太陽電池材料-緒論

1、太陽電池材料教材：太陽電池材料 楊德仁編著1課程性質(zhì)：專業(yè)必修時間：周一（1，2）周四（1，2）教室：1-215, 8-303課程特點：內(nèi)容廣、概念多課程要求：著重太陽電池材料的基本制備原理、制備技術(shù)以及材料結(jié)構(gòu)、組成對太陽電池的影響。課程考核：考勤（5%），作業(yè)（10%），課后討論（5%），期中（20%），期末（60%）課程簡介12參考書：課程簡介2Tom Markvart 編，梁駿吾 等譯，太陽電池：材料、制備工藝及檢測，機械工業(yè)出版社。林明獻編，太陽電池技術(shù)入門，全華圖書股份有限公司出版。靳瑞敏編著，太陽能電池原理與應用 ，北京大學出版社。3緒 論開發(fā)利用太陽能的戰(zhàn)略意義太陽能發(fā)電的特點

2、太陽能發(fā)電的分類太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展歷史中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展一些國家的“太陽能屋頂計劃”一些國家發(fā)展太陽能光伏發(fā)電的規(guī)劃4 第一章 緒論1化石燃料儲量正面臨逐漸枯竭的危機 局面 隨著世界人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，對于能源供應的需求量日益增加，目前主要是靠化石燃料來提供。然而，化石燃料的儲量是有限的，全球石油可開采約45年，天然氣大約61年，煤炭可開采約230年，鈾大約71年。如果再考慮到現(xiàn)在世界石油消費量大約每年增長2%，這樣每隔35年，消費量將增加一倍。目前1/5的人口消費世界上75%的能源，發(fā)達國家人均石油消費量是最貧窮的全球一半人口消費量的15倍。一. 開發(fā)利用太陽能的戰(zhàn)略意義5 據(jù)世界

3、衛(wèi)生組織估計，到2060年全球人口將達100110億。如果到時所有人的礦物和能源消費量都達到今天發(fā)達國家的人均消費水平，則地球上35種礦物中將有1/3在40年內(nèi)消耗殆盡，包括所有的石油、天然氣、煤炭（假設(shè)為2萬億噸）和鈾。6化石燃料生產(chǎn)(消耗)的峰值存在一個高峰， 高峰在什么時間？ 離現(xiàn)在還有多遠？ 留給可再生能源技術(shù)發(fā)展的時間足夠嗎？！7 日本的預測 自天然氣以下為化石燃料化石燃料生產(chǎn)峰值在20202030之間 8世界油氣資源的開采峰值對化石燃料開采峰值有決定性影響，因此我們再觀察幾個對油氣資源開采峰值的預測。 2002 ， Association for Study of Peak Oil

4、 (ASPO): 峰值位于 2010年(見下圖)； 9ASPO對世界油氣開采峰值的最新預測 峰值位于 201010 2001， BP，World Energy Forum in Davos : 峰值位于2010 ，30-40之后將消耗盡； 2000，World Resources Institute in Washington: 峰值位于 2019.11 綜合以上多種預測，化石燃料開采峰值位于本世紀2030年代12我國一次能源的儲量均低于世界平均值， 2004年進口石油約1.1億噸，外匯支出比前一年增加了30%40%。 13我國能源儲量與世界比較 142保護生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視 隨著全球

5、很多地區(qū)氣候變暖，自然災害頻繁發(fā)生，酸雨范圍越來越廣，高空臭氧層空洞擴大等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使人們逐漸認識到治理大氣環(huán)境，防止污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步。 15 現(xiàn)在單是CO2全球每年排放量就超過500億噸，并且還在不斷增加。按人口平均計算，美國每年的CO2排放量為20噸/人年，德國為12.3噸/人年，日本為8.7噸/人年?！熬┒甲h定書”對于工業(yè)化國家規(guī)定了減少溫室氣體排放量的指標。1617盡管“京都議定書”沒有對我國的溫室氣體排放量規(guī)定具體的指標，但是我國的情況相當突出。 我國能源消費只占世界的8%9%，人均排放量也不算高，但是人口眾多，能源利用率不高，能源消費以燃煤為主，而且煤炭所含的硫等有害成

