太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

沈輝中山大學太陽能系統(tǒng)研究所電力電子及控制技術(shù)研究所shenhui1956@163.com

太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

沈輝主要內(nèi)容

太陽電池的發(fā)展歷史太陽電池的基本理論晶體硅太陽電池的制備工藝薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢太陽電池發(fā)展未來結(jié)論與展望主要內(nèi)容

太陽電池的發(fā)展歷史太陽電池的發(fā)展歷史1839年法國實驗物理學家亞利山大·柏克勒爾(AlexanderE.Becquerel1820-1891）首次在稀釋的酸液體中發(fā)現(xiàn)光伏效應,即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強度變化的現(xiàn)象。（AlexanderE.Becquerel是HenriA.Becquerel(1852-1908)的祖父。HenriA.Becquerel由于發(fā)現(xiàn)放射性于1903年與居里夫婦一起共同獲得諾貝爾物理獎，他的名字被用作放射性的單位）1877W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效應；1883美國發(fā)明家CharlesFritts描述了第一片硒太陽電池的原理；1889？弗里茲(CharlesFritts)發(fā)明半導體硒太陽電池,光電轉(zhuǎn)換效率僅為1%,主要用于光電探測等;1905德國物理學家愛因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)表關(guān)于光電效應的論文；1918波蘭科學家Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝；1921德國物理學家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎；太陽電池的發(fā)展歷史1839年法國實驗物理學家亞利山大·柏克勒太陽電池的發(fā)展歷史1930B.Lang研究氧化亞銅/銅(Cu/Cu2O)太陽電池，發(fā)表“新型光伏電池”論文；W.Schottky發(fā)表“新型氧化亞銅(Cu2O)光電池”論文；1932Audobert和Stora發(fā)現(xiàn)硫化鎘(CdS)的光伏現(xiàn)象；1933L.O.Grondahl發(fā)表“銅-氧化亞銅(Cu-Cu2O)整流器和光電池”論文；1949年W.Shockley,J.Bardeen,W.H.Brattain發(fā)明晶體管,給出了p-n結(jié)物理解釋,從此，半導體器件時代開始；1951生長p-n結(jié)，實現(xiàn)制備單晶鍺電池；1953Wayne州立大學DanTrivich博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個理論計算；1954RCA實驗室的P.Rappaport等報道硫化鎘(CdS)的光伏現(xiàn)象；(RCA:RadioCorporationofAmerica,美國無線電公司)；太陽電池的發(fā)展歷史1930B.Lang研究氧化亞銅/銅太陽電池的發(fā)展歷史1954年美國貝爾(Bell)實驗室研究人員D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson報道4.5%效率的第一個實用的單晶硅p-n結(jié)太陽電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月后效率達到6%，幾年后達到10%;1954年雷諾慈發(fā)現(xiàn)CdS具有光伏效應,1960年采用蒸鍍法制得CdS太陽電池,效率為3.5%,1964年美國將效率提高4-6%,歐洲提高到9%;1955西部電工(WesternElectric)開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利；在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為2%的商業(yè)太陽電池產(chǎn)品，電池為14毫瓦/片，25美元/片，相當于1785USD/W；1956P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder發(fā)表“鍺和硅p-n結(jié)電子電流效應”的文章；1957Hoffman電子的單晶硅電池效率達到8%；D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)；太陽電池的發(fā)展歷史1954年美國貝爾(Bell)實驗室太陽電池的發(fā)展歷史1958美國信號部隊的T.Mandelkorn制成n/p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要；Hoffman電子的單晶硅電池效率達到9%；第一個光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒1號發(fā)射，光伏電池100平方厘米，0.1W，為一備用的5毫瓦的話筒供電；1958年開始,單晶硅太陽電池在人造衛(wèi)星\宇宙飛船\航天飛機等空間飛行器作為供電電源的應用,推動了太陽電池的發(fā)展,形成小型產(chǎn)業(yè)規(guī)模,單晶硅太陽電池市場價格1W-100USD;1959Hoffman電子實現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達到10%，并通過用網(wǎng)柵電極來顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險家6號發(fā)射，共用9600片電池列陣，每片2平方厘米,共約20W；1960Hoffman電子實現(xiàn)單晶硅電池效率達到14%；1962第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星Telstar發(fā)射，所用的太陽電池功率14W；1963Sharp公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝242W光伏電池列陣，在當時是世界最大的光伏電池列陣；1964宇宙飛船“光輪發(fā)射”，安裝470W的光伏列陣；1965PeterGlaser和A.D.Little提出衛(wèi)星太陽能電站構(gòu)思；太陽電池的發(fā)展歷史1958美國信號部隊的T.Mandel太陽電池的發(fā)展歷史1966帶有1000W光伏列陣大軌道天文觀察站發(fā)射；1971年斯皮爾等人(W.E.Spear)采用輝光放電法分解硅烷(SiH4)制得氫化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功實現(xiàn)對a-Si:H的摻雜，獲得n型和p型材料，為器件制造打下了基礎；1972法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學校安裝一個硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電；1973美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅；1973世界發(fā)生石油危機，喚起人們對可再生能源的興趣,特別是在地面上大面積使用太陽電池供電,受到各國政府高度重視;1974日本推出光伏發(fā)電的“陽光計劃”；Tyco實驗室生長第一塊EFG晶體硅帶，25mm寬，457mm長（EFG：EdgedefinedFilmFed-Growth,定邊喂膜生長）；1977世界光伏電池超過500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n結(jié)的工作基礎上制成世界上第一個非晶硅（a-Si）太陽電池；1977年D.L.Staebler和C.R.Wronski在a-Si:H樣品中發(fā)現(xiàn)，隨光照其光電導和暗電導都顯著減少，在150℃退火后又復原，這現(xiàn)象稱為S-W效應，目前機理尚不清楚；1979世界太陽電池安裝總量達到1MW；1980ARCO太陽能公司是世界上第一個年產(chǎn)量達到1MW光伏電池生產(chǎn)廠家；三洋電氣公司利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計算器，接著完成了a-Si組件批量生產(chǎn)并進行了戶外測試；1980年開始,人們注重研究高效率太陽電池,以降低生產(chǎn)成本;1981名為SolarChallenger的光伏動力飛機飛行成功；太陽電池的發(fā)展歷史1966帶有1000W光伏列陣大軌道天太陽電池的發(fā)展歷史1983世界太陽電池年產(chǎn)量超過21.3MW；名為SolarTrek的1kW光伏動力汽車穿越澳大利亞，20天內(nèi)行程達到4000公里；1984面積為1平方英尺（929cm2）的商品化非晶硅太陽電池組件問世；1985,單晶硅太陽電池用于地面供電電源,

太陽電池售價1W-10USD,2000年,1W-2.5USD,2010年美國目標:1W-1USD;澳大利亞新南威爾士大學MartinGreen研制單晶硅的太陽電池效率達到20%；19866月，ARCOSolar發(fā)布G-4000—世界首例商用薄膜電池“動力組件”；198711月，在3100公里穿越澳大利亞的PentaxWorldSolarChallengePV-動力汽車競賽上，GMSunraycer獲勝，平均時速約為71km/h；1991世界太陽電池年產(chǎn)量超過55.3MW；瑞士Gr?tzel教授研制的納米TiO2染料敏化太陽電池(GraezelCell)效率達到7%;1995年納米TiO2染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率達到10%;太陽電池的發(fā)展歷史1983世界太陽電池年產(chǎn)量超過21.3太陽電池的發(fā)展歷史1995世界太陽電池年產(chǎn)量超過77.7MW；光伏電池安裝總量達到500MW；1998世界太陽電池年產(chǎn)量超過151.7MW；多晶澆鑄硅太陽電池產(chǎn)量首次超過單晶硅；

