光伏电池的应用与发展

Page2发展太阳电池的意义存在问题——能源危机进入21世纪，人类在享用现代科技带来的丰富的物质文明的同时，却不得不面对经济发展造成的对资源的巨大消耗，特别是作为社会经济发展命脉的能源资源日益枯竭，使人类面临着能源短缺的危险！Page3存在问题——环境污染气候变暖、南极空洞、生态失衡、环境恶化……过度排放的废水、废气、废渣让我们的地球不堪重负。全球变暖是一个毋庸置疑的事实，而且正在加速变暖。研究发现，全球平均温度已升高0.3～0.6摄氏度，其中11个最暖的年份发生在80年代中期以后。全球变暖已经带来冰川消退、海平面上升、荒漠化等等非常严重的后果，还给生态和农业带来严重影响。Page4漫画：明天我们去哪里？Page5太阳能被认为是21世纪最重要的新能源太阳能将成为未来主要的能源方式“低碳经济”是以低能耗低污染为基础的经济。在全球气候变化的背景下，“低碳经济”日益受到世界各国的关注。随着中国经济的快速增长，能源、资源、环境已成为未来发展严重的制约因素。发展低碳经济，推动节能减排，成了当务之急。太阳能光伏发电以其清洁、源源不断、安全等显著优势，已成为保障我国能源供应战略安全，大幅减少排放和保证可持续发展的重大战略举措。可再生能源、绿色能源是人类最为理想的选择，太阳能将成为未来的主要能源方式。据EPIA（欧洲光伏工业协会）预测至2050年光伏发电将会满足世界上21％的电力需求。Page6太阳电池发展简史第一阶段（1954-1973）1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块太阳电池。太阳电池开始了缓慢的发展。Page7第二阶段（1973-1980）1973年爆发了中东战争，引起了第一次石油危机，从而使许多国家，特别是工业发达国家，加强了太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，而且成立了太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。于1978年美国建成了100kW太阳地面光伏电站。日本1974年公布了政府制定的“阳光计划”。Page8第三阶段（1980-1992）进入20世纪80年代，世界石油价格大幅回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力，太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标的实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心。这个时期，太阳能利用进入了低谷，世界上很多国家相继大幅消减太阳能研究经费，其中美国最为突出。Page9第四阶段（1992-2000）由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样的背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境和发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议程》和《联合国气候变化框架条约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能和环境保护结合在一起，国际太阳能领域的合作更加活跃，规模扩大，使世界太阳能技术进入了一个新的发展时期。这个阶段的标志性事件有：1993年，日本重新制定“阳光计划”；1997年，美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”。在1998年，澳大利亚新南威尔士大学创造了单晶硅太阳电池效率25%的世界效率。Page10第五阶段（2000-2010）进入21新世纪，原油也进入了疯狂上涨的阶段，从2000年的不足30美元/桶，暴涨到2008年7月时接近150美元/桶，这样世界各国再次认识到不可再生能源的稀缺性，加强了人们发展新能源的欲望。此一阶段，太阳能产业也得到了轰轰烈烈的发展，许多发达国家加强了政府对新能源发展的支持补贴力度，太阳能发电装机容量得到了迅猛的增长。受益于太阳能发电需要的猛烈增长，中国在2007年一跃成为世界第一太阳电池生产大国。在光伏电池转换效率方面，多晶硅太阳电池最高转换效率达到了20.3%。2009年，美国Spectrolab公司最新研制的GaAs多结聚光太阳电池转换效率达到了41.6%，这是迄今为止所有类型太阳电池最高的实验室效率。Page11第六阶段（2011-）国外金融经济危机+光伏企业无限制增长导致光伏组件价格大跌，企业倒闭、裁员。整合阶段。黎明前的黑暗Page12第一代：晶体硅太阳电池（单晶硅、多晶硅）第二代：薄膜太阳电池（非晶硅、多晶硅、微晶硅、碲化镉等）第三代：新概念太阳电池太阳电池的分类按太阳电池发展阶段分为三代Page13按用途分为空间太阳电池、地面太阳电池、光伏传感器等。按电池结构分为同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳电池、复合结太阳电池、液结太阳电池等。按所用材料分为硅基太阳电池、化合物太阳电池、功能高分子材料太阳电池、纳米晶太阳电池等。按工作方式分为平板太阳电池、聚光太阳电池Page14种类转化效率（%）优点缺点产业化阶段商业化实验室单晶硅17-1924.7±0.5技术成熟，转换效率高，性能稳定成本高大规模多晶硅15-1720.3±0.5比单晶硅成本低效率相对较低，原料成本较高大规模多晶硅薄膜10-1216.6±0.4廉价衬底可以制备，成本低于晶体硅效率相对较低中小规模非晶硅薄膜5-79.5±0.3光吸收率高，原料需求少，可廉价衬底，成本低，适宜大规模生产带宽大，长波不敏感，效率难提高，光致衰退中小规模铜铟硒类12-1519.5±0.5直接带隙，带宽小，大范围光谱响应，性能稳定In稀有金属实验室中试阶段碲化镉9-1116.5±0.5光谱响应好，性能稳定镉有毒，污染较大大规模砷化镓-25.1±0.8带宽1.5eV，光谱响应特性和太阳光非常吻合，吸收率高，性能稳定成本高，用于太空领域可做聚光电池、存在瓶颈染料敏化-10.4±0.3工艺简单，成本低使用液态电解质不方便，稳定性差实验室阶段几类太阳电池性能比较Page15太阳电池的应用太阳电池应用原理图Page16德国弗赖堡Sonnenschiff太阳能城Page17台湾高雄的世运太阳能体育场Page18TheSolarInternationalCommunicationCenter太阳能国际交流中心192011年2月2021全球首架飞使用太阳能驱动的机于2010年7月成功实现24小时不间断飞行并载入人类飞行史册。