晶体硅太阳电池（沈辉）（第二版）课件 第1-5章 太阳电池基础知识与应用-晶体硅生产工艺与流程

晶体硅太阳电池太阳电池基础知识与应用Basicknowledgeandapplicationofsolar

cellsPART

0101-太阳能概述Solar

Energy太阳是一个充满气体的热球内核：核聚变反应辐射辐射辐射辐射太阳能融化钢太阳能烘干太阳能照明现在广泛开采并使用的石油、天然气和煤炭等矿物燃料，也都是古老的太阳能资源的产物，那是由千百万年前动植物所吸收的太阳辐射能，经过长时期的沉积转换而成的。水能是由水位的高度差所形成的，因为受到太阳辐射的结果，地球表面（包括海洋）上的水分被加热而蒸发，形成雨云在高山地区降水后，由于“水往低处流”，就成为水能的主要来源。通常所谓的太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且还包括像水能、风能和海洋能等间接的太阳能资源，以及包括通过绿色植物的光合作用所固定下来的能量（生物质能）。1、什么是太阳能古代太阳能利用周代，我国人民即能利用凹面镜的聚光焦点向日取火，这是我国和世界上对太阳能的最早利用。《周礼·秋官司寇》说：“司烜氏掌以夫燧取明火于日”。2、我国阳光资源••我国阳光资源较为丰富，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h，年辐射量在5000MJ/m2以上。我国太阳能资源分布的主要特点太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。太阳能辐射单位如何换算？MJ/m2、KWh/m23、全球太阳能资源简介全球强太阳辐射地区通常位于大陆西部的热带地区，而不是赤道附近。干旱或半干旱地区的太阳辐射要强于热带或赤道湿热地区。4、温室效应温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。Atmosphereof

EarthFromWikipedia,thefreeencyclopedia(RedirectedfromEarth's

atmosphere)TheatmosphereofEarthisthelayerofgases,commonlyknownasair,thatsurroundstheplanetEarthandisretainedbyEarth's

gravity.《难以忽视的真相》（英文：An

Inconvenient

Truth）是哥伦比亚广播公司、派拉蒙家庭视频公司等七家公司于2006年联合发行的一部环保纪录片。由戴维斯·古根海姆根据同名图书编导，美国前副总统阿尔·戈尔进行讲解。太阳常数：太阳常数指在日地平均距离(D=1.496x108km)上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每分钟接受的太阳辐射。5、太阳辐射光谱与大气质量太阳辐射光谱太阳常数：太阳常数指在日地平均距离(D=1.496x108km)上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每分钟接受的太阳辐射。LOREMIPSUM

DOLOR为了定量描述太阳能，将在太阳-地球间、地球大气层上方太阳的辐射强度定义为太阳能常数(数值为1353Ｗ/ｍ2)，将大气对地球表面接收太阳光的影响程度定义为大气质量(ＡＭ)。当大气压力Po=1.013Pa，天空无云时，海平面处的大气质量为1。在任何地点，大气质量的值可以从以下公式算出：大气质量=(P/Po)*(1/sinθ)，其中，P为当地的大气压力，以pa表示,Po

=1.013pa,θ为太阳高度角。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量（Air

Mass

，AM)“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X。大气质量（Air

Mass

，AM)1cos

h

s

2AM

1

太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。AM=1/cosθ，当θ=0.482时，大气质量为AM

1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。大气质量（Air

Mass

，AM)地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。大气质量（Air

Mass

，AM)ID

1.353

0.7

AM

0.678IG

1.1

ID式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位KW/m2。AM为大气质量。数值1.353KW/m2为太阳常数，而数字0.7则源于入射到大气层中的辐射大概有70%能到达地球。请总结太阳能资源的优缺点课堂问答•••aic

effect：光生伏光照射时产生电动势6、光电效应与光伏效应光电效应，photoelctric

effect：电磁辐射照射到物体上并使其发射电子的现象。光电效应现象-实验光电效应（伦琴射线照射金属）光生伏特效应，Photovolt特效应是指半导体在受到的现象。光电效应电子对光的吸收临界频率光子能量高逸出光子能量低无逸出电子获得能量后逸出物理表面自由粒子外光电效应电子脱离原子核束缚自由电子内光电效应光伏效应光电导效应两种可能两个过程

E

hc

h

光伏是一种当半导体受到光子辐照时，可以从半导体产生直流电（DC）的发电技术。只要光照射到太阳电池上，它就能产生电能。当光照停止后，发电也停止。太阳电池从来不像蓄电池一样需要充电。有些太阳电池在地球上或在太空中已经连续工作超过30年。7、什么是光伏？光电材料02-光伏发展历史DevelopmentHistoryof