1999世界太陽電池年產(chǎn)量超過201.3MW；美國NREL的M.A.Contreras等報道銅銦錫（CIS）電池效率達到18.8%；非晶硅電池占市場份額12.3%；2000世界太陽電池年產(chǎn)量超過287.7MW，安裝超過1000MW，標志太陽能時代到來；2001世界太陽電池年產(chǎn)量超過399MW;WuX.,DhereR.G.,AibinD.S.等報道碲化鎘（CdTe）電池效率達到16.4%；單晶硅太陽電池售價約為3USD/W；德國人制作PVC太陽電池；2002世界太陽電池年產(chǎn)量超過540MW；多晶硅太陽電池售價約為2.2USD/W；太陽電池的發(fā)展歷史1995世界太陽電池年產(chǎn)量超過77.7太陽電池的發(fā)展歷史2003太陽電池年產(chǎn)量超過760MW；德國FraunhoferISE的LFC（Laser－firedcontact）晶體硅太陽電池效率達到20%;2004太陽電池年產(chǎn)量超過1200MW；德國FraunhoferISE多晶硅太陽電池效率達到20.3%;非晶硅電池占市場份額4.4%,降為1999年的1/3，CdTe占1.1%;而CIS占0.4%；太陽電池的發(fā)展歷史2003太陽電池年產(chǎn)量超過760MW；太陽電池發(fā)明人:（1954,BellLab)DarylM.Chapin,CalvinS.Fuller,GeraldL.Pearson太陽電池發(fā)明人:（1954,BellLab)太陽電池的基本理論光電效應現(xiàn)象愛因斯坦的光電效應理論光伏效應p-n結(jié)形成和特性太陽電池原理太陽電池等效電路太陽電池效率分析太陽電池的類型太陽電池的發(fā)展太陽電池的基本理論光電效應現(xiàn)象光電效應現(xiàn)象光電效應(photoelectriceffect)

現(xiàn)象最早在1887年由HeinrichHertz在從事電磁波實驗時發(fā)現(xiàn)的，即金屬表面在光的照射下發(fā)射電子。光電效應是指金屬表面在光的照射下能發(fā)射電子，即光電子。但金屬的功函數(shù)大部分在3－5eV之間，因此只有能量是紫外線以上的光子才能被吸收來產(chǎn)生光電流(photocurrent)，而太陽光中紫外線以上的輻射只占很小的一部分（

6－7%)。Dember效應：也稱photodiffusion效應，光照射在半導體表面，光子被吸收產(chǎn)生電子－空穴對，則半導體表面的載流子濃度增加而向半導體內(nèi)部擴散，但由于電子與空穴的擴散系數(shù)不同，電子與空穴在空間的分布就不同，因此產(chǎn)生內(nèi)建電場形成實驗可測量到的Dember電壓。一般來說，半導體的Dember效應不是很明顯。如器件的金屬接觸不是良好的歐姆接觸(ohmiccontact)，則金屬－半導體形成的Schottky接觸的光伏效應會遠遠超過純粹的半導體的Dember效應。光電效應現(xiàn)象光電效應(photoelectriceffec愛因斯坦的光電效應理論愛因斯坦從普朗克的能量子假設出發(fā)，提出光子(photon)的概念。光子的能量ε=hν（普朗克常數(shù)h=6.626x10-34Js，光子頻率ν）。當光照射在金屬表面上，金屬表面的一個自由電子從入射光中吸收一個光子后，就會得到能量hν，如果hν大于電子從金屬表面逸出時所需的逸出功A，這個電子就可從金屬表面逸出，逸出的電子可被稱為光電子。根據(jù)能量守恒定律，愛因斯坦提出光電效應方程:hν=1/2(mvm2)+A?(mvm2)是光電子的最大初動能。愛因斯坦的光電效應理論愛因斯坦從普朗克的能量子假設出發(fā)，提出太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望課件愛因斯坦的光電效應理論光電效應方程說明三個問題:第一，光電子的初動能與入射光頻率之間的線性關(guān)系，即入射光的強度增加時，光子數(shù)也增多，因而單位時間內(nèi)光電子數(shù)目也隨之增加，這即可說明飽和電流或光電子數(shù)與光的強度之間的正比關(guān)系。第二，假定1/2(mvm2)＝0，則ν0=A/h,這表明頻率為ν0的光子具有發(fā)射光電子的最小能量。如果光子頻率低于ν0（紅限），不管光子數(shù)目多大，單個光子沒有足夠的能量去發(fā)射光電子。紅限相當于電子所吸收的能量全部消耗于電子的逸出功時入射光的頻率。第三，當一個光子被吸收時，全部能量就立即被吸收，不需要積累能量的時間，這就說明了光電效應的瞬時發(fā)生的問題。由于愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子思想，提出了光子假說，所提出的光電效應方程成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律，從而榮獲1921年諾貝爾物理學獎。就對人類的貢獻而言，光電效應大于相對論，1921年授獎只字不提相對論，看來諾貝爾獎委員會具有“難得糊涂”的先見之明。愛因斯坦的光電效應理論光電效應方程說明三個問題:光伏效應光伏效應(photovoltaiceffect)是指半導體表面在光的照射下，光子的能量被吸收，讓電子從價帶躍遷到導帶。一般的半導體的能隙寬度為1－2eV，其可吸收可見光到紅外線。另外，在半導體中可以傳導的除了帶負電的電子外，還有帶正電的空穴，這種雙極性的導電機制是金屬所不具有的。光電化學效應(photoelectrochemicaleffect)也可通過光照產(chǎn)生電壓，一般會涉及到電介質(zhì)和化學反應。染料敏化太陽電池(dye–sensitizedsolarcell：DSC）就是以此效應為基礎的。光伏效應光伏效應(photovoltaiceffect)是p-n結(jié)的形成與特性半導體中的導電類型：n型硅晶體是指在硅晶體中加入V族元素（如磷）作為施主(donor)，提供導帶電子。p型硅晶體是指硅晶體中加入III族元素作為受體(acceptor)，提供價帶空穴。因此，半導體材料中具有四種帶電電荷：帶負電的電子，帶正電的空穴，帶負電的受主離子和帶正電的施主離子。前兩種是可動的，而后兩種是不動的。p-n結(jié)的形成和特性：將p型半導體與n型半導體接觸，就形成p-n結(jié)(junction)。在p-n結(jié)附近，電子會從濃度高的n型區(qū)向濃度低的p型區(qū)擴散，與此同時，空穴會從濃度高的p型區(qū)向濃度低的n型區(qū)擴散。結(jié)果在p-n結(jié)附近的區(qū)域電中性被打破，即靠近n型區(qū)附近產(chǎn)生正電荷區(qū)，靠近p型區(qū)附近產(chǎn)生負電荷區(qū)，兩者通稱為空間電荷區(qū)(spacechargeregion)。由于帶負電的受主離子和帶正電的施主離子都是固體在晶體中的，即形成從n型區(qū)指向p型區(qū)的內(nèi)建電場。p-n結(jié)的形成與特性半導體中的導電類型：n型硅晶體是指在硅晶太陽電池的基本原理太陽能輻射可以等同于一個表面溫度為5800K的黑體輻射，輻射的能量的波長基本上分布在250－2500nm范圍，其中紫外線占約6－7％，可見光占約46％和紅外線占約47％。一般來說，利用光電效應也可以制作太陽電池。在金屬的光電效應中，光子的能量被吸收，電子從費米能級（Fermienergy）附近躍遷到真空能級。但從理論上分析，金屬光電效應的太陽電池的最大轉(zhuǎn)換效率不超過1％，實驗結(jié)果只有0.001％。這主要是存在物理限制：即一般金屬的功函數(shù)大部分都在3－5eV之間，如此只有紫外線的光子才能產(chǎn)生光電流，但太陽光中紫外線僅占很少一部分，因此，利用金屬的光電效應制作太陽電池無法進入實際應用。至今為止，實際使用的太陽電池主要是利用半導體的光伏效應制作的。一般的半導體帶隙多在1－2eV之間，其可吸收太陽光中的紫外線、可見光到紅外線（對晶體硅來說從紫外到部分紅外線250－1100nm）。太陽電池的基本原理太陽能輻射可以等同于一個表面溫度為5800太陽電池的基本原理太陽電池作為光電轉(zhuǎn)換器件必須具備的條件：1.入射光子能夠被吸收產(chǎn)生電子－空穴對2.電子－空穴對在復合前被分離3.分開的電子與空穴能夠傳輸?shù)截撦d太陽電池的基本原理太陽電池作為光電轉(zhuǎn)換器件必須具備的條件：太陽電池的基本原理目前占太陽電池的主流地位的是晶體Si太陽電池。實現(xiàn)太陽光到電流轉(zhuǎn)換的核心結(jié)構(gòu)是晶體Si的p-n結(jié)。在光照下條件下，由于內(nèi)建（built-in）電場的作用，在p-n結(jié)附近產(chǎn)生的電子－空穴對被分離，電子向n-Si區(qū)漂移，空穴向p-Si區(qū)漂移，從而產(chǎn)生從n-Si區(qū)到p-Si區(qū)的漂移電流，即所謂的光電流。對于具有n＋/p結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池而言，產(chǎn)生的光電流方向是從n-Si區(qū)到p-Si區(qū)，這正好與一般p-n結(jié)二極管的正向電流相反。在太陽電池中p-n結(jié)的空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場的作用就是使入射光子產(chǎn)生的電子－空穴對在復合（recombination）之前被分離，并形成光電流通過金屬電極（metalcontact）給負載供電。在光照條件下，如果將太陽電池正負級直接連接，即短路，即可都到短路電流（short-circuitcurrent）即光電流；如將太陽電池兩端不連接任何負載，即開路，即可測得開路電壓（open-circuitvoltage）。開路電壓也被稱為光電壓（photovoltage），這也是光伏（photovoltaics）一詞的由來。太陽電池的基本原理目前占太陽電池的主流地位的是晶體Si太太陽電池的基本原理太陽電池的最核心部分是p-n

