太阳电池发展简史.ppt

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1、太阳能电池发展简史,目录,一、世界太阳能电池发展简史二、中国太阳能电池发展简史三、我国太阳能电池的研发和水平,一 世界太阳能电池 发展简史,1、能源短缺 由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能 延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。,目前世界上大量使用化石能源带来一系列的问题：,2、环境污染 当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大

2、气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。,3.温室效应 化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全 球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量,为了应对这种局面，人们开始在新能源领域投入大量的人力、物力，这些领域包括：太阳能、风能、核能、生物能等。太阳能是各种非可再生能源中要的基本能源，生物质能、煤、石油、天然气等都直接或者间接与太阳能有关。太阳能

3、作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。,通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术。利用这种热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于新能源开发领域。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。,1、与人类历史相比具有长得多的寿命，所以 对人来说几乎是无限的能源；2、太阳能极其丰富，30分钟辐照到地球的能 量就够全世界一年的能源消耗；3、太阳能是绿色环保能源，不会造成公害；4、在使用现场就能从太阳光获得能量；,开发和利用太阳能的优点：,太阳能发电对节能减排的

4、贡献,在1839年，法国科学家比克丘勒（当时只有19岁）就发现一种奇特现象，即半导体在电解质溶液中会产生光电效应，以此原理构成的液结太阳电池是一种光电、光化的复杂转换。简单来说，是将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生电流，同时从电解液中释放出氢气。适合作这种电极的材料很多，如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化镓、磷化铟、二氧化钛等。,光生伏特现象的发现,从世界范围内来看，太阳能电池发展主要经历了三个时期:,第一个时期 1954年美国贝尔实验室开发出效率为6的单晶硅电池-现代硅太阳能电池时代从此开始。纽约时报把这一突破性的成果称为“最 终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新

5、时代的开始。”现代太阳电池的先驱。由于航天器上的电源要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响，而太阳能电池则完全满足这种要求，所以太阳能电池首先在航天器上得到应用。,1958年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池作为尖端技术，身价百倍。随后20多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改进，电池设计逐步定型。这一时期世界光伏发电累积装机容量只有30MW左右，主要用于无电网地区和特殊场合作为独立电源系统，这是太阳能电池发展的第一个时期。由于当时太阳电池造价昂贵，发展受到了限制。,第二个时期 从80

6、初期到90年代末期，由于能源危机的加剧，在世界各国大规模国家光伏发展计划的推动下，世界光伏工业平均年增长率达到13%。这一时期，背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散、表面织构化等技术逐步引入到太阳能电池的加工制造当中，使得太阳电池转换效率有了较大提高，并在地面得到广泛应用。到70年代末地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。,这一时期出现的新技术：1、背表面电场（BSF）电池在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。2、紫光电池这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。

7、因其浅结（0.1一0.2m）密栅（30cm）、减 反射（Ta2O5短波透过好）而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。3、表面织构化电池也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率15，AMI时18。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。,4、异质结太阳电池即不同半导体材料在一起形成的太阳电池，SnOSi，In20Si，（1n203十SnO2Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2O3SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO2、In2O3、（1n2O3Sn

8、O2）是许多薄膜电他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。5、MIS电池是肖特基（MS）电池的改型，即在金属和半导体之间加入nm绝缘层，使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。,6、MINP电池可以把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。7、聚光电池聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用200c

9、m高阻n型材料并使电池厚度降低到100-160um，使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26.5。,第三个时期 1997年以后(2002年)，受到日、德、美等西方发达国家屋顶计划及政府补贴的刺激，世界光伏工业的发展加速，平均年增长率达到36，发电方式也从离网应用发展到并网发电。太阳电池商用组刊：商业大规模转化效率达到15%-18，为了能够早日实现更大规模的商业应用，目前每瓦电池的安装成本目标控制在1015元以下。在不少领域和地区已经具有相当强的竞争力。目前，大规模的太阳能电池产业已经初步形成。,这个时期技术上的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿

10、命、改进陷光效应引入到电池的制造工艺中。大幅度的提升了电池的转化效率，将电池的制造成本控制到了一个相对能够接受的程度。2002年8月MrHarryShimp(BPSolar总裁)宣称：世界最终将走向可再生能源。在20-25年后液态碳氢化合物的储量开始下降。我们现在正处于这样的一段时间窗口，从传统能源转变到可再生能源。,为了使光伏发电能够替代相当一部分传统能源，使能源结构发生重大的变化，成为二十一世纪最重要的基础能源之一，还需要光伏工业和技术有20-30年持续的加速发展光伏界任重而道远然而，只要不断引入新工艺，进行深入的基础研究，这是可以实现的日本、欧洲和英国不同地区的市场开拓计划，增加了太阳电

