太陽能和光電轉(zhuǎn)換

太陽能和光電轉(zhuǎn)換第一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二主要內(nèi)容：首先討論太陽和太陽能的基本性質(zhì)，闡述太陽光的反射、散射和吸收，太陽能的輻射、吸收及大氣質(zhì)量等概念。討論太陽能應(yīng)用的分類、歷史和進(jìn)展。介紹太陽能光電池和材料的研究及開發(fā)。第二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二太陽能的輻射和吸收太陽生成的巨大能量不斷向宇宙輻射：輻射能的總量：3.6×1820MW/s，其中約22億分之一輻射到地球上，經(jīng)過大氣層的反射、散射和吸收，約70%（每年1.8×1018kW.h）到達(dá)地面，能量巨大，等于1.3×106億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是地球年耗能量的幾萬倍。按照目前太陽質(zhì)量損耗的速率，太陽熱核反應(yīng)可進(jìn)行600億年，所以對人類短暫的歷史而言，太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源。能量的來源：太陽的輻射第三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道呈橢圓形，離太陽的最遠(yuǎn)距離和最近距離分別為1.52×108km和1.47×108km，平均距離為1.49×108km。由于距離的變化，夏天6月份（距離太陽最遠(yuǎn)）地面接收的平均能量為12月份（距離太陽最近）的94%，差別不是很大，可以認(rèn)為太陽在大氣層外的輻射強(qiáng)度是不變的。但是除了由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的原因之外，地球的自轉(zhuǎn)，氣候條件（如云層厚度）和大氣層成分等都能對輻射到地球表面的太陽能能量產(chǎn)生影響，因此，在具體某個(gè)地區(qū)的地面接收到的太陽能在不同的季節(jié)和不同的氣候條件下是不同的。第四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)太陽光照射到地球時(shí)，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，只有約70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達(dá)地球表面。到達(dá)地球表面的太陽光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層。下圖所示為太陽光入射地面時(shí)的情況。散射反射入射透射吸收第五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

太陽光在其到達(dá)地球的平均距離處的自由空間中的輻射強(qiáng)度被定義為太陽能常數(shù)，取值為1353W/m2。大氣對地球表面接收太陽光的影響程度被定義為大氣質(zhì)量（airmass）。大氣質(zhì)量為零的狀態(tài)（AM0），是指在地球外空間接收太陽光的情況，適用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船等應(yīng)用場合；大氣質(zhì)量為1的狀態(tài)（AM1），是指太陽光直接垂直照射到地球表面的情況，其入射光功率為925W/m2，相當(dāng)于晴朗夏日在海平面上所承受的太陽光。這兩者的區(qū)別在于大氣對太陽光的衰減，主要包括臭氧層對紫外線的吸收，水蒸氣對紅外線的吸收以及大氣中塵埃和懸浮物的散射等。在太陽光入射角與地面成夾角θ時(shí)，大氣質(zhì)量為

AM=1/cosθ當(dāng)θ=48.2度時(shí)，大氣質(zhì)量為AM1.5，是指典型晴天時(shí)太陽光照射到一般地面的情況，其輻射總量為1kW/m2，常用于太陽電池和組件效率測試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。第六頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

太陽光的波長不是單一的，其范圍是10pm-10km，但97%以上的太陽輻射能的波長位于0.29～3.0范圍內(nèi)，相對波長較短，屬于短波長輻射。書上圖1.2所示為太陽光輻射的波長分布圖。由圖中可知，由于大氣中不同成分氣體的作用，在AM1.5時(shí)，相當(dāng)一部分波長的太陽光已被散射和吸收。其中，臭氧層對紫外線的吸收最為強(qiáng)烈；水蒸氣對能量的吸收量大，約20%被大氣層吸收的太陽能是由于水蒸氣的作用；而灰塵既能吸收也能反射太陽光。第七頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二1.3太陽能光電的研究和應(yīng)用歷史太陽能與傳統(tǒng)能源煤、石油及核能相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢：一沒有使用礦物燃料時(shí)產(chǎn)生的有害廢渣和氣體，不污染環(huán)境；二沒有地域和資源的限制，有陽光的地方到處可以利用，使用方便且安全；三能源沒有限制，取之不盡，用之不竭，屬于可再生能源。