結(jié)，主要有發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)組成組成。其中發(fā)射區(qū)為受光面，通常p-n

結(jié)是通過在一個p-Si

或

n-Si基片上通過熱擴散形成的。當入射光照上太陽電池上時，在發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)同時都將產(chǎn)生電子－空穴對。由于發(fā)射區(qū)和基區(qū)為準電中性區(qū)域，所形成的光電流為擴散電流，這由少數(shù)載流子決定，而多數(shù)載流子并不參與導電。在內(nèi)建電場的作用下，空間電荷區(qū)的電子和空穴對光電流都有貢獻，形成所謂的漂移電流。以晶體Si

的n＋/p型電池為例：在光照下，n-Si中的少子－空穴在空間電荷區(qū)的附近會向p-Si

區(qū)域擴散形成電流；p-Si

中的少子－電子在空間電荷區(qū)的附近會向

n-Si區(qū)域擴散形成電流；而空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子向n-Si

區(qū)域漂移和產(chǎn)生的空穴向p-Si

區(qū)域漂移。這樣在三個區(qū)域就形成了從n-Si到p-Si的一致方向的光電流。這就是太陽電池的工作原理。太陽電池的基本原理太陽電池的最核心部分是p-n結(jié)，主要有太陽電池的基本原理除了空間電荷區(qū)的電子和空穴要受內(nèi)建電場的作用外，在發(fā)射區(qū)和基區(qū)的少子由于要穿過空間電荷區(qū)也將受到內(nèi)建電場的作用，在空間電荷區(qū)將被加速。由此可見，太陽電池的核心結(jié)構(gòu)是p-n

結(jié)，而p-n

結(jié)中的空間電荷區(qū)由施主正離子和受主負離子形成的內(nèi)建電場是實現(xiàn)電子－空穴分離的最重要的物理條件。綜上所述，在太陽光照射下，以光伏效應為基礎的太陽電池的光電流主要來自以下三個部分：

1.

空間電荷區(qū)的電子和空穴在內(nèi)建電場作用下形成的漂移電流；

2.n-Si

區(qū)的少數(shù)載流子－空穴所形成的擴散電流；

3.p-Si

區(qū)的少數(shù)載流子－電子所形成的擴散電流。一般而論，太陽電池（solarcell）是指任何能將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電力（electricpower）的器件，這里要強調(diào)的直接轉(zhuǎn)換。太陽電池的基本原理除了空間電荷區(qū)的電子和空穴要受內(nèi)建電場的作太陽電池的等效電路太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積的p-n

結(jié)，它的基本特性可借助一個理想二極管的電流－電壓關(guān)系來分析。理想二結(jié)管的電流－電壓關(guān)系式為：

I=Is(eV/VT

–1)這一方程確定一條電流－電壓關(guān)系曲線，如作以x軸為電流，以y軸為電壓的一個坐標系，則電流－電壓曲線主要分布在第一象限，從零點開始，電流隨電壓增加呈現(xiàn)單調(diào)指數(shù)增加。

其中：

I－電流，V－電壓，Is－飽和電流（saturationcurrent），

VT=kBT/q0

，其中

kB

為Boltzmann常數(shù),q0

–電子電荷，

T－絕對溫度，

在室溫下

VT=0.026V。正常的二極管的p-Si端為正極，n-Si端為負極，二極管內(nèi)電流從在

p-Si端到n-Si端，但太陽電池中的電流方向是從n-Si端到p-Si端，這正好與二極管相反。太陽電池的等效電路太陽電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積的p-n太陽電池的理想化等效電路模型

太陽電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等效電路模型來說明。圖中IL是入射光產(chǎn)生的恒流源的強度，恒流源來自太陽輻射所激發(fā)的過量載流子。Is是二極管飽和電流，RL是負載電阻。太陽電池的理想化等效電路模型

太陽電池的能量轉(zhuǎn)換可用理想化等太陽電池的等效電路相對與二極管，太陽電池在光照情況下產(chǎn)生的光電流IL為負值，即I=Is(eV/VT

–1)–IL

如無光照IL＝0，太陽電池就是一個普通的二極管當太陽電池短路，即V=0，則I＝–IL=Isc

，即光電流就等于短路電流。當太陽電池開路，即I＝0，則開路電壓為：VOC=VTln(IL/Is

＝1)相對于二極管的電流－電壓關(guān)系曲線，太陽電池的電流－電壓關(guān)系曲線向下移動IL距離，即從第一象限移動到第四象限。但為了簡單起見和方便分析，一般將這電流－電壓曲線以y軸（電壓）為對稱軸旋轉(zhuǎn)180度放到第一象限。太陽電池的等效電路相對與二極管，太陽電池在光照情況下產(chǎn)生的光太陽電池的等效電路太陽電池電流-電壓特性曲線太陽電池的等效電路太陽電池電流-電壓特性曲線太陽電池I-V特性曲線分析特征點分析：１－電路負載為０，即太陽電池短路，電壓為０，但電流達到最大，稱為短路電流，此時太陽電池無輸出２－負載電阻慢慢調(diào)大，電壓明顯增加，電流略小于短路電流，不是太陽電池最佳工作點３－負載電阻調(diào)到曲線拐點，此時電流和電壓值乘積構(gòu)成曲線下最大矩形面積，此點為最大功率點，為太陽電池最佳工作點４－電壓略有增加，但電流明顯減小，不是太陽電池最佳工作點５－負載電阻無窮大，相當于電路開路，電流為０，電壓達到最大，為開路電壓，此時太陽電池無輸出太陽電池I-V特性曲線分析特征點分析：太陽電池的等效電路太陽電池的輸出功率就是電流和電壓的乘積：P=IV=IsV(eV/VT

