太陽能電池原理與工藝(Chapter 1)緒論

太陽能電池原理與工藝蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池原理與工藝蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽電池：材料、制備工藝及檢測Solarcells:Materials,ManufactureandOperation(英)TomMarkvart(西)LuisCastaner

編梁駿吾等譯所用教材：太陽能電池原理與工藝蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院(1)太陽能利用原理、技術(shù)、工程劉鑒民著電子工業(yè)出版社(2)太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用狄大衛(wèi)譯上海交通大學(xué)出版社(3)太陽能電池物理高揚(yáng)譯上海交通大學(xué)出版社(4)太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)王長貴編化學(xué)工業(yè)出版社參考書目：

第一章緒論太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景太陽能電池的發(fā)展歷程太陽能電池的研究現(xiàn)狀太陽能電池的應(yīng)用蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院

第一章緒論太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景太陽能電池的發(fā)展歷程太陽能電池的研究現(xiàn)狀太陽能電池的應(yīng)用蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院

自從兩次工業(yè)革命以后，煤、石油、天然氣等化學(xué)燃料相繼被廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個方面。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人類文明的不斷進(jìn)步，人類對能源的需求量不斷飛速增長。

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景首先，這些曾經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用并且現(xiàn)在還在被使用的基本都是不可再生能源。其有限的儲量與人類無限的需求之間構(gòu)成了不可調(diào)和的矛盾。

其次，煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒后會產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，造成溫室效應(yīng)，加速全球氣候變暖，給人類及其它動植物的生存構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。再者，這些不可再生能源的大量使用，還會產(chǎn)生環(huán)境污染、生態(tài)破壞等嚴(yán)重問題。

因此，開發(fā)一種儲量巨大、清潔、無污染的可再生能源已經(jīng)成為當(dāng)今社會的廣泛共識。第一章緒論太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院

傳統(tǒng)能源的現(xiàn)狀第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院未來能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)預(yù)測圖

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景與常規(guī)能源相比，太陽能具有三大優(yōu)點(diǎn)：其一，它是人類可以利用的最豐富的能源。據(jù)統(tǒng)計，在過去漫長的十幾億年中，太陽只消耗了它本身能量的2%。按照這種速度計算，太陽足以供給人類使用幾十億年，可謂取之不盡、用之不竭。

太陽每天照到地表的能量，超過全人類30年的能源需求！

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景與常規(guī)能源相比，太陽能具有三大優(yōu)點(diǎn)：其二，在地球上，只要有光照的地方都有太陽能，這樣我們就可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對于交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有實(shí)用價值。其三，太陽能是一種十分清潔的能源。在開發(fā)和利用太陽能時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水和廢氣；也沒有噪音，更不會產(chǎn)生大氣污染、影響生態(tài)平衡等環(huán)境問題。因此，太陽能是一種非常合適的新能源，研究和開發(fā)太陽能，對于我們?nèi)祟惤窈蟮纳a(chǎn)、生活乃至生存，都具有十分重要的意義！

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景與常規(guī)能源相比，太陽能具有三大缺點(diǎn)：

分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價較高。不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的，所以必須很好地解決蓄能問題，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。效率低和成本高：目前太陽能的利用有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因?yàn)樾势?，成本較高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。第一章緒論

蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為四類地區(qū)第一類為中國太陽能資源豐富的地區(qū)，日輻射量>5.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。第二類為中國太陽能資源較豐富地區(qū)，日輻射量4.1～5.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。第三類為中國太陽能資源中等類型地區(qū)，日輻射量3.3～4.1KWh/㎡。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。第四類是中國太陽能資源較差地區(qū)，日輻射量<3.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院中國和世界的能源結(jié)構(gòu)中國世界石油石油煤煤天然氣←天然氣其它其它人口多，人均資源占有量僅及世界的一半

石油和天然氣資源僅占世界人均量的17.1％和13.2％；加之能源利用技術(shù)落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能會比國外更加迅速，能源匱乏的威脅可能來的更早；能源供需缺口將越來越大

2020年全國需求量27億噸，尚缺4.8億噸標(biāo)煤，2050年一次需求量達(dá)到40億噸標(biāo)煤，缺口達(dá)10億噸標(biāo)煤，短缺25％以上；過度依賴煤炭，環(huán)境影響更加嚴(yán)重

煤炭幾乎滿足了我國一次能源需求的70％，66％的城市大氣顆粒物的含量和22％的城市的二氧化硫含量均超過國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，在冬季這些污染物的濃度更大，通常為夏季的2倍。環(huán)境專家估計，大氣中90％的二氧化硫和70％的煙塵來自于燃煤；第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院同國外相比，我國的能源系統(tǒng)更加不具備可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)能源枯竭的威脅可能來的更早煤廢料的處理仍是問題

