，贝尔实验室的三位科学家——乔宾（DarylChapin）、皮尔森（GeraldPearson）和福勒（CalvinFuller），终于发明出第一块具有实用价值的太阳能电池。该电池的光电转换效率虽然只有4%，但它标志着太阳能电池的商业化应用正式拉开帷幕。太阳能利用技术及其发展历史01由于成本高、效率低，太阳能电池在最初几年的发展主要集中在卫星应用方面。1958年，先锋1号(Vanguard1)在美国海军研究实验室管理的一个项目框架内发射，是第一颗使用太阳能供电的无线电的卫星。几年后，第一颗商业通信卫星电星1号（Telstar1）由贝尔电话实验室的一个团队设计和建造，并于1962年由美国宇航局发射，由3600个太阳能电池供电，总功率为14瓦。从20世纪70年代开始，随着第四次中东战争爆发，石油价格飙升，能源危机的突然降临使世界各国察觉到可再生能源的重要性，人们开始把光伏发电的应用转移到民生领域。1973年，世界第一座光伏住宅在美国建成；1979年，全球太阳能电池的安装总量达到了1MW；20世纪80年代，光伏开始应用于地面电力系统。全球各地的电池产量随着光伏应用规模的扩大也在不断提升，到1995年全球太阳能电池年产量已超过77.7MW，总装机量更是高达500MW。光伏逐渐成为大众化应用的技术之一，也成为一种主要的可再生能源发电形式。光伏利用技术发展史太阳能利用技术及其发展历史0120世纪末期，随着光伏市场的不断扩大，一些国家和地区开始出台政策，鼓励和支持光伏的发展和应用。同时，科学家们对太阳能电池性能的优化工作一直都没有停止，太阳能电池生产成本逐步下降，电池效率逐渐提升，光伏发电成为最为经济实惠的能源选择。时至今日，光伏已然成为全球能源供应的重要组成部分。国际能源机构IEA在2024年4月28日发布的全球光伏市场数据显示：全球光伏累计装机容量从2022年的1.2TW增长到2023年的1.6TW，2023年新增光伏装机容量从2022年的236GW增至446GW。从1979年的1MW，短短44年，数据已经证明了光伏的发展速度。在电池技术方面，也早已从10年前多晶硅与单晶硅之争，升级到P型与N型的共赢，而硅也不再是光伏发电可利用的唯一材料，钙钛矿、叠层电池等一系列更具发展潜力的电池技术正在市场化发展中不断完善。光伏利用技术发展史太阳能电池技术概况Part.02太阳能电池技术概况02太阳能电池的研究和发展一直在继续，重点是新材料和先进的电池设计：材料设计上主要是通过不同的工艺和方法，调控材料对光的反应和吸收。研究人员一直在寻找性能好、易于获得且生产成本低的材料，发展出了包括硅的各种类型（单晶硅、多晶硅和非晶硅）、III-V族半导体、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿、有机物、量子点等在内的各种材料。电池型式设计方面，发展出衬底式和薄膜式电池。衬底式太阳能电池是利用整片特定材料的衬底来制造的太阳能电池，如常见的单晶硅电池、多晶硅电池。薄膜式太阳能电池则利用薄膜状的半导体材料作为光吸收层，这些薄膜通常附着在其他材料的基板上。根据太阳能电池使用的材料和技术，太阳能电池技术的发展可以分为三个世代：第一代太阳能电池：晶体硅太阳能电池第三代太阳能电池：先进太阳能电池第二代太阳能电池：薄膜太阳能电池太阳能电池技术概况02晶体硅太阳能电池光电转换效率的理论极限值为29.43%。实际中，多晶硅太阳能电池效率在15%-18%之间，单晶硅太阳能电池光电转换效率可达20%-26%（晶体硅太阳能电池光电转换效率平均在20%左右，因此20%的光电转换效率也成为了更新世代的太阳能电池光电转换效率的标准。）在此基础上，研究人员持续创新，开发新电池结构以提升效率和降低成本：包括开发新的电池结构如选择性发射极电池和钝化接触太阳能电池（如TOPCon、HJT、IBC等）。随着新材料和新技术的不断涌现，晶体硅太阳能电池的效率和成本效益有望进一步提升，以适应未来的能源需求和环境保护目标。材料与工艺晶体硅太阳能电池使用高纯度硅材料，包括单晶硅和多晶硅。其生产工艺成熟，涉及硅材料提纯、切割、制绒、掺杂和封装等步骤，成本低、效率高，占据全球光伏市场大部分份额。单晶硅电池组件多晶硅电池组件效率与发展第一代太阳能电池：晶体硅太阳能电池第二代太阳能电池：薄膜太阳能电池太阳能电池技术概况02薄膜太阳能电池的效率通常低于晶体硅太阳能电池，但随着技术的进步，一些薄膜太阳能电池的效率已经达到了相当高的水平。例如，铜铟镓硒电池和碲化镉电池的实验室效率已分别达到22.3%和16%以上，具备了市场化的潜力。然而，一些材料存在毒性，且光致衰退问题影响其长期性能和可靠性，限制了其大规模应用。但是，薄膜太阳能电池可以应用于许多特殊的场合，如：应用在承载力较小的工业厂房作为分布式电站，应用在建筑物立面、采光顶作为建筑光伏一体化（BIPV），应用在农业大棚、车棚等，是晶体硅太阳电池的重要补充。材料与特点薄膜太阳能电池使用非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等材料，具有轻薄、柔性、制造成本低等优点，可应用于特殊场合，如建筑物立面、农业大棚等，但面临稳定性和环境问题。BIPV薄膜太阳电池效率与发展第三代太阳能电池：先进太阳能电池太阳能电池技术概况02三代太阳能电池使用的材料范围非常广泛，包括有机材料、无机材料、纳米材料等，这些材料的组合超越了传统硅基太阳能电池的结晶和非结晶形态，其典型代表有钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、多结太阳能电池等。