–1)–ILV對于確定的太陽輻射，在太陽電池的電流－電壓特性曲線上存在一個最大功率點。為了求出最大功率點所對應的最大工作電壓和最大工作電流值，可對上式進行數(shù)學處理，即通過dP/dV=0即可得出最大工作電壓：Vmax=VT

In(（IL

＋1/（Imax/VT

＝1）)，由此導出最大工作電流：

Imax＝IsVmax

eVmax/VT/VT而太陽電池的最大功率即Pmax＝Vmax

Imax太陽電池的等效電路太陽電池的輸出功率就是電流和電壓的乘積：太陽電池的等效電路串連電阻與并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻（seriesresistance:Rs）：半導體材料本身、或半導體與金屬之間都不可避免存在的電阻。理想的太陽電池的串連電阻為0。實際的太陽電池的串連電阻一般在幾－幾十Ωcm以下。并聯(lián)電阻（shuntresistance：Rsh）：太陽電池的正負極之間存在不經(jīng)過p-n結(jié)的其它導電通道，這樣將造成形成漏電流（leakagecurrent），如太陽電池中的產(chǎn)生－復合（generation-recombination）電流、表面復合（surface

-recombination）電流、電池邊緣隔離不完全以及金屬電極穿透p-n結(jié)等都將產(chǎn)生漏電流?？捎貌⒙?lián)電阻來表示太陽電池的漏電流的大小。理想的太陽電池的并聯(lián)電阻為無窮大，實際的太陽電池的并聯(lián)電阻為幾十－幾百Ωcm以上。太陽電池的等效電路串連電阻與并聯(lián)電阻太陽電池的等效電路如考慮串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh的實際存在，太陽電池的電流－電壓關(guān)系式則可表示為：I=Is(eV/VT

–1)＋(V-IRs)/Rsh–IL從太陽電池的電流－電壓關(guān)系曲線上可見，最大功率點所對應的最大工作電壓和最大工作電流的乘積（即Pmax=Vmax

Imax），在數(shù)值上就等同于一個在曲線下面的矩形圖形的面積，而以開路電壓和短路電流對應的數(shù)值也可確定一個在曲線之上的矩形圖形的面積（ISCVOC），和這樣來看，太陽電池的電流－電壓曲線越充滿ISC

和VOC組成的矩形圖形的面積，即Vmax

Imax與

ISCVOC越接近，表明太陽電池的性能越好。這樣就可用定義一個參數(shù)即填充系數(shù)（fillfactor:FF）來描述太陽電池的性能：FF＝Pmax

/ISCVOC＝Vmax

Imax/ISCVOC事實上，填充系數(shù)FF即可反映串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對太陽電池的所產(chǎn)生的影響。太陽電池的等效電路如考慮串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh串聯(lián)電阻對太陽電池參數(shù)的影響串聯(lián)電阻對太陽電池參數(shù)的影響并聯(lián)電阻對太陽電池參數(shù)的影響并聯(lián)電阻對太陽電池參數(shù)的影響太陽電池的效率理論分析太陽電池的效率（efficiency）是指太陽電池將入射的太陽光的功率轉(zhuǎn)換成最大的電功率的比例。國際標準采用人造光源，并規(guī)定三個基本測試條件:1.即光源的能量1000W/m2，

2.光源光譜分布為AM1.5和

3.太陽電池的溫度保持在25℃。太陽電池可定義為：η=Pmax/Pin也可以寫為：η=Pmax/Pin＝FF

ISCVOC/Pin由此可見，要提高太陽電池的效率必須同時增加開路電壓、短路電流和填充系數(shù)。串聯(lián)電阻的增加和并聯(lián)電阻的減少都會減少填充系數(shù)。太陽電池的效率理論分析太陽電池的效率（efficiency）太陽電池的效率理論分析目前的太陽電池理論就光電轉(zhuǎn)換效率而言分為以下三種情況：單結(jié)太陽電池的理論效率為31％；多結(jié)太陽電池的理論效率為69％；熱力學所限制的太陽電池的理論效率為85％。單結(jié)太陽電池：對于太陽光譜的具體情況，從材料角度要得到最高的轉(zhuǎn)換效率，其能隙的寬度為1.35eV最為合適，此時可達到最高的效率為31％。對于單晶硅來說，理論上的最高效率可達到28％。多結(jié)太陽電池：以材料的能隙由小到大的順序，從太陽電池的受光面依次排列。主要是讓高能量的光子先被吸收利用，后吸收低能量光子，以便降低釋放聲子的幾率，即降低熱量產(chǎn)生對電池性能的影響。不同的結(jié)之間通過隧道二極管聯(lián)結(jié)（tunneldiode）起來，這樣，開路電壓就等于多個不同能隙的電子－空穴的Fermi能級之差的總和，這也是多能隙的太陽電池有相當高的開路電壓的原因。太陽電池的效率理論分析目前的太陽電池理論就光電轉(zhuǎn)換效率而言分太陽電池的效率理論分析對于單結(jié)電池，只要能量大于半導體帶隙的入射光子都可以產(chǎn)生電子－空穴對。光子能量大于帶隙的多余部分能量就會產(chǎn)生使所產(chǎn)生的電子－空穴對處于高能態(tài)，后又通過釋放聲子（晶格振動）的方式回到能隙附近，即光子能量多余能隙的部分以釋放聲子能量的方式，這樣將使器件產(chǎn)生熱量，從而影響性能。采用多結(jié)結(jié)構(gòu)制造電池就是為了避免這樣的能帶內(nèi)的能量釋放（intrabandenergyrelaxation）。然而，多結(jié)電池解決不了載流子的能帶間的能量釋放（interbandenergyrelaxation

）即載流子復合過程：有三種可能：光發(fā)射、聲子發(fā)射和俄歇（Auger）過程，俄歇過程是載流子之間的能量交換。只要遏制光發(fā)射和聲子發(fā)射就可阻止載流子能帶間的能量釋放，但這將造成載流子平均能量升高，則載流子溫度升高，即造成熱載流子現(xiàn)象。而熱載流從理論上也是可以顯著提高太陽電池效率的途徑之一。太陽電池的效率理論分析對于單結(jié)電池，只要能量大于半導體帶隙的晶體硅太陽電池的制備工藝多晶硅材料西門子工藝、硅烷法晶體生長-硅片單晶、多晶、硅帶技術(shù)太陽電池自動化、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)光伏組件標準組件、建材型組件系統(tǒng)集成并網(wǎng)發(fā)電、建筑集合、大型地面電站晶體硅太陽電池的制備工藝多晶硅材料晶體硅太陽電池的制備工藝

硅片表面絨化通過濕化學工藝去除硅片表面機械損傷、顆粒附著物等污染物，并形成絨面構(gòu)造;擴散制結(jié)用橫向石英管或鏈式擴散爐,一般用p型硅片進行磷擴散形成n型層;減反射膜制備用PECVD制作SiNx減反膜