6、分很高。18 我國SO2排放量占世界的15.1%，為世界第一；CO2排放量占世界的13.6%，列世界第二。因煤炭燃燒而排放的S O2、CO2、NOx和煙塵分別占全國相應排放量的87%、71%、67%和60% ，所以備受世界關(guān)注。 我國必須作出巨大努力，來改變這種狀態(tài)。192003年全球一次能源消耗結(jié)構(gòu)比例20氣候變化/環(huán)境污染/節(jié)能減排/可再生能源利用最近國外的研究報告指出，在幾年內(nèi)我國將成為溫室氣體量排放最多的國家 。 世界銀行估計， 2020年中國由于空氣污染造成的環(huán)境和健康損失，將達到GDP總量的13% 。21 太陽能是取之不盡的清潔無公害新能源。 安裝1KW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可以

7、減少CO2排放量6002300 kg、NOx排放量16 kg、SOx排放量9 kg和微粒0.6 kg。 在我國太陽能每發(fā)1度電，扣除在生產(chǎn)太陽電池及設(shè)備的過程中所消耗的電力，可至少相當于減少CO2排放量1.14kg。 223常規(guī)電網(wǎng)存在局限性 現(xiàn)在全球還有將近20億人口沒有用上電，我國在2000年也還有大約3000萬人口沒有電力供應，其中相當大部分處在經(jīng)濟不發(fā)達的邊遠地區(qū)，由于居住分散，很難用常規(guī)電網(wǎng)解決用電問題，沒有電力供應嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。 作為不受區(qū)域限制的太陽能，是個理想的補充能源，光伏發(fā)電在這些地區(qū)大有用武之地，存在著巨大的潛在市場。 23 二. 太陽能發(fā)電的特點優(yōu)點:太陽能

8、取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽能要比人類消耗的能量大6000倍。只要在美國陽光豐富的西南部沙漠地區(qū)，建立一個面積為100哩100哩的巨型光伏電站，所發(fā)的電力可以滿足全美國的用電需要。太陽能發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊。24太陽能隨處可得，可就近供電，不必長距離輸送，避免了輸電線路等損失。太陽能不用燃料，運行成本很低。太陽能發(fā)電沒有運動部件，不易損壞，維護簡單，特別適合于無人值守情況下使用。優(yōu)點:25太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染，無噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。 太陽能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，方便靈活。而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太

9、陽電池容量，避免了浪費。優(yōu)點:26地面應用時有間歇性和隨機性，發(fā)電量與氣候條件有關(guān)，在晚上或陰雨天就不能或很少發(fā)電。 能量密度較低，標準條件下，地面上接收到的太陽輻射強度為1000W/m2。大規(guī)模使用時，需要占有較大面積。目前價格仍較貴，初始投資高。（2013年08月30日發(fā)改委發(fā)出通知：上網(wǎng)電價和補貼標準明確 光伏業(yè)迎實質(zhì)利好 ）缺 點:27三. 太陽能發(fā)電的分類太陽能光發(fā)電(光伏)太陽能熱發(fā)電 大致可分為槽式太陽能熱發(fā)電塔式太陽能熱發(fā)電碟式太陽能熱發(fā)電28 槽式太陽能熱發(fā)電槽式太陽能集熱場主要由中高溫太陽能真空集熱管、拋物線型反射鏡、槽式支架、對日跟蹤系統(tǒng)以及柔性過渡管構(gòu)成。29 塔式太陽

10、能熱發(fā)電30近代太陽塔熱發(fā)電31 碟式太陽能熱發(fā)電拋物線面聚光鏡鏡面框架接受器32四. 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展歷史1839年 19歲的法國貝克勒爾做物理實驗時，發(fā)現(xiàn)在導電液中的兩種金屬電極用光照射時，電流會加強，從而發(fā)現(xiàn)了 “光生伏打效應”。1877年 亞當斯等在硒片上發(fā)現(xiàn)固體光伏效應，并制成了第一個硒光電池。1883年 美國發(fā)明家弗里茲描述了第一個用硒片制造的太陽電池。331904年 愛因斯坦發(fā)表光電效應論文1916年 密立根提供了光電效應的實驗證據(jù)1918年波蘭科學家切克勞斯基發(fā)展了一種單晶硅生長的方法1930年 郎格發(fā)表了“新的光伏電池” 同年 肖特基發(fā)表 “新的氧化銅光電池”1931年