因此，太陽能的研究和應(yīng)用是今后人類能源發(fā)展的主要方向之一。

第八頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二太陽能能量的轉(zhuǎn)換方式主要分為光化學(xué)轉(zhuǎn)化，太陽能光熱轉(zhuǎn)化和太陽能光電轉(zhuǎn)換三種方式。從廣義上講，風(fēng)能，水能和礦物燃料等也都來源于太陽能。光化學(xué)轉(zhuǎn)換：在太陽光的照射下，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)，生物反應(yīng)，從而將太陽能轉(zhuǎn)化成電能等形式的能量。最常見的是植物的光合作用。太陽能光熱轉(zhuǎn)換：通過反射，吸收等方式收集太陽輻射能，使之轉(zhuǎn)化成熱能，如在生活中廣泛應(yīng)用的太陽能熱水器，太陽能供暖房，太陽能灶，太陽能水泵和太陽能熱機(jī)等。太陽能光電轉(zhuǎn)換：利用光電轉(zhuǎn)換器件將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。最常見的是太陽電池，又稱太陽能電池，應(yīng)用于如燈塔，鐵路信號，海島，山區(qū)，草原，雪山和沙漠等邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電，太陽能汽車和衛(wèi)星等設(shè)備的電源，以及太陽能電站并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域。第九頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二光電技術(shù)研究歷史：早在1876年英國科學(xué)家亞當(dāng)斯等在研究半導(dǎo)體材料時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用太陽光照射硒半導(dǎo)體材料時(shí)，如同伏特電池一樣，會產(chǎn)生電流，稱為光生伏特電。但是，硒產(chǎn)生的光電效應(yīng)很弱，到20世紀(jì)中期轉(zhuǎn)化效率僅有1%左右。1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Chapin等研制出世界上第一塊真正意義上的硅太陽電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6%左右，很快達(dá)到10%，從此拉開了現(xiàn)代太陽能光電（又稱太陽能光伏）的研究，開發(fā)和應(yīng)用的序幕。幾乎同時(shí)，CuS/CdS異質(zhì)結(jié)太陽電池也被開發(fā)，成為薄膜太陽電池研究的基礎(chǔ)。

第十頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二太陽電池應(yīng)用歷史：

最初，硅太陽電池的成本很高，較常規(guī)電力高1000倍以上，僅用于對成本不敏感的太空衛(wèi)星和航天器上。

1958年美國發(fā)射的衛(wèi)星首次使用了太陽電池；1958年5月前蘇聯(lián)在人造衛(wèi)星上安裝了太陽電池；1971年我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星也使用了太陽電池。

20世紀(jì)50年代以后，幾乎所有的人造衛(wèi)星，航天飛機(jī)，空間站等太空飛行器，都是利用太陽電池作為主要的能源。

1973年由于中東戰(zhàn)爭引起的“石油禁運(yùn)”，全世界發(fā)生了以石油為代表的“能源危機(jī)”，人們認(rèn)識到常規(guī)能源的局限性，有限性和不可再生性，認(rèn)識到新能源對國家安全的重要性，加之環(huán)境保護(hù)意識的大幅度提高，使得各國政府開始大力開展太陽能光電技術(shù)的研究和開發(fā)。第十一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

20世紀(jì)70年代以來世界各國政府都加大了對太陽能光電研究和開發(fā)的投入，重點(diǎn)扶持本國的太陽能光伏工業(yè)。

20世紀(jì)90年代后聯(lián)合國多次召開各種政府首腦會議，議論和制定世界太陽能發(fā)展規(guī)劃和國際太陽能公約，設(shè)立國際太陽能基金，推動全球太陽能技術(shù)的開發(fā)和利用。太陽能光電技術(shù)在過去的幾十年中已經(jīng)有了長足發(fā)展，太陽電池的價(jià)格已經(jīng)接近1.5元/（KW·h）。到目前為止，商業(yè)化的太陽電池的發(fā)電成本依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)能源（如水力，火力和核能）的發(fā)電成本，至少是后者的2倍以上。如果僅從發(fā)電成本出發(fā),在最近的10年間，太陽電池尚不具備與常規(guī)能源競爭的能力。但是，考慮到環(huán)境保護(hù)，能源的可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用等因素，太陽能光電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具有很強(qiáng)的競爭力。到2020年，太陽能發(fā)電在所有能源中的比例預(yù)計(jì)能夠達(dá)到3%–5%。第十二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二太陽電池的發(fā)展歷史：