(PECVD:PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)表面金屬化采用絲網(wǎng)印刷,鍵式爐加熱燒結(jié)檢測分級根據(jù)電池效率，分級包裝

晶體硅太陽電池的制備工藝

硅片表面絨化晶體硅太陽電池的制備工藝硅片類型多晶硅片為主硅片厚度180-150-120μm電池效率多晶15-17%，單晶17-20%生產(chǎn)規(guī)模30

-60-200-1000MW晶體硅太陽電池的制備工藝硅片類型薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展太陽電池發(fā)展的基本問題

-市場情況硅材料90%以上

-提高效率和降低成本

-材料的選擇和工藝優(yōu)化薄膜太陽電池的技術(shù)難點

-襯底材料硅、陶瓷、玻璃、塑料

-薄膜制備工藝Sol-Gel,CVD,PVD主要薄膜電池產(chǎn)品

-非晶硅太陽電池

-碲化鎘太陽電池

-銅銦錫太陽電池薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展太陽電池發(fā)展的基本問題著名薄膜太陽電池企業(yè)及產(chǎn)品著名薄膜太陽電池企業(yè)及產(chǎn)品薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率非晶硅太陽電池非晶硅a-Si禁帶寬度為1.7eV,通過摻B或摻P可得到p型a-Si或n型a-Si;非晶硅摻C,可得到a-SiC,禁帶寬度2.0eV（寬帶隙）;摻Ge,可得到a-SiGe禁帶寬度1.7-1.4eV（窄帶隙）;在太陽光譜的可見光范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比晶體硅大將近一個數(shù)量級，其本征吸收系數(shù)高達105cm-1;非晶硅太陽電池光譜響應的峰值與太陽光譜的峰值接近；由于非晶硅材料的本征吸收系數(shù)很大，1um厚度就能充分吸收太陽光，厚度不足晶體硅的1/100，可明顯節(jié)省昂貴的半導體材料S-W效應：非晶硅及其合金的光暗電導率隨光照時間加長而減少，經(jīng)200度退火2小時可恢復原狀。這種現(xiàn)象首先由Stabler和Wronski發(fā)現(xiàn)。這是非晶硅材料結(jié)構(gòu)的一種光致亞穩(wěn)變化效應，即光照是材料產(chǎn)生懸掛鍵等亞穩(wěn)缺陷非晶硅太陽電池非晶硅a-Si禁帶寬度為1.7eV,通過摻B非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池非晶硅(短波)與單晶硅(長波)太陽電池光譜響應曲線非晶硅太陽電池非晶硅(短波)與單晶硅(長波)太陽電池光譜響應銅銦錫太陽電池銅銦錫太陽電池銅銦錫太陽電池安裝在北威爾士StAsaph的WelshDevelopmentAgency光學中心由CIS

太陽電池組件組成的85kW光伏電站銅銦錫太陽電池安裝在北威爾士StAsaph的Welsh碲化鎘/鎘化硫太陽電池結(jié)構(gòu)特點：CdTe是II-VI族化合物，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.16477nm；CdS是II-VI族化合物，纖鋅礦結(jié)構(gòu)光學性能：直接帶隙半導體材料，1.5eV,光譜響應與太陽光譜非常吻合，1μm厚度的薄膜可吸收99%所對應的太陽光能量；CdS：直接帶隙半導體材料，2.42eV電學性能：薄膜組分、結(jié)構(gòu)沉積條件、熱處理過程對薄膜的電阻和導電類型有很大影響CdTe/CdS薄膜太陽電池參數(shù)的理論值：開路電壓電壓Voc=1.05mV；短路電流Jsc30.8mA/cm2；填充因子FF=83.7%；轉(zhuǎn)換效率約27%盡管和相差10%，但他們能形成電性能優(yōu)良的異質(zhì)結(jié)碲化鎘/鎘化硫太陽電池結(jié)構(gòu)特點：CdTe是II-VI族化合物碲化鎘/鎘化硫太陽電池碲化鎘/鎘化硫太陽電池碲化鎘/鎘化硫太陽電池FirstSolarCdTe太陽池組件組成的80kW光伏電站

碲化鎘/鎘化硫太陽電池FirstSolarCdTe太陽薄膜太陽電池的機遇與發(fā)展至今為止，薄膜電池未能達到所期望的發(fā)展原因：效率、穩(wěn)定性、價格硅電池長壽命，經(jīng)長時期應用檢驗，認可度高薄膜電池優(yōu)點：薄膜化、大面積是太陽電池發(fā)展趨勢低成本、柔性電池發(fā)展機遇多晶硅薄膜電池有機材料太陽電池-印刷工藝

薄膜太陽電池的機遇與發(fā)展至今為止，薄膜電池未能達到所期望的發(fā)2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-全球

2008年太陽電池全球總產(chǎn)量7.35GW，安裝6GW四大生產(chǎn)國：中國(大陸：2.4GW，臺灣0.8GW)、德國(1.6GW？)、日本(1.2GW)、美國（？GW）2008年六大市場：西班牙（2.7GW）、德國（1.5GW）、美國（342MW）、韓國（282MW）意大利（258MW）日本（230MW）材料來自PVStatusReport2009,DrArnulfJ?ger-Waldau2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-全球

2008年太陽電

2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-歐洲

歐盟27國到2008年底光伏安裝總量達到9.5GW，其中2008年一年安裝4.59GW到2008年底德國安裝總量5.3GW，西班牙3.4GW

2008年9月歐洲光伏工業(yè)協(xié)會（EPIA）公布計劃：在2020年歐洲12%的電能通過光伏系統(tǒng)提供，這對應420TWh的電量即350GW的光伏系統(tǒng),為實現(xiàn)此目標，在2009-2020年之間要安裝340GW2008生產(chǎn)大國-德國，連續(xù)穩(wěn)定增長2008應用大國–西班牙，突如其來、不穩(wěn)定意大利、法國的應用以與建筑結(jié)合為主2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-歐洲

歐盟27國到202008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-日本

2008年底光伏安裝累計2.15GW2010年預計產(chǎn)能4.5GW2012年預計產(chǎn)能7GW2009年預計安裝400MW2010年預計安裝總量4.8GW2030年預計安裝總量100GW長期的第一生產(chǎn)大國地位被超越2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-日本

2008年底光伏安2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-美國

2008年美國為第三大光伏市場342MW(其中并網(wǎng)292MW)到2008年底累計安裝總量1.15GW,其中并網(wǎng)768MW2008年美國本土的太陽電池產(chǎn)量為414MWFirstSolar的CdTe電池，2009年底達到1.1GW產(chǎn)能，但是主要產(chǎn)地在國外（馬來西亞790MW，德國198MW，法國100MW以上）1997克林頓簽署“OneMillionSolarRoof”計劃2006年施瓦辛格在加州簽署“MillionSolarRoofsPlan”美國計劃到2015年安裝5-10GW，2030年安裝70-100GW2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-美國

2008年美國為第2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-中國

2008年太陽電池產(chǎn)量世界第一：2.4GW+0.8GW2008年大陸：50多個電池廠，300多組件廠2009年預計產(chǎn)能8.9GW2010年預計產(chǎn)能12.3GW計劃安裝總量：到2011年達到2GW，2020年達到20GW但是國內(nèi)市場太??！生產(chǎn)規(guī)模與應用規(guī)模巨大反差！2009年建設部“光電建筑計劃”是第一次全國性、規(guī)模化的并網(wǎng)工程實施，我國光伏發(fā)展一里程碑，將青史留名！科技部“金太陽計劃”，規(guī)模應用？！2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧-中國