11、布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電介液，在陽光下帶動電動機341932年 奧杜博特等制成第一塊”硫化鎘”太陽電池1941年 奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應1954年5月美國貝爾實驗室恰賓、富勒和皮爾松宣布僅僅幾個月后原來效率為4.5%的硅太陽電池已上升到6%，這是世界上第一個實用的太陽電池35 美國貝爾實驗室制成的第一批太陽電池361955年11月霍夫曼電子半導體公司（美國）宣布可提供效率為2%的商業(yè)光伏產(chǎn)品， 每個電池14mw，價格為$25， 相當于$1785/W1957年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達到了8%1958年霍夫曼電子公司硅太陽電池效率達到了9%1958年3月17日 太陽電池首次在空間應用

12、，裝備于美國的先鋒1號人造衛(wèi)星，功率為0.1W，面積約100平方厘米。運行了8年371959年霍夫曼電子公司商業(yè)應用的光伏電池效率達到了10%同年8月7日發(fā)射的探險者6號人造衛(wèi)星配備了1cm2cm的太陽電池9600片1960年霍夫曼電子公司太陽電池的效率達到了14%1962年7月23日第一個商業(yè)通訊衛(wèi)星發(fā)射，功率為14W381962年 砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達到了13%1963年 夏普公司生產(chǎn)出了實用的硅光伏組件同年，日本在燈塔上安裝了一套當時世界上最大242W的光伏方陣，容量為242W1964年發(fā)射的大型氣象衛(wèi)星上裝備了470 W光伏方陣391965年 格拉瑟提出了建造空間太陽能電站的設(shè)

13、想1966年 發(fā)射的天文觀察衛(wèi)星裝備了1kw光伏方陣1969年 薄膜硫化鎘太陽電池效率達到了 8%；1972年法國在尼日爾鄉(xiāng)村學校安裝了一套硫化鎘光伏系統(tǒng)同年 羅非斯基研制出紫光電池，效率達到了16%401973年德拉瓦大學建立了世界上第一個光伏與光熱混合的戶用屋頂系統(tǒng): “太陽一號” ，實現(xiàn)了并網(wǎng)運行 同年砷化鎵太陽電池效率達到15%1974年日本制定了發(fā)展光伏的“陽光計劃 ” 同年Tyco實驗室應用定邊喂膜法制成了寬度為1英寸、 18英寸長的的硅帶同年COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達到18%411976年 多晶硅太陽電池效率達到10%1976年卡爾松等制成了第一個非晶

14、硅太陽電池，在面積3.5平方厘米上效率為1.1%19761985年和19921995年美國NASA劉易斯研究中心項目在世界各地安裝了83套不同用途的光伏系統(tǒng)，如為疫苗冷藏、房間照明、通訊、水泵和教室的電視等提供電力421977年世界光伏產(chǎn)量超過了500KW1978年NASA在亞利桑那州巴巴哥印第安人保留區(qū)安裝了3.5KW光伏系統(tǒng)，為水泵和15戶居民提供電力，這是世界上第一個鄉(xiāng)村光伏系統(tǒng),1985年通電網(wǎng)后，該系統(tǒng)專為社區(qū)水泵供電同年 美國建成100KW太陽能地面電站431980年單晶硅太陽電池效率達20%；砷化鎵太陽電池效率達到22.5%；多晶硅太陽電池效率達到14.5%；硫化鎘太陽電池效率達

15、到9.15%同年美國ARCO Solar公司年產(chǎn)量超過1MW441981年5月在沙特阿拉伯吉達安裝了8KW用于海水淡化裝置1982年世界太陽電池產(chǎn)量超過了9.3MW同年7月在美國達拉斯機場安裝了20KW光伏和140KW光熱混合系統(tǒng)同年12月美國安裝1MW光伏電站，使用了108個雙軸跟蹤裝置451983年功率為1KW的太陽能汽車在澳大利亞用不到20天跑完了4000km ，最大時速72km/h ，平均24km/h同年ARCO Solar公司在美國加州卡利薩平原建成6MW光伏電站，占地120英畝，電力輸入太平洋煤氣電力公司電網(wǎng)，足夠20002500戶家庭使用同年世界光伏產(chǎn)量超過21.3MW ，銷售額