11、池的市场需求，光伏将长期保持高速度增长，即便目前由于经济环境的影响，暂时有些波动，也不会改变这一长期发展趋势RoyalDutchShell认为，未来儿十年，将迎来可再生能源的高速增长,1839年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1876年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应 1883年 制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。1930年肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提 出用“光伏效应”制造“太阳电 池”，使太阳能变成电能。1931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳 光下启动了一个电动机。1932年奥杜博特和斯托拉制成第一块硫化镉太阳电池

12、。1941年奥尔在硅上发现光伏效应。1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实 用的单晶太阳电池，效率为6%。1954年 同年，韦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，制成了第一块薄膜太 阳电池。,1955年 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。1957年 硅太阳电池效率达8%。1959年 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1960年 硅太阳电池首次实现并网运行。1969年 薄膜硫化镉太阳电池效率达8%1972年 罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。1972年 美国宇航公司背场电池问世。1973年 砷化镓太阳电池效率达

13、15%。1974年 COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18%。1975年 非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%。1976年 多晶硅太阳电池效率达10%。,1978年美国建成100kWp太阳地面光伏电站。1980年 单晶硅太阳电池效率达20%，砷化镓电池达 2.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%1983年美国建成1MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池 效率达11.8%。1986年美国建成6.5MWp光伏电站。1990年德国提出“2000个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋 顶装35kWp光伏电池。1995年高效聚光砷化镓太阳电池效率达32%。1997年美国提

14、出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在 1997年日本“新阳光计划”提出到2010年生产43亿Wp光 伏电池。1997年欧洲联盟计划到2010年生产37亿Wp光伏电 1998年单晶硅光伏电池效率达25%。,太阳能电池按材料区分：有单晶硅电池、多晶硅、微晶硅、化合物半导体和有机半导体等。然而目前仍以晶硅电池为主导，因为硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。,光伏产业发展保持稳定的增长率,全球太阳能电池/组件产量展望（GW）,发 展 因 素,全球变暖的威胁加大 一次性能源枯竭及能源需求日益

15、增长京都议定书及各国政府立法大力 推进可再生能源的发展 可再生能源生产成本下降，成本趋近 传统能源,2007年 2008年 2009年 2010年 2011年,0,5,10,15,20,25,4.0,6.1,10.2,15.1,20.5,量子国际,太阳能电池典型结构,具有高技术、无污和自供电的特点，能够强化建筑物的美感和建筑质量光伏部件是建筑物总构成的一部分，除了发电功能外，还是建筑物耐厚的外部蒙皮，具有多功能和可持续发展的特征；分布型的太阳辐射和分布型建筑物互相匹配；建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积；不需要额外的昂贵占地面积，省去了光伏系统的支撑结构，省去了输电费用。,光伏建筑一体化（

16、BIPV),太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。,日本 SANYO SOLAR ART,住宅设计,二、中国太阳能电池的发展,中华人民共和国可再生能源法“十一五”规划中明确提出，要加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源可再生能源中长期发展规划中国的能源状况与政策白皮书,国内政策法律支持,一、孕育期 上世纪80 年代中期以前，除了空间太阳电池由专门科研机构研制和生产外，武汉、宁波、昆明、西宁、成都等地的一些民用半导体器件厂利用废次单晶硅片和p-n 结二极管工艺制作地面用太阳电池，开始了我国地面光伏产业的孕育期.,二、初步形成期 80年代中期末期，国家帮助

17、宁波和开封两个厂引进关键太阳电池生产设备，形成专业化太阳电池生产厂，随后秦皇岛华美和云南半导体厂分别引进全新和二手全套太阳电池生产线、哈尔滨克罗那公司和深圳宇康公司分别引进非晶硅太阳电池生产线，至此我国太阳电池产业初步形成，生产能力达到4.5 MWp,三、稳定发展期 90年代中期末期为我国太阳电池稳步发展期，经过引进、消化、吸收和再创新，太阳电池生产技术和工艺得到稳定发展和提高，生产量稳步增长，基本满足国内市场的需要并有极少量的出口.,四、快速发展期 进入本世纪以后，我国太阳电池的生产进入快速发展期。保定英利率先突破原有的单晶硅和非晶硅电池生产，筹建3MWp 多晶硅电池生产线；2001 无锡尚

18、德建立10MWp 太阳电池生产线获得成功，20032005 年，在欧洲特别是德国市场拉动下，继无锡尚德和保定英利的持续扩产，其他多家企业纷纷建立太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产迅速增长。,围绕着太阳电池生产，我国逐步形成了一个较完整的光伏产业链，它包括多晶硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统集成应用等整个产业链。同时，也带动了相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造以及光伏系统平衡部件制造等的发展。,三、我国太阳能电池的研发和水平,太阳能电池要取得全面的大规模的发展，所面临的主要问题就是成本，因为它的是与常规能源相竞争的。在晶体硅与薄膜电池两个领域，目前

