太陽能電池概述

太陽能電池概述

姓名：高楊班級：0812班學(xué)號：0808090533

日期：2009.4.72/6/20231主要內(nèi)容研究背景及其發(fā)展太陽能電池的原理太陽能電池的種類太陽能電池的前景

2/6/202321.研究背景傳統(tǒng)化石能源→不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能等↓資源豐富、利用方便、潔凈無污染石油煤天然氣其他世界的能源結(jié)構(gòu)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！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2/6/20233

1839年，法國科學(xué)家貝克雷發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象被稱為“光伏效應(yīng)”。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)用的單晶硅太陽能電池，誕生了從太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。一套基本的發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能控制板，充電控制器，逆變器和蓄電池構(gòu)成。近10多年來，在石油的開采量日漸見底和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機(jī)的夾擊下，各國競相開發(fā)各種光電新技術(shù)和光電新型材料，以擴(kuò)大太陽能應(yīng)用的領(lǐng)域。人們越來越期待“太陽能時代”的到來。在歐美一些先進(jìn)國家，目前正在廣泛開展應(yīng)用“光電玻璃幕墻制品”，這是一種太陽能轉(zhuǎn)換硅片密封在（猶如夾層玻璃）雙重鋼化玻璃中，安全的實(shí)現(xiàn)了從太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型建材。美國的“光伏建筑計劃”，歐洲的“百萬屋頂光伏計劃，日本的“朝日計劃”以及我國開展的“光明工程”將在建筑領(lǐng)域掀起節(jié)能環(huán)保生態(tài)建材的開發(fā)應(yīng)用熱潮，極大的促進(jìn)了太陽能電池在新型建材產(chǎn)品中的應(yīng)用。2/6/202342.太陽能電池的發(fā)展2.1太陽能電池行業(yè)發(fā)展概況

全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)1994－2004年10年里增長了17倍，2005年總產(chǎn)量1656WM，同比增長38.7％，總產(chǎn)量已超過2300MW，累計裝機(jī)發(fā)電容量已超過5GW，2005年，世界光伏市場安裝量同比增長34％，達(dá)到1460WM，其中德國占全世界的57％，日本約占20％，美國約為7％，2010年全球太陽能電池產(chǎn)量將達(dá)到4.5GW，市場將達(dá)到186－231億美元，年安裝容量將達(dá)3.2－3.9GW，預(yù)計2006－2010年光伏產(chǎn)業(yè)需求的年均增長率約23.8％。

太陽能電池生產(chǎn)主要分布日本、歐洲和美國，2005年產(chǎn)量占比為日本46％、歐洲28％、美國9％、其他17％，中國已成為第四大生產(chǎn)國，2005年前10大廠商為Sharp、QCells、Kyocera、BPSolar、Sanyo、MitsubishiElectric、RWE、ShellSolar、Motech、Suntech，占總產(chǎn)量的89％，最大的生長商夏普2005年產(chǎn)量預(yù)計達(dá)450MW，增長2.7倍，產(chǎn)能將達(dá)600MW，占全球1/4以上。

2/6/20235

太陽能電池技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)是以晶硅材料為基礎(chǔ)的高效電池和薄膜電池，澳大利亞新南威爾士大學(xué)高效單晶硅電池效率已達(dá)24.7％，美、日、德已達(dá)到20％以上；澳大利亞新南威爾士大學(xué)多晶硅電池效率已突破19.8％，美、德等達(dá)到18％以上，薄膜電池的研究主要集中在非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜、CdTe、CIS上，非晶硅薄膜電池實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定效率已突破13.0％，CdTe電池效率達(dá)到15.8％，CIS電池效率18.8％，多晶硅薄膜電池的研究工作發(fā)展迅速，已成為世界關(guān)注的新熱點(diǎn)。2/6/20236

2.2我國太陽能電池發(fā)展?fàn)顩r

我國的光伏特發(fā)電應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，在20世紀(jì)末，我國的太陽能電池的研究和生產(chǎn)處于基礎(chǔ)和小規(guī)模階段，然而進(jìn)入21世紀(jì)，已建成7個初具規(guī)模的光伏電池生產(chǎn)廠，光伏電池組件的年生產(chǎn)能力為4.5MW左右，其中，單晶硅電池為2.5MW，非晶硅電池為2MW，但多晶硅電池只有少量的中試產(chǎn)品，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要。我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)水平，除少數(shù)企業(yè)進(jìn)入國際一流行業(yè)且部分技術(shù)國際領(lǐng)先外，整體研發(fā)和大生產(chǎn)技術(shù)與國際先進(jìn)水平尚有差距，但差距不大。擁有的技術(shù)和專利集中在少數(shù)企業(yè)，相當(dāng)多的企業(yè)缺乏創(chuàng)新能力。

2/6/20237表1.我國部分太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)及規(guī)劃能力企業(yè)（公司）名稱主要產(chǎn)品產(chǎn)能（MW）規(guī)劃（MW）上海太陽能科技股份電池片（組件）0（100）100（100）上海交大泰陽電池片（組件）160（100）寧波太陽能電池片550無錫尚德電池片（組件）120（50）420（360）河北保定英利太陽能電池片60500云南天達(dá)電池片10120南京中電集團(tuán)電池片30600新疆新能源電池片15100（100）江蘇林洋電池片（組件）（25）100（100）無錫尚品電池片（組件）（15）25（50）2/6/20238