2008年太陽電池歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-德國

歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-德國

歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-德國歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-德國歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-西班牙歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-西班牙歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-意大利歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-意大利歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-瑞士歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-瑞士歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-法國歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格-法國光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

光伏發(fā)電技術(shù)在城鄉(xiāng)推廣的主要途徑：屋頂計劃、光伏建筑集成太陽能屋頂計劃發(fā)起國：德國日本美國光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

光伏發(fā)電技術(shù)在城鄉(xiāng)推廣的主要光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢德國“十萬屋頂”計劃（一千、二萬屋頂）德國太陽房或零能耗建筑，1983年一個農(nóng)村光伏建筑運行至今，情況良好十萬屋頂項目，跟蹤調(diào)研分析政府機構(gòu)推進發(fā)展-德國環(huán)境部研究機構(gòu)強大、研究前沿與實用、與企業(yè)合作緊密、產(chǎn)業(yè)配套齊全、創(chuàng)新能力強政策有遠見、到位、可操作性強光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢德國“十萬屋頂”計劃（一千、德國光伏上網(wǎng)電價

-來源GestoredeiServiziElettrici(GSE),PHOTON

2009設備功率不與建筑結(jié)合部分建筑結(jié)合完全建筑結(jié)合1-2.999kW39.2043.1348.023-19.99kW37.2441.1645.0820kW35.2839.2043.122010設備功率部分建筑結(jié)合完全建筑結(jié)合1-2.999kW38.4242.2647.063-19.99kW36.5040.3444.1820kW34.5738.4242.26德國光伏上網(wǎng)電價

-來源GestoredeiServ光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望課件太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望課件光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢日本“陽光計劃”“新陽光計劃”（“月光計劃”）研究機構(gòu)強大企業(yè)基礎好，創(chuàng)新能力強光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢日本“陽光計劃”光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢在日本，作為太陽光發(fā)電技術(shù)開發(fā)的長期戰(zhàn)略方針，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（簡稱NEDO）在2004年制定并發(fā)表了2030年的路線圖（PV2030）。到2030年的目標是，太陽光發(fā)電成本由現(xiàn)在的每度46日元（家庭用電價格的大約2倍），降低到與市電同等水平的每度7日元，累計安裝量達到102GW。如果太陽電池的安裝量達到102GW，一年的發(fā)電量將會達到1100億千瓦時（度），約占日本總用電量的10%，這樣天氣變動引起的輸出變動和對電網(wǎng)的影響將隨之而來。因此把太陽電池和蓄電技術(shù)相結(jié)合組成相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)，或者和其他的分散性能源相結(jié)合組成混合型系統(tǒng)，從更長遠看，氫能源的利用也將會變得更重要。光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢在日本，作為太陽光發(fā)電技術(shù)開發(fā)關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化光伏建筑結(jié)合概念-光伏發(fā)電技術(shù)與建筑本身的結(jié)合-普通結(jié)合-采用標準組件和附著式安裝方式-緊密結(jié)合-采用光伏建筑構(gòu)件和鑲嵌式安裝方式光伏建筑集成（或稱一體化）：主要采用光伏建筑構(gòu)件和鑲嵌式安裝方式，是光伏技術(shù)與建筑緊密結(jié)合形式，光伏電池作為建筑元素融入建筑本身關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化光伏建筑結(jié)合概念-光伏發(fā)電技術(shù)與關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化光伏建筑組件：雙玻璃疊層：根據(jù)透光要求，調(diào)節(jié)電池片之間間隔中空玻璃：要考慮光線折射損失與散熱問題光伏電池瓦片：電池可與陶瓷、金屬、聚合物等結(jié)合光伏外墻瓷磚：通過真空層壓或硅酮膠粘接光伏集成屋頂：可用標準組件，通過集成技術(shù)形成發(fā)電屋頂結(jié)構(gòu)關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化光伏建筑組件：關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化評論文章來自PhotonDasSolarstrom–Magazinp84-93為什么光伏建筑集成發(fā)展困難？世界范圍內(nèi)而論，50塊組件中只有不到1塊用于光伏建筑集成（全球范圍只占05.%市場份額）原因何在：建筑師缺乏對光伏認識；缺乏相關(guān)經(jīng)驗借鑒；缺少合作氛圍；缺乏相關(guān)的技術(shù)標準關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化評論文章來自PhotonDasS關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化與建筑結(jié)合，光伏組件必須在發(fā)電的同時滿足以下條件：代替幕墻或起到屋頂?shù)墓δ埽徽陉?、隔音、擋風、遮雨、隔冷、隔熱、防火等等光伏建筑集成或光伏建筑一體化（BIPV）：即光伏組件除了發(fā)電同時滿足作為建筑外表面的建筑構(gòu)件的功能，德國標準-DINVDE0126-21這樣的組件可以完美地用于建筑，當然還有安全與外觀問題，價格是不是可以接受和壽命能不能與傳統(tǒng)建材相比，仍需發(fā)展和評估，但是它可以發(fā)電產(chǎn)生利潤并保護環(huán)境。關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化與建筑結(jié)合，光伏組件必須在發(fā)電的同時關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化發(fā)展希望寄托于年輕建筑師多方面合作至關(guān)重要：政府部門、建筑師、規(guī)劃師、建筑商、施工單位關(guān)于光伏建筑結(jié)合或一體化發(fā)展希望寄托于年輕建筑師太陽能光伏建筑設計SolarDesign光伏發(fā)電系統(tǒng)在老建筑、城市和農(nóng)村的應用英格麗特·赫曼斯杜佛克麗斯提那·儒博著沈輝褚玉芳王丹萍譯張原陳維校太陽能光伏建筑設計目

錄

前言

太陽能建筑

PVACCEPT:研究項目

應用領(lǐng)域

造型和構(gòu)造

創(chuàng)新的太陽電池和組件

成功的實際范例

-光伏屋頂

-光伏幕墻

-在城市的應用

-在農(nóng)村的應用

光伏技術(shù)基礎

圖片說明

目錄

前言前

言

主動太陽能利用在最近的時間是備受關(guān)注的課題。太陽能發(fā)電設備（光伏設備）在新建建筑上利用的可能性，不管是技術(shù)上還是造型上都毫無問題，但是對于在已有建筑再利用光伏，從建筑學的視角來看往往是不滿意的。為了將含有標準、彩色、材料和裝飾元素的現(xiàn)代技術(shù)器件與老建筑和紀念碑實現(xiàn)對接，因而從創(chuàng)新起步是必要的。

在此兩位女建筑師想要通過此書與對太陽能建筑感興趣的建筑師、專業(yè)工程師、建筑商、建筑管理部門的代理、城鎮(zhèn)管理機構(gòu)實現(xiàn)對話，使他們能夠?qū)τ谛滦蜆?gòu)造的光伏發(fā)電設備在已有建筑、老建筑周邊和農(nóng)村應用的可能性有所了解。

各式各樣的應用和方案以及創(chuàng)新的構(gòu)造的光伏組件被介紹，并且對光伏系統(tǒng)的功能和組成進行了簡要地說明。本書的重點是對超過30多個各式各樣的和以極高美學質(zhì)量建造的應用實例的描述。

本書實際證明光伏發(fā)電設備可以多種多樣和可以被作為建筑構(gòu)件使用。本書還將貢獻于，正常地美學保護與光伏利用引入老建筑和紀念性保護的建筑的協(xié)調(diào)，以及使得建筑學家、投資人和紀念建筑保護者對于這種環(huán)境友好技術(shù)構(gòu)成的松弛的和創(chuàng)新的環(huán)境的產(chǎn)生靈感。