19、发展的方向就是：高效、低成本。因为提升转化效率即等于降低成本。,晶体硅太阳能电池在21世纪的前20年内仍将是居主导地位的光伏器件，在生产和应用总量中占首位，并将向效率更高、成本更低的方向发展。,在减低生产成本方面所做的努力主要有：要采用大容量的晶体生长装置，先进的切割设备以切割更薄的硅片、扩大平面晶体面积等方式。,制约晶体硅太阳能电池光电转换效率进一步提高的主要技术障碍有：1、电池表面栅线遮光影响；2、电池表面光反射损失；3、光传导损失；4、内部复合损失；5、表面复合损失等。,1、钝化发射极、背面局部扩散太阳能电池（PERL）电池正反两面部进行氧钝化，并采用光刻技术将电池表面的氧化硅层制作成倒

20、金宇塔，两面的金属接触面都进行缩小，其接触点进行了硼与磷的重掺杂。用此法制备的单晶硅电池效率已达24.7%，多晶硅电池效率已达19.8%。,2、埋栅太阳能电池（BCSC)采用激光刻槽或机械刻槽。激光在硅片表面刻出宽度为20um左右的槽，然后化学镀铜，以形成电极，它的主要特征是：随机绒面，降低了表面反射率；选择性发射极，获得了最佳的光谱响应及最小的接触电阻。激光刻槽埋栅电极（LGBG），达到了最小的遮光率，高电导率的铜电极。这种电池的批量生产效率已达17.8%，因此已具有工业化生产的意义。目前我国这种电池的实验室效率为21.55。,3、高效背表面反射器太阳能电池（BSR）在太阳能电池的背面和背面

21、接触之间用真空蒸镀的方法沉积一层高反射率的金属表面一般为铝从而反射能被电池吸收并转换为电能光的波长。对硅电池来说，约为1150nm，比它更长的任何辐射波都容易透过半导体材料进入背表面反射器。电池的厚度越薄，背反射器的作用越明显。所谓背反射器，就是将电池背面做成反射面，它能反射透过电池基体到达背表面的光，从而增加光的利用率。这样，可增加电池对长波光的吸收，使短路电流增加。,4、高效低阻硅太阳能电池（RESC）它是一种用电阻率为0.2cm和0.3cm的型区熔硅制成的电池。其特点是在电池的发射区制备一层钝化层。这种结构的电池，减少了表面密度，抑制了表面复合速度。其扩散结较深，约为0.7um，在保持较

22、高短路电流密度39.2A/cm2的同时，具有相当高的开路电压670mV和较高的填充因子(82.1%)。该电池在AM1.5、100A/cm2、252的条件下测试，其转换效率可达21.6%。,此外，目前量产的高效电池有三洋的HIT电池，SUNPOWER背接触电池，三菱的蜂窝结构，京瓷的背接触单元等。,（2）薄膜太阳电池,薄膜太阳能电池又可分为：多晶硅薄膜电池，非晶硅薄膜电池，CdTe薄膜电池，CuInGa、SeS2薄膜电池、燃料敏化TO2电池等。,1、非晶硅薄膜电池 非晶硅薄膜电池是硅和氢的一种合金，它对阳光的吸收系数较高，太阳电池的活性层只需要1um厚，可以沉积在廉价材料的衬底上。目前的研究主要

23、集中在提升效率和稳定性：通过有不同带隙的多结迭层提高效率和稳定性。降低表面光反射 改进电池结构使用更薄的i层，以增加内建电场，降低光诱导衰减。,2、多晶硅薄膜电池,多晶硅薄膜电池具有晶体硅电池的稳定性、材料资源丰富，又具有薄膜电池的材料省、成本低等优点，主要有以下几种电池。,CVD多晶硅薄膜电池叠层多晶硅薄膜电池硅球太阳电池,3、CdTe薄膜电池,CdTe碲化镉薄膜电池是II-VI族化合物，带隙为1.5eV，与太阳光谱非常匹配，具有很高的理论效率28.但是由于CdTe在薄膜电池中毒性最高，因此影响了它的发展。,4、CuInGaSe铜铟镓硒薄膜电池,5、燃料敏化TiO2薄膜太阳能电池,进入21世纪来，高效晶体硅太阳电池及各种薄膜太阳电池获得了快速的发展，在“973”项目计划的帮助下很多领域获得了突破性的进展，个别领域已经接近国际领先水平。,