Photovoltaic1839年发现液体光伏效应1905年爱因斯坦光电效应光伏阵列用于卫星1958年1877年第一片硒太阳电池1954年贝尔实验室，第一块硅太阳电池，效率4.5%1959年晶体硅太阳电池产业化1963年生产出民用晶体硅光伏组件1970年太阳电池实现规模民用1985年1999年光伏装机达1000MW中国光伏行业“领跑新南威尔士大学研究团队，电池效率〉者计划”：单晶组件效率17%以上、多晶组件效率16.5%以上20%2015年贝克勒尔家族：四代五个物理学家贝克勒尔效应In1839,atage19,experimentinginhisfather'slaboratory,Becquerelcreatedtheworld'sfirstphotovoltaiccell.Inthisexperiment,silverchlorideorsilverbromidewasusedtocoattheplatinumelectrodes;oncetheelectrodeswereilluminated,voltageandcurrentweregenerated.Becauseofthiswork,thephotovoltaiceffecthasalsobeenknownasthe

"Becquerel

e埃f德fe蒙ct·".贝克勒尔19岁时，在其父亲AntoineCésar

Becquerel的实验室工作，用各种不同光源（包括阳光）照射浸入硫酸溶液中的铂金电极，发现了光伏效应。贝克勒尔效应1839年，A.E.贝克勒尔将氯化银放在酸性溶液中，用两片浸入电解质溶液的金属（铂）作为电极，见下图。贝克勒尔发现，如果有阳光照射时，两个电极间会产生额外的电压。这不就是‘光’转换成了‘电’吗？贝克勒尔将此现象称为光生伏特效应，这是历史上最早被发现的半导体的第二个特征。贝克勒尔发现的是液体中的光生伏特效应，也被称为贝克勒尔效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下导电性增加，这是半导体又一个与光照有关的特性：光电导效应。1883年，亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应，并制成了第一个“硒光电池”赫兹家族普朗克与爱因斯坦1879年3月14日-1955年4月18日1858年4月23日-1947年10月4日贝尔实验室约翰·巴丁、威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿在贝尔实验室贝尔实验室制成的第一批太阳能电池光伏效应实验当研究在铜表面生长氧化亚铜层的光电导效应时，研究者发现了铜-氧化亚铜交界处的整流效应。这一结果引领了大面积整流器的发展，紧接着又促进了大面积光电池的发展。你认为光伏发展历史可如何划分阶段课堂问答光伏领跑者计划什么是光伏领跑者计划？“光伏领跑者计划”是国家能源局拟从2015

年开始，之后每年都实行的光伏扶持专项计划，在“领跑者”计划中所采用技术和使用的组件都是行业技术绝对领先的技术和产品，来建设拥有先进技术的光伏发电示范基地、新技术应用示范工程等方式实施。光伏领跑者分为应用领跑基地和技术领跑基地两大类。加入光伏领跑者计划有什么优势？1、国家部分用电项目将优先采用“领跑者”先进技术产品。如解决无电人口用电、偏远地区缺电问题和光伏扶贫等公益性项目、国家援外项目、国家和各级能源主管部门组织实施的各类光伏发电应用示范项目、各级地方政府使用财政资金支持的光伏发电项目以及在各级政府机构建筑设施上安装的光伏发电项目等。2、政府将在关键设备、技术上给予“光伏领跑者”计划项目市场支持。3、各级地方政府使用财政资金支持的光伏发电项目，应采用“领跑者”先进技术产品指标。4、就整个光伏产业而言，随着一些“领跑企业”成为业内标竿，将带动产业内的其它企业提升产品质量和转换效率，从而推动整个行业的良性竞争与发展。光伏领跑者计划2015第一批领跑者项目光伏组件的技术指标2017第三批领跑者项目光伏组件的技术指标晶体硅太阳能电池产业技术现状与趋势2016年1月2018年5月晶体硅太阳能电池产业技术现状与趋势2016年1月2018年5月03-太阳电池的种类与参数Typesandparametersofsolar

cells晶体硅太阳电池：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池125

R165 156

R200 二栅

156R200

三栅多晶

156

三栅晶体硅太阳电池：125/156晶体硅太阳电池：彩色太阳能电池晶体硅太阳电池：彩色太阳能电池/世博园中国馆晶体-非晶-纳米晶结构非晶硅太阳电池/组件非晶硅薄膜是采用溅射镀膜或是化学气相沉积方式，在玻璃、陶瓷、塑胶或不锈钢基板上所生成的一种薄膜。非晶硅电池可以制备出各种轻便，具有柔性、抗辐射等各种发电产品，可广泛应用于便携式电源及空间电源领域。非晶硅（amorphoussilicon,a-Si）可沉积在柔性衬底上，非晶硅柔性电池具有轻、薄，可卷曲等特点，其厚度是晶体硅电池的1/300，在降低原材料成本方面具有巨大的优势。有研究表明，在同样标称功率的情况下非晶硅薄膜电池组件的发电比晶体硅电池组件多发电10-30%。这主要得益于非晶硅具有较高的光吸收系数和较低的温度系数。非晶硅/晶体硅光伏组件发电量对比统计带状硅太阳能电池EFG(EdgeDefinedFilm-fed