前言

主動太陽能利用在最近的時間是備受關(guān)注的發(fā)展光伏與建筑結(jié)合的若干建議

光伏生產(chǎn)要首先滿足自用城市發(fā)展以屋頂為主，新建筑光伏建筑集成一體化概念：建材型、設計、施工光伏建材化研究產(chǎn)業(yè)分工：材料、器件、系統(tǒng)、應用、檢測、評價

發(fā)展光伏與建筑結(jié)合的若干建議

光伏生產(chǎn)要首先滿足自用發(fā)展光伏與建筑結(jié)合的若干建議-啟動光伏“十萬屋頂計劃”或“百萬屋頂計劃”制定光伏上網(wǎng)補助價格

我國發(fā)展光伏最關(guān)鍵問題?。。?制定光伏發(fā)電中長期發(fā)展規(guī)劃、目標，2010年：0.1%；2020年：1%；2030年：10%

（歐盟國家2020年：12%）建立國家級測試評估實驗室，長期跟蹤測試，對各類電池的經(jīng)濟型、技術(shù)性、穩(wěn)定性以及地方適應性表現(xiàn)給于客觀評估，成立太陽能建筑設計、規(guī)劃研究機構(gòu)和人才培訓發(fā)展光伏與建筑結(jié)合的若干建議-啟動光伏“十萬屋頂計劃”或“太陽電池的未來發(fā)展晶體硅電池為主流－第一代（硅片為基礎）－單晶硅－多晶硅薄膜太陽電池－第二代－非晶硅－銅銦（鎵）硒或銅銦（鎵）硫新型高效太陽電池－第三代（概念）－多結(jié)電池－非晶－晶體結(jié)合太陽電池的未來發(fā)展晶體硅電池為主流－第一代（硅片為基礎）太陽電池的未來發(fā)展多個結(jié)太陽電池（光譜分段利用）單光子激發(fā)多對電子－空穴對（多激發(fā)）中間帶隙（分步激發(fā)）熱載流子太陽電池黑體輻射的頻譜轉(zhuǎn)換（上移、下移和集中）其它類型太陽電池（熱光伏電池、敏化、有機）太陽電池的未來發(fā)展多個結(jié)太陽電池（光譜分段利用）太陽電池的未來發(fā)展多結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率理論計算太陽電池的未來發(fā)展多結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率理論計算太陽電池的未來發(fā)展太陽電池實現(xiàn)最發(fā)電模式－光子與電子的轉(zhuǎn)換（簡潔）－光子器件，最佳的和技術(shù)；太陽電池存在問題－效率與成本－高純硅材料短缺－薄膜電池問題第三代太陽電池太陽電池發(fā)電發(fā)展前景廣闊－未來主要的發(fā)電形式太陽電池的未來發(fā)展太陽電池實現(xiàn)最發(fā)電模式問題與展望

并網(wǎng)電價出臺是推廣光伏應用的關(guān)鍵所在知識宣傳-廣泛開展光伏發(fā)電科普教育人才培養(yǎng)-技工、中專、本科（目前主要是研究生）中山大學碩士點“光伏技術(shù)與應用”大專教育：新余職業(yè)技術(shù)學院、樂山職業(yè)技術(shù)學院、從業(yè)資質(zhì)-設計、安裝工程技術(shù)人員產(chǎn)品質(zhì)量-材料、器件、系統(tǒng)測試和評價施工質(zhì)量-評估和認證問題與展望

并網(wǎng)電價出臺是推廣光伏應用的關(guān)鍵所在太陽光發(fā)電是最受期待的可再生能源，太陽照射到地球上的能量完全可以滿足全人類能源需求。這本書系統(tǒng)地介紹了太陽電池的歷史、結(jié)構(gòu)和將來。太陽電池是什么？

一塊平板卻可以不可思議地發(fā)電

既輕又能彎曲的太陽電池

可以減少二氧化碳排放一看就懂一本淺顯易懂的漫畫科普書集體編寫日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所

太陽光發(fā)電研究中心翻譯校正日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所

太陽光發(fā)電研究中心

劉正新中山大學

太陽能系統(tǒng)研究所

&華南太陽能研究院

沈

輝太

陽

電

池太陽光發(fā)電是最受期待的可再生能源，太陽照射到地球上的能量完全光伏發(fā)電在我國具有無限發(fā)展空間光伏發(fā)電在我國具有無限發(fā)展空間太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望課件

太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

沈輝中山大學太陽能系統(tǒng)研究所電力電子及控制技術(shù)研究所shenhui1956@163.com

太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

沈輝主要內(nèi)容

太陽電池的發(fā)展歷史太陽電池的基本理論晶體硅太陽電池的制備工藝薄膜太陽電池的技術(shù)發(fā)展2008年世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧歐洲主要國家的光伏并網(wǎng)價格光伏與建筑結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢太陽電池發(fā)展未來結(jié)論與展望主要內(nèi)容