通过材料和界面的创新设计，第三代太阳能电池已经取得了显著的进展，但稳定性和长期运行寿命仍是这些新型太阳能电池需要解决的关键问题。概念第三代太阳能电池结合了有机化学、纳米技术、分子工程等多个学科的技术，很难用一个可涵盖这一代太阳能电池特点的单一名词来描述它，因此第三代太阳能电池被笼统地称为先进太阳能电池或新型太阳能电池，代表了光伏技术的新前沿。多结太阳电池钙钛矿太阳电池材料与发展第三代太阳能电池：先进太阳能电池太阳能电池技术概况02三代太阳能电池使用的材料范围非常广泛，包括有机材料、无机材料、纳米材料等，这些材料的组合超越了传统硅基太阳能电池的结晶和非结晶形态，其典型代表有钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、多结太阳能电池等。通过材料和界面的创新设计，第三代太阳能电池已经取得了显著的进展，但稳定性和长期运行寿命仍是这些新型太阳能电池需要解决的关键问题。类型与发展01钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池使用有机金属卤化物半导体作为吸光层材料，具有高载流子迁移率、强光吸收等特点，实验室效率超25%，但商业化面临稳定性、大面积制备技术和环境健康问题。02染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池模拟植物光合作用原理，制造成本低、环保，可在柔性衬底上制造。其理论光电转换效率低于硅太阳能电池，实际效率可达13%，但长期稳定性仍需提升。03有机太阳能电池有机太阳能电池基于光生伏特效应，使用共轭聚合物等材料，具有可溶液加工、柔性、半透明等特性，光电转换效率超19%，在建筑一体化、可穿戴设备等领域有应用潜力。04多结太阳能电池多结太阳能电池利用多层不同禁带宽度的半导体材料吸收不同波长光子，提高光电转换效率，实验室效率超30%，但制备工艺复杂，生产成本高，限制了大规模商业应用。类型与特点太阳能电池技术的挑战Part.03太阳能电池技术的挑战03晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池面临能量转化效率提升瓶颈，进一步提高效率需突破现有技术局限，如开发新电池结构、优化材料和工艺等。新型太阳能电池有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等新型电池虽效率提升显著，但仍低于晶体硅太阳能电池，需进一步研究材料和界面工程以提高效率。效率提升瓶颈03成本问题太阳能电池生产成本虽下降，但在一些地区和应用场景中，与传统能源相比仍较高，限制了其广泛应用。降低成本需优化生产工艺、提高生产效率和规模效应。稳定性与寿命有机太阳能电池在空气、水和光照条件下易分解，钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气敏感，影响其稳定性和寿命。需研发新型材料和封装技术以提高稳定性。成本与稳定性问题太阳能电池技术的挑战03环境与系统集成挑战环境影响退役太阳能电池的回收和再利用是建立循环经济的关键。一些太阳能电池材料含有毒性，如铅、镉等，生产时需注意环保，研发无毒或低毒材料。系统集成与电网兼容性随着太阳能发电比例增加，如何将其有效集成到现有电网中，提高电网对可再生能源的兼容性，是技术挑战。需研发智能电网技术和储能系统以解决间歇性和波动性问题。太阳能电池技术的挑战我国光伏产业的发展历程Part.04我国光伏产业的发展历程04技术引进1958年，我国研制出首块硅单晶，光伏技术最初集中在空间领域。1975年，太阳能电池厂落地，光伏技术开始应用于地面。1983-1987年，我国引进太阳能电池生产线，生产能力逐步提升。起步阶段04市场化初期政策与技术发展1992年，我国提出因地制宜开发和推广太阳能，光伏发电主要用于通信系统和边远无电地区。当时我国单晶硅电池效率达12%-13%，多晶硅电池为9%-10%，非晶硅电池在5%-6%。我国光伏产业的发展历程04产业化发展光伏新能源企业崛起2001年，施正荣成立无锡尚德公司，建立太阳能电池生产线，标志着中国光伏产业向大规模生产转型。此后，我国第一批光伏企业纷纷建立生产线，生产力持续增长。我国光伏产业的发展历程04技术突破与成本下降技术与政策支持2004年，我国自主研发的多晶硅还原炉技术取得突破。2005年，《中华人民共和国可再生能源法》通过，为光伏产业发展奠定基础。2007年，我国成为太阳能电池产量最大的国家。我国光伏产业的发展历程04国际竞争与“双反”挑战应对挑战2011年，美国和欧盟对中国光伏产品发起“双反”调查，中国光伏企业面临出口挑战。国家加大对光伏产业扶持，调整产业结构，鼓励技术创新和升级，推出政策支持国内市场发展。我国光伏产业的发展历程04国内市场扩张政策推动2013年，国务院印发《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，推动分布式光伏发电市场和光伏电站建设。我国光伏终端应用市场井喷，新增光伏装机量跃居世界第一。我国光伏产业的发展历程04技术创新突破封锁技术领先2015年，我国掌握万吨级改良西门子法多晶硅生产工艺，单晶及多晶电池产业化效率处于全球领先水平。我国在光伏产业链各环节具备成套供应能力，部分