以硅P-N結(jié)太陽能電池為例，簡要說一下太陽能電池的工作原理。當(dāng)有適當(dāng)?shù)墓庹丈涞絇-N結(jié)太陽能電池上后，由于光伏效應(yīng)而在勢壘兩邊產(chǎn)生了電動勢。因而光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的的理論基礎(chǔ)，也是某些光電器件的賴以工作的最重要的物理效應(yīng)。

圖1：無光照與有光照時的P-N結(jié)能帶3.太陽能電池的基本原理2/6/20239由

由于pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場（由n區(qū)指向p區(qū)），結(jié)兩邊的光生少數(shù)載流子受該場的作用，各自向相反方向運(yùn)動：p區(qū)電子穿過pn結(jié)進(jìn)入n區(qū)；n區(qū)的空穴進(jìn)入p區(qū)，使p端電勢升高，n端電勢降低，于是在pn結(jié)兩端形成了光生電動勢，這就是pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于光照在pn結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當(dāng)于在pn結(jié)兩端加正向電壓V，產(chǎn)生正向電流I。在pn結(jié)開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，pn結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢差V（p區(qū)相對于n區(qū)是正的），這就是光電池的開路電壓。如將pn結(jié)與外電路接通，只要光照不停止就會有源源不斷的電流通過，pn結(jié)起到了電源的作用。這就是光電池的基本原理。如圖所示：2/6/202310圖2：太陽能電池的發(fā)電原理2/6/2023114.太陽能電池的種類按照所用材料的不同：無機(jī)太陽能電池半導(dǎo)體硅(單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）化合物半導(dǎo)體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機(jī)太陽能電池有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）光化學(xué)太陽能電池（納米TiO2等）2/6/2023124.1無機(jī)太陽能電池4.1.1單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池因?yàn)橘Y源豐富轉(zhuǎn)換效率高，所以是現(xiàn)在開發(fā)最快的產(chǎn)業(yè)。但因制造工藝復(fù)雜，需消耗大量能源，所以成本高，能源回收周期長。單晶硅太陽能電池的制作過程如圖所示：圖3：單晶硅薄片制造工序2/6/202313圖4：單晶硅電池工序2/6/202314

4.1.2多晶硅太陽能電池

多晶硅材料則是由許多單晶顆粒（顆粒直徑為幾微米至幾毫米）的集合體。各個單晶顆粒的大小，晶體取向彼此各不相同。多晶硅與單晶硅的主要差別在于多晶硅內(nèi)存在許多晶粒間界。為了盡可能的減小晶粒間界的影響，使多晶硅太陽能電池具有合適的光電轉(zhuǎn)換性能，通常多晶硅是選用太陽能電池級以上純度的硅料，經(jīng)過燒鑄或晶帶法得到。其電池的制造工藝基本上與單晶硅太陽能電池類似。2/6/2023154.1.3非晶硅薄膜太陽能電池

晶體硅太陽能電池是由硅晶體為襯底，通過擴(kuò)散的方式在其表面形成pn結(jié)來制作太陽能電池，這種電池需要耗費(fèi)大量的硅晶體，而硅晶體的制作需要耗費(fèi)大量的能源，能源回收周期較長。薄膜太陽能電池正是克服這一缺點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生的，它是在玻璃或不銹鋼基體上通過化學(xué)或物理方法淀積硅薄膜并形成pn結(jié)而制作的太陽能電池。這種方法材料成本遠(yuǎn)低于硅晶體電池，許多材料都可以作為基體材料，甚至可以采用聚合材料制作成所謂的柔性太陽能電池。非晶硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)與制作工藝如圖所示：2/6/202316圖5：薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)圖6：薄膜太陽能電池的基本工序2/6/2023174.1.4納米太陽能電池

傳統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)的投資回報周期較長。由于太陽能產(chǎn)品較高的價格，太陽能供電系統(tǒng)的安裝費(fèi)用通常相當(dāng)于4～5年的供電收入，即太陽能供電系統(tǒng)在安裝并運(yùn)行供電4～5年之后，才能收回成本并開始獲得純收益。通過納米技術(shù)，可以將太陽能光電轉(zhuǎn)換電路印制在可卷曲的薄膜材料上，將接受的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，這種新型技術(shù)以塑料為生產(chǎn)原料，這樣就不需承擔(dān)由晶體硅材料高價格而導(dǎo)致的高成本。使用上述的納米太陽能技術(shù)，將光電轉(zhuǎn)換電路印制在塑料薄膜材料上制成太陽能電池片，不僅使生產(chǎn)速度提高，而且印制的電路線寬僅有頭發(fā)直徑的十萬分之一，制成的太陽能電池片可以收集更多的太陽能轉(zhuǎn)換為電能。也就是說，納米太陽能電池片的發(fā)電能力比傳統(tǒng)的硅材料太陽能電池片更強(qiáng)。2/6/2023185.太陽能電池的發(fā)展前景材料與器件結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)各種太陽能電池材料研究雜質(zhì)與缺陷的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性影響使用薄膜技術(shù)和剝離技術(shù)。大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)跟蹤與聚光儲電及并網(wǎng)發(fā)電結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電已占50%以建成多個兆瓦級的電站，100MW規(guī)模VS太陽能熱發(fā)電站與建筑物結(jié)合架設(shè)太陽電池組件日本：1994-2000年2萬套屋頂光伏系統(tǒng)185MW；七萬屋頂計劃280M美國：1997-2010年百萬屋頂計劃3025MW發(fā)電成本6美分集成在建筑材料上曲線形屋頂瓦、垂直幕墻、窗用玻璃2/6/202319總結(jié)太陽能電池在航天技術(shù)發(fā)展中有著不可替代的作用。由于材料與器材結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā),太陽電能池的地面應(yīng)用