太陽電池的發(fā)展歷史太陽電池的發(fā)展歷史1839年法國實驗物理學家亞利山大·柏克勒爾(AlexanderE.Becquerel1820-1891）首次在稀釋的酸液體中發(fā)現(xiàn)光伏效應,即觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強度變化的現(xiàn)象。（AlexanderE.Becquerel是HenriA.Becquerel(1852-1908)的祖父。HenriA.Becquerel由于發(fā)現(xiàn)放射性于1903年與居里夫婦一起共同獲得諾貝爾物理獎，他的名字被用作放射性的單位）1877W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效應；1883美國發(fā)明家CharlesFritts描述了第一片硒太陽電池的原理；1889？弗里茲(CharlesFritts)發(fā)明半導體硒太陽電池,光電轉(zhuǎn)換效率僅為1%,主要用于光電探測等;1905德國物理學家愛因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)表關(guān)于光電效應的論文；1918波蘭科學家Czochralski發(fā)展生長單晶硅的提拉法工藝；1921德國物理學家愛因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎；太陽電池的發(fā)展歷史1839年法國實驗物理學家亞利山大·柏克勒太陽電池的發(fā)展歷史1930B.Lang研究氧化亞銅/銅(Cu/Cu2O)太陽電池，發(fā)表“新型光伏電池”論文；W.Schottky發(fā)表“新型氧化亞銅(Cu2O)光電池”論文；1932Audobert和Stora發(fā)現(xiàn)硫化鎘(CdS)的光伏現(xiàn)象；1933L.O.Grondahl發(fā)表“銅-氧化亞銅(Cu-Cu2O)整流器和光電池”論文；1949年W.Shockley,J.Bardeen,W.H.Brattain發(fā)明晶體管,給出了p-n結(jié)物理解釋,從此，半導體器件時代開始；1951生長p-n結(jié)，實現(xiàn)制備單晶鍺電池；1953Wayne州立大學DanTrivich博士完成基于太陽光譜的具有不同帶隙寬度的各類材料光電轉(zhuǎn)換效率的第一個理論計算；1954RCA實驗室的P.Rappaport等報道硫化鎘(CdS)的光伏現(xiàn)象；(RCA:RadioCorporationofAmerica,美國無線電公司)；太陽電池的發(fā)展歷史1930B.Lang研究氧化亞銅/銅太陽電池的發(fā)展歷史1954年美國貝爾(Bell)實驗室研究人員D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson報道4.5%效率的第一個實用的單晶硅p-n結(jié)太陽電池的發(fā)現(xiàn)，幾個月后效率達到6%，幾年后達到10%;1954年雷諾慈發(fā)現(xiàn)CdS具有光伏效應,1960年采用蒸鍍法制得CdS太陽電池,效率為3.5%,1964年美國將效率提高4-6%,歐洲提高到9%;1955西部電工(WesternElectric)開始出售硅光伏技術(shù)商業(yè)專利；在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為2%的商業(yè)太陽電池產(chǎn)品，電池為14毫瓦/片，25美元/片，相當于1785USD/W；1956P.Pappaport,J.J.Loferski和E.G.Linder發(fā)表“鍺和硅p-n結(jié)電子電流效應”的文章；1957Hoffman電子的單晶硅電池效率達到8%；D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson獲得“太陽能轉(zhuǎn)換器件”專利權(quán)；太陽電池的發(fā)展歷史1954年美國貝爾(Bell)實驗室太陽電池的發(fā)展歷史1958美國信號部隊的T.Mandelkorn制成n/p型單晶硅光伏電池，這種電池抗輻射能力強，這對太空電池很重要；Hoffman電子的單晶硅電池效率達到9%；第一個光伏電池供電的衛(wèi)星先鋒1號發(fā)射，光伏電池100平方厘米，0.1W，為一備用的5毫瓦的話筒供電；1958年開始,單晶硅太陽電池在人造衛(wèi)星\宇宙飛船\航天飛機等空間飛行器作為供電電源的應用,推動了太陽電池的發(fā)展,形成小型產(chǎn)業(yè)規(guī)模,單晶硅太陽電池市場價格1W-100USD;1959Hoffman電子實現(xiàn)可商業(yè)化單晶硅電池效率達到10%，并通過用網(wǎng)柵電極來顯著減少光伏電池串聯(lián)電阻；衛(wèi)星探險家6號發(fā)射，共用9600片電池列陣，每片2平方厘米,共約20W；1960Hoffman電子實現(xiàn)單晶硅電池效率達到14%；1962第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星Telstar發(fā)射，所用的太陽電池功率14W；1963Sharp公司成功生產(chǎn)光伏電池組件；日本在一個燈塔安裝242W光伏電池列陣，在當時是世界最大的光伏電池列陣；1964宇宙飛船“光輪發(fā)射”，安裝470W的光伏列陣；1965PeterGlaser和A.D.Little提出衛(wèi)星太陽能電站構(gòu)思；太陽電池的發(fā)展歷史1958美國信號部隊的T.Mandel太陽電池的發(fā)展歷史1966帶有1000W光伏列陣大軌道天文觀察站發(fā)射；1971年斯皮爾等人(W.E.Spear)采用輝光放電法分解硅烷(SiH4)制得氫化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功實現(xiàn)對a-Si:H的摻雜，獲得n型和p型材料，為器件制造打下了基礎；1972法國人在尼日爾一鄉(xiāng)村學校安裝一個硫化鎘光伏系統(tǒng)，用于教育電視供電；1973美國特拉華大學建成世界第一個光伏住宅；1973世界發(fā)生石油危機，喚起人們對可再生能源的興趣,特別是在地面上大面積使用太陽電池供電,受到各國政府高度重視;1974日本推出光伏發(fā)電的“陽光計劃”；Tyco實驗室生長第一塊EFG晶體硅帶，25mm寬，457mm長（EFG：EdgedefinedFilmFed-Growth,定邊喂膜生長）；1977世界光伏電池超過500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n結(jié)的工作基礎上制成世界上第一個非晶硅（a-Si）太陽電池；1977年D.L.Staebler和C.R.Wronski在a-Si:H樣品中發(fā)現(xiàn)，隨光照其光電導和暗電導都顯著減少，在150℃退火后又復原，這現(xiàn)象稱為S-W效應，目前機理尚不清楚；1979世界太陽電池安裝總量達到1MW；1980ARCO太陽能公司是世界上第一個年產(chǎn)量達到1MW光伏電池生產(chǎn)廠家；三洋電氣公司利用非晶硅電池率先制成手持式袖珍計算器，接著完成了a-Si組件批量生產(chǎn)并進行了戶外測試；1980年開始,人們注重研究高效率太陽電池,以降低生產(chǎn)成本;1981名為SolarChallenger的光伏動力飛機飛行成功；太陽電池的發(fā)展歷史1966帶有1000W光伏列陣大軌道天太陽電池的發(fā)展歷史1983世界太陽電池年產(chǎn)量超過21.3MW；名為SolarTrek的1kW光伏動力汽車穿越澳大利亞，20天內(nèi)行程達到4000公里；1984面積為1平方英尺（929cm2）的商品化非晶硅太陽電池組件問世；1985,單晶硅太陽電池用于地面供電電源,

太陽電池售價1W-10USD,2000年,1W-2.5USD,2010年美國目標:1W-1USD;澳大利亞新南威爾士大學MartinGreen研制單晶硅的太陽電池效率達到20%；19866月，ARCOSolar發(fā)布G-4000—世界首例商用薄膜電池“動力組件”；198711月，在3100公里穿越澳大利亞的PentaxWorldSolarChallengePV-動力汽車競賽上，GMSunraycer獲勝，平均時速約為71km/h；1991世界太陽電池年產(chǎn)量超過55.3MW；瑞士Gr?tzel教授研制的納米TiO2染料敏化太陽電池(GraezelCell)效率達到7%;1995年納米TiO2染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率達到10%;太陽電池的發(fā)展歷史1983世界太陽電池年產(chǎn)量超過21.3太陽電池的發(fā)展歷史1995世界太陽電池年產(chǎn)量超過77.7MW；光伏電池安裝總量達到500MW；1998世界太陽電池年產(chǎn)量超過151.7MW；多晶澆鑄硅太陽電池產(chǎn)量首次超過單晶硅；

1999世界太陽電池年產(chǎn)量超過201.3MW；美國NREL的M.A.Contreras等報道銅銦錫（CIS）電池效率達到18.8%；非晶硅電池占市場份額12.3%；2000世界太陽電池年產(chǎn)量超過287.7MW，安裝超過1000MW，標志太陽能時代到來；2001世界太陽電池年產(chǎn)量超過399MW;WuX.,DhereR.G.,AibinD.S.等報道碲化鎘（CdTe）電池效率達到16.4%；單晶硅太陽電池售價約為3USD/W；德國人制作PVC太陽電池；2002世界太陽電池年產(chǎn)量超過540MW；多晶硅太陽電池售價約為2.2USD/W；太陽電池的發(fā)展歷史1995世界太陽電池年產(chǎn)量超過77.7太陽電池的發(fā)展歷史2003太陽電池年產(chǎn)量超過760MW；德國FraunhoferISE的LFC（Laser－firedcontact）晶體硅太陽電池效率達到20%;2004太陽電池年產(chǎn)量超過1200MW；德國FraunhoferISE多晶硅太陽電池效率達到20.3%;非晶硅電池占市場份額4.4%,降為1999年的1/3，CdTe占1.1%;而CIS占0.4%；太陽電池的發(fā)展歷史2003太陽電池年產(chǎn)量超過760MW；太陽電池發(fā)明人:（1954,BellLab)DarylM.Chapin,CalvinS.Fuller,GeraldL.Pearson太陽電池發(fā)明人:（1954,BellLab)太陽電池的基本理論光電效應現(xiàn)象愛因斯坦的光電效應理論光伏效應p-n結(jié)形成和特性太陽電池原理太陽電池等效電路太陽電池效率分析太陽電池的類型太陽電池的發(fā)展太陽電池的基本理論光電效應現(xiàn)象光電效應現(xiàn)象光電效應(photoelectriceffect)

現(xiàn)象最早在1887年由HeinrichHertz在從事電磁波實驗時發(fā)現(xiàn)的，即金屬表面在光的照射下發(fā)射電子。光電效應