2011年5月13日，它成功完成首次跨国飞行，从瑞士的帕耶那飞行近13个小时，途径法国和卢森堡，飞抵布鲁塞尔。222324薄膜硅光伏组件在军事上的应用在平流层飞艇与系留气球上的应用–柔性衬底电池•可卷曲-紧贴或者融入飞艇表面•功率/重量比大（2000W/kg）•高温性能好，适合高空的高温环境•受宇宙射线和粒子辐照的影响较小25薄膜硅光伏组件在军事上的应用在单兵装备和野战战场上的应用–柔性衬底电池•柔韧、可卷曲•重量轻•坚固、不易裂易碎•弱光、高温性能好，适应战场的复杂环境我军目前装备的单晶硅电池电源26名次2008年2009年2010年2011年1德国Q-CellsFirstSolar尚德晶澳FirstSolar2美国FirstSolar尚德晶澳3中国尚德夏普FirstSolar尚德4日本夏普Q-CellsQ-Cells英利5日本京瓷英利茂迪天合6中国英利晶澳昱晶茂迪7中国晶澳京瓷京瓷夏普昱晶8台湾茂迪中国天合台湾新日光9美国SunPowerSunPower天合中国阿特斯10日本三洋台湾昱晶SunPowerSunPower近年来全球前十大太阳能电池厂商27光伏发电系统光伏组件太阳电池硅片多晶硅材料晶体硅光伏产业链基本状况中国晶体硅光伏产业链发展尚不平衡，呈两端小、中间大制造装备辅助材料平衡部件上游中游下游我国光伏产业现状2008.06上海28太阳电池生产流程清洗制绒扩散去PSG印刷刻蚀PECVD硅片烧结电池电池生产线硅片生产线组件生产线Page29一、太阳电池原理太阳电池原理及基本特性p-n结的光生伏特效应太阳电池的电流电压特性太阳电池的基本参数如何提高电池的光电转换效率太阳辐射基本知识Page301.p-n结的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。h≥Eg太阳电池基本结构Page31平衡p-n结：在p-n结处形成耗尽区，其中存在着势垒电场，该电场的方向由n区指向p区。——内建电场光照：在N区、耗尽层P区产生电子-空穴对。多数载流子浓度改变较小，而少数载流子浓度变化很大，主要研究少数载流子的运动。Page32N区：光生空穴(少子)便向PN结边界扩散,一旦到达PN结边界,便立即受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动，越过耗尽区进入P区。P区：光生电子(少子)同样的先因为扩散,后因为漂移而进入N区。在PN结的两侧形成了正负电荷的积累,产生了电动势——光生电动势（光生电压）由P区→N区Page33内建电场：由N区→P区光生电压：由P区→N区正向偏压下的p-n结Page342.太阳电池的电流电压特性光电池工作时涉及三股电流：光生电流IL：N区→P区在光生电压作用下的正向电流ID：P区→N区（暗电流）流经外电路的电流I：pn结正向电流ID负载Ipn结正向电流ID负载IIIIDLPage35光生电流IL：设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数规律下降，因而光生载流子产生率也随光照深度而减小，即产生率Q是x的函数。简化：用表示在结的扩散长度内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度内的空穴和内的电子都能扩散到p-n结面而进入另一边。Q)(npLLpLnL)(npLLLAQqIIQ量子产额，光强，吸收系数IPage36IS：反向饱和电流npnpnpsLnqADLpqADI00在光生电压作用下的正向电流ID：正向偏压：光生电压V10eIITkqVSDPage37流经外电路的电流I：光电池的伏安特性10eIIIIITkqVSLDL①无光照②有光照Page38太阳电池的负载特性曲线：曲线上的点称为工作点，对应的电流和电压分别为工作电压、工作电流，对应的功率为P=IV。当功率为最大值Pm时，对应的Vm、Im分别称为最佳工作电压、最佳工作电流，该点称为最佳工作点。短路时，V=0,I=ISC,称为短路电流。开路时，I=0,V=VOC,称为开路电压。3.太阳电池的基本参数Page39（1）开路电压（2）短路电流（3）填充因子（4）最大输出功率（5）光电转换效率3.太阳电池的基本参数Page40由光电池的伏安特性：得到：10eIIIIITkqVSLDL（1）开路电压p-n结开路情况下，R=∞，此时流经R的电流I=0，则得：IL=ID1ln0IIISLqTkVPage41LSCII1ln0IIVSLocqTk开路电压为：（2）短路电流将p-n结短路，I=0，则得：IQIL_光强度IVOClnIISC当光电压增大到pn结势垒消失时，即得到最大光生电压DVVmaxpn结势垒高度Page42SCOCmIVPFF（3）填充因子FFFF：表征电池I-V曲线“方形”的程度，是衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一。在一定光谱辐照度下，FF愈大，曲线愈“方”，输出功率也愈高。mmmVIPPage43（4）最大输出功率PmmmmVIPFFIVPSCOCm由填充因子表达式可得：在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开路电压VOC、短路电流ISC和填充因子FFPage44太阳电池的效率是有理论上限的。对于硅太阳电池，其禁带宽度为1.12eV。在太阳光谱中，能量小于1.12eV的光子占有约23%的能量。其次，一个被吸收的光子一般只能产生一个电子-空穴对，因而光子能量超