自20世紀(jì)50年代發(fā)明硅太陽電池以來，太陽能光電技術(shù)中新工藝，新材料和新結(jié)構(gòu)層出不窮，研制成功的太陽電池已達(dá)1000多種。從電池的結(jié)構(gòu)上看，有p?n同質(zhì)結(jié)，p?n異質(zhì)結(jié)，金屬?半導(dǎo)體的肖特基(Schottky)結(jié)構(gòu)和金屬?絕緣體?半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)等；從電池材料方面來看，涉及幾乎所有半導(dǎo)體材料，包括單晶硅，非晶硅，微晶硅，化合物半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體等。50年代的硅電池，60年代的GaAs電池，70年代的非晶硅電池，80年代的鑄造多晶硅電池和90年代Ⅱ?Ⅳ化合物電池的開發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)成了太陽能光電材料和器件發(fā)展的歷史腳印。

第十三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

到目前為止，太陽能光電工業(yè)基本是建立在硅材料的基礎(chǔ)之上。單晶硅太陽電池是最早被研究和應(yīng)用的，至今它仍是太陽電池的主要材料之一，主要制備p?n同質(zhì)結(jié)太陽電池。最近，在實(shí)驗(yàn)室中單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%。在實(shí)際生產(chǎn)線中，高效太陽電池（主要應(yīng)用于空間）的轉(zhuǎn)換效率已超過20%；對于常規(guī)的地面用商業(yè)直拉硅太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)到18%。但是由于單晶硅是間接禁帶半導(dǎo)體，其太陽電池舊必須有一定的材料厚度，以便吸收足夠的太陽光，加之單晶硅材料提純和加工的成本較高，使得硅太陽電池的成本相對較高。雖然經(jīng)過研究界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，硅太陽電池成本持續(xù)降低，但是，就目前而言，其成本依然是常規(guī)能源的2倍以上，仍然在阻礙太陽能光電技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

第十四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

為了降低單晶硅電池的成本，20世紀(jì)70年代發(fā)明和應(yīng)用了鑄造多晶硅，80年代末期它僅占太陽電池材料的10%左右，在90年代得到迅速發(fā)展，1996年底已占整個(gè)太陽電池材料的36%左右，2001年更始接近50%。它以相對低成本高效率的優(yōu)勢不斷擠占單晶硅的市場，成為最有競爭力的太陽電池材料。現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室中太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.8%；在商業(yè)生產(chǎn)中，其太陽能轉(zhuǎn)換效率一般為13%?16%。無論是單晶硅還是鑄造多晶硅，在硅片加工過程中，僅僅由于硅片的切割，硅材料的損耗就達(dá)到50%，大大增加了太陽電池的成本。因此，為了進(jìn)一步降低晶體硅太陽電池的成本，多種帶狀硅的太陽電池技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展。這些帶狀晶體硅厚度在200-500mm之間，只要把它們切成合適的大小就能應(yīng)用于太陽電池，大大節(jié)省了原材料成本。但是，由于帶狀硅制備過程中造成晶體缺陷和雜質(zhì)過多，所以轉(zhuǎn)化效率較低。第十五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二

為了進(jìn)一步節(jié)約原材料成本，20世紀(jì)70年代發(fā)展了非晶硅太陽電池，它通常是在玻璃襯底上沉積一層很薄的非晶硅，制備工藝簡單，成本低，而且可以大面積連續(xù)生產(chǎn)。但是轉(zhuǎn)化效率較低，實(shí)驗(yàn)室中13%左右，實(shí)際生產(chǎn)中也不超過10%，而且，非晶硅電池在太陽的長時(shí)間照射下其轉(zhuǎn)化效率有嚴(yán)重的衰減，到目前也沒有解決。

多晶硅薄膜電池沒有轉(zhuǎn)化效率衰減的問題，它同樣具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，但是由于晶粒過于細(xì)小等原因，轉(zhuǎn)化效率只有10%左右，而且現(xiàn)在正處于實(shí)驗(yàn)研究階段，還未達(dá)到實(shí)際大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的水平。第十六頁，共十七頁，編輯于2023年，星期二在硅材料太陽電池發(fā)展的同時(shí)，一系列化合物半導(dǎo)體太陽能電池也發(fā)展迅速，如GaAs、CdTe、CuInS2、CuInGaSe2等。實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)化效率分別為：GaAs---25.7%CuInS2---13