太阳电池的发展现状与前景展望

太阳电池的发展现状与前景展望沈辉中山大学太阳能系统研究所电力电子及控制技术研究所[e-mail]-2-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26主要内容1.太阳电池的发展历史2.太阳电池的基本理论3.晶体硅太阳电池的制备工艺4.薄膜太阳电池的技术发展5.2008年世界光伏产业发展回顾6.欧洲主要国家的光伏并网价格7.光伏与建筑结合的发展现状与趋势8.太阳电池发展未来9.结论与展望-3-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1839年法国实验物理学家亚利山大·柏克勒尔(AlexanderE.Becquerel1820-1891）首次在稀释的酸液体中发现光伏效应,即观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。（AlexanderE.Becquerel是HenriA.Becquerel(1852-1908)的祖父。HenriA.Becquerel由于发现放射性于1903年与居里夫妇一起共同获得诺贝尔物理奖，他的名字被用作放射性的单位）•1877W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效应；•1883美国发明家CharlesFritts描述了第一片硒太阳电池的原理；•1889？弗里兹(CharlesFritts)发明半导体硒太阳电池,光电转换效率仅为1%,主要用于光电探测等;•1905德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文；•1918波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺；•1921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；-4-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1930B.Lang研究氧化亚铜/铜(Cu/Cu2O)太阳电池，发表“新型光伏电池”论文；•W.Schottky发表“新型氧化亚铜(Cu2O)光电池”论文；•1932Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象；•1933L.O.Grondahl发表“铜-氧化亚铜(Cu-Cu2O)整流器和光电池”论文；•1949年W.Shockley,J.Bardeen,W.H.Brattain发明晶体管,给出了p-n结物理解释,从此，半导体器件时代开始；•1951生长p-n结，实现制备单晶锗电池；•1953Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光谱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；•1954RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏现象；(RCA:RadioCorporationofAmerica,美国无线电公司)；-5-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1954年美国贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的第一个实用的单晶硅p-n结太阳电池的发现，几个月后效率达到6%，几年后达到10%;•1954年雷诺慈发现CdS具有光伏效应,1960年采用蒸镀法制得CdS太阳电池,效率为3.5%,1964年美国将效率提高4-6%,欧洲提高到9%;•1955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%的商业太阳电池产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片，相当于1785USD/W；•1956P.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；•1957Hoffman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；-6-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1958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100平方厘米，0.1W，为一备用的5毫瓦的话筒供电；•1958年开始,单晶硅太阳电池在人造卫星\宇宙飞船\航天飞机等空间飞行器作为供电电源的应用,推动了太阳电池的发展,形成小型产业规模,单晶硅太阳电池市场价格1W-100USD;•1959Hoffman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片电池列阵，每片2平方厘米,共约20W；•1960Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%；•1962第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14W；•1963Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242W光伏电池列阵，在当时是世界最大的光伏电池列阵；•1964宇宙飞船“光轮发射”，安装470W的光伏列阵；•1965PeterGlaser和A.D.Little提出卫星太阳能电站构思；-7-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1966带有1000W光伏列阵大轨道天文观察站发射；•1971年斯皮尔等人(W.E.Spear)采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功实现对a-Si:H的掺杂，获得n型和p型材料，为器件制造打下了基础；•1972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美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅；•1973世界发生石油危机，唤起人们对可再生能源的兴趣,特别是在地面上大面积使用太阳电池供电,受到各国政府高度重视;•1974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）太阳电池；•1977年D.L.Staebler和C.R.Wronski在a-Si:H样品中发现，随光照其光电导和暗电导都显著减少，在150℃退火后又复原，这现象称为S-W效应，目前机理尚不清楚；•1979世界太阳电池安装总量达到1MW；•1980ARCO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a-Si组件批量生产并进行了户外测试；•1980年开始,人们注重研究高效率太阳电池,以降低生产成本;•1981名为SolarChallenger的光伏动力飞机飞行成功；-8-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1983世界太阳电池年产量超过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4000公里；•1984面积为1平方英尺（929cm2）的商品化非晶硅太阳电池组件问世；•1985,单晶硅太阳电池用于地面供电电源,太阳电池售价1W-10USD,2000年,1W-2.5USD,2010年美国目标:1W-1USD;澳大利亚新南威尔士大学MartinGreen研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；•19866月，ARCOSolar发布G-4000—世界首例商用薄膜电池“动力组件”；•198711月，在3100公里穿越澳大利亚的PentaxWorldSolarChallengePV-动力汽车竞赛上，GMSunraycer获胜，平均时速约为71km/h；•1991世界太阳电池年产量超过55.3MW；瑞士Grätzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(GraezelCell)效率达到7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;-9-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•1995世界太阳电池年产量超过77.7MW；光伏电池安装总量达到500MW；•1998世界太阳电池年产量超过151.7MW；多晶浇铸硅太阳电池产量首次超过单晶硅；•1999世界太阳电池年产量超过201.3MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%；非晶硅电池占市场份额12.3%；•2000世界太阳电池年产量超过287.7MW，安装超过1000MW，标志太阳能时代到来；•2001世界太阳电池年产量超过399MW;WuX.,DhereR.G.,AibinD.S.等报道碲化镉（CdTe）电池效率达到16.4%；单晶硅太阳电池售价约为3USD/W；德国人制作PVC太阳电池；•2002世界太阳电池年产量超过540MW；多晶硅太阳电池售价约为2.2USD/W；-10-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的发展历史•2003太阳电池年产量超过760MW；德国FraunhoferISE的LFC（Laser－firedcontact）晶体硅太阳电池效率达到20%;•2004太阳电池年产量超过1200MW；德国FraunhoferISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%;非晶硅电池占市场份额4.4%,降为1999年的1/3，CdTe占1.1%;而CIS占0.4%；-11-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池发明人:（1954,BellLab)DarylM.Chapin,CalvinS.Fuller,GeraldL.Pearson-12-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26太阳电池的基本理论•光电效应现象•爱因斯坦的光电效应理论•光伏效应•p-n结形成和特性•太阳电池原理•太阳电池等效电路•太阳电池效率分析•太阳电池的类型•太阳电池的发展-13-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26光电效应现象•光电效应(photoelectriceffect)现象最早在1887年由HeinrichHertz在从事电磁波实验时发现的，即金属表面在光的照射下发射电子。•光电效应是指金属表面在光的照射下能发射电子，即光电子。但金属的功函数大部分在3－5eV之间，因此只有能量是紫外线以上的光子才能被吸收来产生光电流(photocurrent)，而太阳光中紫外线以上的辐射只占很小的一部分（6－7%)。•Dember效应：也称photodiffusion效应，光照射在半导体表面，光子被吸收产生电子－空穴对，则半导体表面的载流子浓度增加而向半导体内部扩散，但由于电子与空穴的扩散系数不同，电子与空穴在空间的分布就不同，因此产生内建电场形成实验可测量到的Dember电压。一般来说，半导体的Dember效应不是很明显。如器件的金属接触不是良好的欧姆接触(ohmiccontact)，则金属－半导体形成的Schottky接触的光伏效应会远远超过纯粹的半导体的Dember效应。-14-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26爱因斯坦的光电效应理论•爱因斯坦从普朗克的能量子假设出发，提出光子(photon)的概念。光子