Growth)定边喂膜生长法技术，用激光枪把硅管从中切开，硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积的太阳能电池(EFG)碲化镉太阳能电池/组件目前全世界最大碲化镉薄膜光伏电站CdTe（碲化镉）属于II-VI族化合物半导体材料，具备直接带隙，其带隙宽度为1.45eV，此外还具有很高的光吸收系数（＞5×105cm-1）。理想太阳电池转换效率与带隙宽度关系的计算表明CdTe的光谱响应与太阳光谱非常匹配。这意味着仅2μm厚的CdTe薄膜就已足够吸收AM1.5条件下99%的太阳光。2000-2011年各类薄膜电池占全球光伏电池总产量的比重铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池/组件CIGS是一种Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体材料。由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。汉能美国子公司GSE铜铟镓硒技术介绍砷化镓太阳能电池/组件GaAs（砷化镓）III-V薄膜电池因其具有较高的转换效率和高的抗辐射性能，是非常理想的太阳能电池材料而受到人们的普遍重视。汉能美国子公司Alta

Devices全球最高转化率砷化镓技术介绍燃料敏化太阳能电池/组件

化学法制备太阳电池

柔性太阳电池制备04-硅的性质及其应用Propertiesandapplicationsof

silicon硅物质类别：非金属单质，分为晶体和无定型两种物理性质：有金属光泽、灰黑色固体、熔点高、硬度大、有脆性、半导体化学性质：常温不活泼硅的化合物硅的应用硅的各种化合物太阳光采集及光纤传输照明技术光伏产业中的硅能带理论能带理论是现代固体电子技术的理论基础。晶体中电子的运动规律可以用能带理论来研究。它的出现是量子力学与量子统计在固体中的应用的最直接、最重要的结果。能带论的基本出发点是认为固体中的电子不再是完全被束缚在某个原子周围，而是可以在整个固体中运动的，称之为共有化电子。但电子在运动过程中并也不像自由电子那样，完全不受任何力的作用，电子在运动过程中受到晶格原子势场的作用。自由电子（free

electron）：在化学中是指在分子中与某个特定原子或共价键无关的电子。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。金属中、半导体中的自由电荷及绝缘体中的微量自由电荷都属于自由电子。自由电子的多寡会影响物质的导电性和导热性，自由电子愈多，导电的能力愈强。大部分的金属都有相当数量的自由电子，非金属则相反。能带理论硅晶体结构每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。这四个原子分别在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）109°28′。能带理论世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。导电的原因：物体中存在自由电子。在外电场作用下，自由电子可以发生定向运动而形成电流。自由电子（free

electron）：在化学中是指在分子中与某个特定原子或共价键无关的电子。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。金属中、半导体中的自由电荷及绝缘体中的微量自由电荷都属于自由电子。自由电子的多寡会影响物质的导电性和导热性，自由电子愈多，导电的能力愈强。大部分的金属都有相当数量的自由电子，非金属则相反。能带理论请用能带理论来解释导体、半导体、绝缘体的导电性课堂问答能带理论Fillingoftheelectronicstatesinvarioustypesofmaterialsatequilibrium.Here,heightisenergywhilewidthisthedensityofavailablestatesforacertainenergyinthemateriallisted.TheshadefollowstheFermi–Diracdistribution(black=allstatesfilled,white=nostatefilled).InmetalsandsemimetalstheFermilevelEFliesinsideatleastoneband.IninsulatorsandsemiconductorstheFermilevelisinsideabandgap;however,insemiconductorsthebandsarenearenoughtotheFermileveltobethermallypopulatedwithelectronsor

holes.能带理论能力和导电到到300

℃，具有正的温微量的不同类型杂质（简称掺杂）能显著的改变半导体的导电掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从

2.14×103Ω⋅m

减小。变化也能改变半导体材料的导电性能。锗的温度从200℃

升高一半左右。半导体的电阻率具有负的温度系数，金属的电阻率的导电能力还会随光照、电场、磁场、压力和气氛的作用而发生变化掺杂特性：掺入类型。在纯硅中0.004Ω⋅m左右温度特性：温度电阻率就要降低度系数。环境特性：半导体（称为光电导现象）。对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：禁带宽度、能参与导电的自由载流子的数目、当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复合。假设用可见光照射在一块本征硅上，硅的电阻率是否会发生变化？课堂问答05-晶体硅生产工艺与流程Processforproducingcrystalline

silicon晶体与非晶体单、多晶硅片少子寿命对比铸锭单晶：利用单晶硅为籽晶，通过铸锭炉生长的铸造单晶，制备的电池效率较单晶低0.3%以内，具有较高的组件CTM；性价比高于单晶。晶体硅生产流程从沙子到硅从