煤炭開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的大量的矸石、腐蝕性水、煤泥、灰渣和飛灰等，已構(gòu)成對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的危害，成為制約所在地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素；

石油短缺，對外依存度加大

1993年我國成為石油凈進(jìn)口國，2001年進(jìn)口依存度已經(jīng)達(dá)到34％，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，石油進(jìn)口量占整體石油需求量中的份額進(jìn)一步增長，預(yù)計到2020年將達(dá)到50％。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院同國外相比，我國的能源系統(tǒng)更加不具備可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)能源枯竭的威脅可能來的更早太陽能、風(fēng)能屬于本地資源，通過一定的工藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氫燃料，為各種移動設(shè)備提供能源。

第一章緒論能源枯竭

石油：42年，天然氣：67年，煤：200年。環(huán)境污染

每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸，并呈上升趨勢，造成全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境。蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景CxHy+O2→H2O+CO2+SO2+NOx中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會

《中國新能源與可再生能源發(fā)展規(guī)劃1999白皮書》中國的能源現(xiàn)狀可再生能源：風(fēng)能；水能；地?zé)?；潮汐；太陽能等第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景傳統(tǒng)能源：不可再生，環(huán)境污染，能源枯竭每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸化石能源開采高峰2020~2030年↓資源豐富、利用方便、潔凈無污染太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！日本93年實(shí)施“新陽光計劃”，涵蓋74年的“陽光計劃”、78年的“月光計劃”和89年的“地球環(huán)境技術(shù)開發(fā)計劃”；97年宣布7萬太陽能光伏屋頂計劃，計劃到2010年安裝7600MWp太陽能電池。日本利用其電子技術(shù)優(yōu)勢，大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)品，其產(chǎn)量已經(jīng)相當(dāng)于全球產(chǎn)量的50%以上。英、荷、日、美等國企業(yè)基本壟斷了全球的光伏發(fā)電產(chǎn)品市場，其出口額占世界的貿(mào)易額的80%以上。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池已成為各國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要選擇第一章緒論美國提出了逐步提高綠色電力的發(fā)展計劃。主要是通過風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能源發(fā)電等來達(dá)到目標(biāo)，其中太陽光伏發(fā)電預(yù)計到2020年將占美國屆時發(fā)電裝機(jī)增量的15%左右，累計安裝量達(dá)36GW，保持美國在光伏發(fā)電技術(shù)開發(fā)、制造水平的世界領(lǐng)先地位。蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池已成為各國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要選擇美國百萬屋頂計劃的內(nèi)容與目標(biāo)

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池已成為各國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要選擇

第一章緒論太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景太陽能電池的發(fā)展歷程太陽能電池的研究現(xiàn)狀太陽能電池的應(yīng)用蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院

1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾（E.Becquerel）發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)【光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象】1877年，亞當(dāng)斯（W.G.Adams）研究了硒的光伏效應(yīng)，并制作了第一片硒太陽能電池

1883年，美國發(fā)明家查爾斯描述了第一塊硒太陽能電池的原理

1918年，波蘭科學(xué)家Czochralski發(fā)展了生長單晶硅的提拉法工藝

1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的發(fā)展歷程

1951年，生長p-n結(jié)，實(shí)現(xiàn)制備單晶鍺電池

1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。

1958年，我國研制出首塊單晶硅

1960年，Hoffman電子實(shí)現(xiàn)單晶硅電池效率達(dá)到14%

1977年，D.E.Carlson和C.R.Wronski制成第一個非晶硅太陽能電池

2007年，我國成為生產(chǎn)太陽能電池最多的國家

第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的發(fā)展歷程

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據(jù)Dataquest的統(tǒng)計資料顯示，目前全世界共有136個國家投入普及應(yīng)用太陽能電池的熱潮中，其中有95個國家正在大規(guī)模地進(jìn)行太陽能電池的研制開發(fā)，積極生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。1998年全世界生產(chǎn)的太陽能電池，其總的發(fā)電量達(dá)1000兆瓦，1999年達(dá)2850兆瓦。2000年全球有將近4600家廠商向市場提供光電池和以光電池為電源的產(chǎn)品。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀

目前，許多國家正在制訂中長期太陽能開發(fā)計劃，準(zhǔn)備在21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)太陽能，日本推出的是陽光計劃。日本也正在實(shí)施太陽能“7萬套工程計劃”，日本準(zhǔn)備普及的太陽能住宅發(fā)電系統(tǒng)，主要是裝設(shè)在住宅屋頂上的太陽能電池發(fā)電設(shè)備，家庭用剩余的電量還可以賣給電力公司。一個標(biāo)準(zhǔn)家庭可安裝一部發(fā)電3000瓦的系統(tǒng)。美國能源部推出的是國家光伏計劃，NREL光伏計劃是美國國家光伏計劃的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，該計劃在單晶硅和高級器件、薄膜光伏技術(shù)、PVMaT、光伏組件以及系統(tǒng)性能和工程、光伏應(yīng)用和市場開發(fā)等5個領(lǐng)域開展研究工作。美國還推出了“太陽能路燈計劃”，旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據(jù)計劃,每盞路燈每年可節(jié)電800度。歐洲則將研究開發(fā)太陽能電池列入著名的"尤里卡"高科技計劃，推出了"10萬套工程計劃"。這些以普及應(yīng)用光電池為主要內(nèi)容的"太陽能工程"計劃是目前推動太陽能光電池產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的重要動力之一。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀

日本、韓國以及歐洲地區(qū)總共8個國家最近決定攜手合作，在亞洲內(nèi)陸及非洲沙漠地區(qū)建設(shè)世界上規(guī)模最大的太陽能發(fā)電站，他們的目標(biāo)是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區(qū)的長時間日照資源有效地利用起來，為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計劃將從2001年開始，花4年時間完成。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀(外國)

目前，美國和日本在世界光伏市場上占有最大的市場份額。美國擁有世界上最大的光伏發(fā)電廠，其功率為7MW，日本也建成了發(fā)電功率達(dá)1MW的光伏發(fā)電廠。全世界總共有23萬座光伏發(fā)電設(shè)備，以色列、澳大利亞、新西蘭居于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代以來，全球太陽能電池行業(yè)以每年15%的增幅持續(xù)不斷地發(fā)展。據(jù)Dataquest發(fā)布的最新統(tǒng)計和預(yù)測報告顯示：美國、日本和西歐工業(yè)發(fā)達(dá)國家在研究開發(fā)太陽能方面的總投資，1998年達(dá)570億美元；1999年646億美元；2000年700億美元；2001年將達(dá)820億美元；2002年有望突破1000億美元。我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀(外國)

我國對太陽能電池的研究開發(fā)工作高度重視,早在七五期間,非晶硅半導(dǎo)體的研究工作已經(jīng)列入國家重大課題;八五和九五期間,我國把研究開發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月，國家發(fā)改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發(fā)計劃，發(fā)改委"光明工程"將籌資100億元用于推進(jìn)太陽能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，計劃到2005年全國太陽能發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量達(dá)到300兆瓦。2002年，國家有關(guān)部委啟動了"西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃"，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。這一項(xiàng)目的啟動大大刺激了太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)建起了幾條太陽能電池的封裝線，使太陽能電池的年生產(chǎn)量迅速增加。我國目前已有10條太陽能電池生產(chǎn)線,年生產(chǎn)能力約為4.5MW,其中8條生產(chǎn)線是從國外引進(jìn)的,在這8條生產(chǎn)線當(dāng)中,有6條單晶硅太陽能電池生產(chǎn)線,2條非晶硅太陽能電池生產(chǎn)線。據(jù)專家預(yù)測,目前我國光伏市場需求量為每年5MW,2001～2010年,年需求量將達(dá)10MW,從2011年開始,我國光伏市場年需求量將大于20MW。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀(中國)

目前國內(nèi)太陽能硅生產(chǎn)企業(yè)主要有洛陽單晶硅廠、河北寧晉單晶硅基地和四川峨眉半導(dǎo)體材料廠等廠商，其中河北寧晉單晶硅基地是世界最大的太陽能單晶硅生產(chǎn)基地，占世界太陽能單晶硅市場份額的25％左右。在太陽能電池材料下游市場，目前國內(nèi)生產(chǎn)太陽能電池的企業(yè)主要有保定英利新能源、無錫尚德、開封太陽能電池廠、云南半導(dǎo)體器件廠、秦皇島華美光伏電子、浙江中意太陽能、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等公司，總計年產(chǎn)能在120MW以上。第一章緒論蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀(中國)第一章緒論

蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院太陽能電池的研究現(xiàn)狀

第一章緒論太陽能電池產(chǎn)生的歷史背景太陽能電池的發(fā)展歷程太陽能電池的研究現(xiàn)狀太陽能電池的應(yīng)用蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院

上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢第一章