03_第三章_太阳电池基础1

IntroductiontoSolarPhotovoltaicTechnology南昌大学-LDK研究中心南昌大学太阳能光伏学院太阳电池发展史半导体材料与理论硅片的生产太阳电池原理太阳电池工艺太阳电池理论分析太阳电池的表征太阳电池分类太阳电池的发展第三章太阳电池基础第一节§1.太阳电池发展史太阳电池发展史太阳能光伏发电最核心的器件——太阳电池。从1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池已经经过了160多年的漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用。至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。太阳电池发展史太阳电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳电池、CIS太阳电池、CdTe太阳电池和纳米燃料敏化太阳电池等，此外主要的是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。太阳电池发展史回顾历史有利于了解光伏技术的发展历程，按时间的发展顺序，将于太阳电池发展有关的历史事件汇总如下：1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。太阳电池发展史1904年Hallwachs发现铜与氧化亚铜（Cu/Cu2O）结合在一起具有光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文。1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。1921年德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔（Nobel）物理奖。1930年B.Lang研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池”论文；W.Schottky发表“新型氧化亚铜光电池”论文。太阳电池发展史1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象。1933年L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文。1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。1953年Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光普的具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算。太阳电池发展史1954年RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉的光伏现象，(RCA:RadioCorporationofAmerica，美国无线电公司)。贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。1955年西部电工（WesternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利，在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。太阳电池发展史1956年P.Pappaport，J.J.Loferski和E.G.Linder发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。1957年Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%；D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器件”专利权。1958年美国信号部队的T.Mandelkorn制成n/p型单晶硅光伏电池，这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光伏电池100cm2，0.1W,为一备用的5mW话筒供电。太阳电池发展史1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共用9600片太阳能电池列阵，每片2cm2，共20W。1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。1962年第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳能电池功率14W。1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242W光伏电池阵列，在当时是世界最大的光伏电池阵列。太阳电池发展史1964年宇宙飞船“光轮发射”，安装470W的光伏阵列。1965年PeterGlaser和A.D.Little提出卫星太阳能电站构思。1966年带有1000W光伏阵列大轨道天文观察站发射。1972年法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电。1973年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。太阳电池发展史1974年日本推出光伏发电的“阳光计划”；Tyco实验室生长第一块EFG晶体硅带，25mm宽，457mm长(EFG:EdgedefinedFilmFed-Growth，定边喂膜生长)。1977年世界光伏电池超过500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅(a-Si)太阳能电池。1979年世界太阳能电池安装总量达到1MW。太阳电池发展史1980年ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1MW光伏电池生产厂家；三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了非晶硅组件批量生产并进行了户外测试。1981年名为SolarChallenger的光伏动力飞机飞行成功。1982年世界太阳能电池年产量超过9.3MW。1983年世界太阳能电池年产量超过21.3MW；名为SolarTrek的1KW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000Km。太阳电池发展史1984年面积为929c㎡的商品化非晶硅太阳能电池组件问世。1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W；澳大利亚新南威尔土大学MartinGreen研制单晶硅的太阳能电池效率达到20%。1986年6月，ARCOSolar发布G-4000———世界首例商用薄膜电池“动力组件”。1987年11月，在3100Km穿越澳大利亚的PentaxWorldSolarChallengePV-动力汽车竞赛上，GMSunraycer获胜，平均时速约为71km/h。太阳电池发展史1990年世界太阳能电池年产量超过46.5MW。1991年世界太阳能电池年产量超过55.3MW；瑞士Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达到7%。1992年世界太阳能电池年产量超过57.9MW。1993年世界太阳能电池年产量超过60.1MW。1994年世界太阳能电池年产量超过69.4MW。1995年世界太阳能电池年产量超过77.7MW；光伏电池安装总量达到500MW。太阳电池发展史1996年世界太阳能电池年产量超过88.6MW。1997年世界太阳能电池年产量超过125.8MW。1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW；多晶硅太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。1999年世界太阳能电池年产量超过201.3MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）太阳能电池效率达到18.8%；非晶硅太阳能电池占市场份额12.3%。太阳电池发展史2000年世界太阳能电池年产量超过399MW；X.Wu，R.G.Dhere，D.S.Aibin等报道碲化镉（CdTe）太阳能电池效率达到16.4%；单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太阳能电池售价约为2.2USD/W。太阳电池发展史2003年世界太阳能电池年产量超过760MW；德国FraunhoferISE的LFC（LaserFiredContact）晶体硅太阳能电池效率达到20%。2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW；德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。预计未来世界太阳2010年通过技术突破，太阳能电池成本进一步降低，在世界能源供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到12.5%。2020年太阳能发电成本与化石能源成本相接近，德国可再生能源占20%。2030年太阳能发电达到10%~20%；德国将关闭所有的核电站。能发电产业的发展预计未来世界太阳2050年世界太阳能发电利用将占世界能源总能耗30%~50%份额。2100年以煤、石油、天然气为代表的化石能源基本枯竭，人类主要利用太阳能、氢能、风能、生物质能等洁净可再生能源。人类将充分利用太阳能发电。能发电产业的发展中国太阳能发电发展史1958年我国开始研制太阳能电池。1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳能电池。1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验卫星实践一号上首次应用由天津电源研究所研制的太阳能电池。1973年在天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源研究所研制的太阳能电池，航标灯上应用14.7W太阳能电池。中国太阳能发电发展史1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池。1980～1990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备、成套生产线和技术，先后建立单晶硅电池生产企业，如宁波太阳能电源厂、开封半导体厂、云南半导体厂、秦皇岛华美太阳电池厂等。到20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业。2004年我国太阳能电池产量超过印度，年产量达到50MW以上。中国太阳能发电发展史2005～2006年期间，我国大陆包括正在建设的太阳电池或太阳能电池组件产量可达10MW以上的厂家有很多，如：无锡尚德，保定天威英利，宁波太阳能，南京中电光伏，上海太阳能科技，云南天达和常州天合等。我国已成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链。随着我国“可再生能源法”的实施，我国太阳能光伏发电将得到快速发展。预计在3～5年内我国在太阳能光伏电池研发、生产、应用产品开发将形成一个世界级的产业基地，并将在国际太阳能光伏工业产业中占据重要的地位。第二节§2.半导体材料与理论能带理论简单立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al…体心立方晶格Li、Na、K、Fe…六角密排晶格Be，Mg，Zn，Cd…晶体：有规则对称的几何外形；物理性质(力、热、电、光…)各向异性；有确定的熔点；微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵(晶格)。电子共有化1、周期性势场(1)孤立原子(单价)电子所在处的电势为U，电子的电势能为V。电势能是一个旋转对称的势阱。●●r+-eUVUVr●+电子能级势阱旋转对称势垒+电子共有化(2)两个原子的情形VVr●●++电子共有化(3)大量原子规则排列的情形●●V●r●●●●+++++++aE1E2晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构，晶体中形成周期性势场。电子共有化2、电子共有化(1)对能量E1的电子势能曲线表现为势垒；电子能量势垒高度且E1较小，势垒较宽，穿透概率小；仍认为电子束缚在各自离子周围。若E1较大(仍低于势垒高度)，穿透概率较大，由隧道效应，电子可进入相邻原子。电子共有化(2)对能量E2的电子电子能量势垒高度电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。电子共有化：由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，属于共有化的电子。原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子。(3)电