16、超過2.5億美元461984年美國薩克拉門托市政公用公司管轄區(qū)(SMUD)關(guān)閉了核電站后，建成了第一個1MW光伏電站同年英國BP Solar公司在南安普敦建成了30KW并網(wǎng)光伏系統(tǒng)1985年澳大利亞新南威爾士大學馬丁格林等研制的硅太陽電池，效率超過了20%471986年6月ARCO Solar公司推出了世界第一個“ G-400”商業(yè)薄膜動力用太陽電池組件1990年 德國提出“ 1000個太陽能屋頂”計劃，每個屋頂安裝35KW太陽電池1992年在南極洲安裝了一套0.5kw光伏系統(tǒng)，配備2.4kwh蓄電池，為實驗設(shè)備，照明，個人電腦，打印機和小型微波爐提供電力481995年 高效聚光砷化鎵太陽電池

17、效率達到32%1996年 BP Solar公司宣布碲化鎘技術(shù)進入商業(yè)化生產(chǎn)同年5月7日圖森電力公司宣布已具備銅銦硒電池生產(chǎn)能力同年7月世界上第一架太陽能動力飛機穿越德國,機身上安裝了3000片高效太陽電池,總面積21平方米491997年 美國提出“百萬太陽能屋頂”計劃，到2010年要安裝100萬套同年，日本提出“新陽光計劃” ，提出到2010年將生產(chǎn)43億W太陽電池同年， 歐盟提出“百萬太陽能屋頂”計劃，到2010年要生產(chǎn)37億W太陽電池1998年單晶硅太陽電池效率達24.7%；全球多單晶硅太陽電池產(chǎn)量第一次超過單晶硅太陽電池501999年 日本太陽電池產(chǎn)量首次超過美國而居世界第一位2000年

18、 全球太陽電池產(chǎn)量達278MW。日本三洋公司的非晶硅/單晶硅/非晶硅雙異質(zhì)結(jié)太陽電池效率超過21%2001年“太陽神號” (Helios)光伏動力飛機飛行高度超過了海拔30km ，創(chuàng)造了新的記錄51 歷年世界太陽電池產(chǎn)量年份197719821983198419851986198719881989產(chǎn)量MW0.59.321.625.024.427.529.135.042.252532004年世界太陽電池產(chǎn)量54世界光伏應用領(lǐng)域55世界光伏市場的發(fā)展562030年世界光伏應用分類預測572003年 主要太陽電池生產(chǎn)公司所占份額 582008年世界前30名太陽電池生產(chǎn)商（MWp）592008年世界前3

19、0名太陽電池生產(chǎn)商（MWp）排名生產(chǎn)廠家產(chǎn)量(MW)排名生產(chǎn)廠家產(chǎn)量(MW)1Q-cell (DE)570.4 16BP Solar (AU,IN,US,ES)156.3 2First Solar (US,DE,ML)504.0 17Schott Solar (DE,US)149.0 3Suntech Power (CH)尚德 （無錫）497.5 18Ersol Solar (DE)143.0 4Sharp (JP)473.0 19REC (NW)132.0 5Kyocera (JP)290.0 20Uni-Solar (US)113.0 6Baoding Yingli (CH)英利 （保定）

20、281.5 21China Sunergy (CH) 中電 （南京）110.9 7JA Solar (CH)晶澳 （揚州等）277.0 22Canadian Solar (CH) 阿特斯 蘇州108.0 8Motech (TW)272.0 23Neo Solar (TW)102.0 9Sun Power (PH)236.9 24Changzhou Yijing (CH) 億晶 常州99.7 10Solar World (US,DE)221.0 25Ningbo Solar (CH) 寧波97.0 11Sanyo (JP)210.0 26Isofoton (ES)96.5 12Trina Sol

21、ar (CH) 天合 （常州）209.0 27E-Ton (TW)95.0 13Solarfun (CH) 林洋 （南通）189.0 28Sovello (DE)94.1 14Mitsubishi Electric (JP,+HEL)188.0 29DelSolar (TW)71.5 15GinTech (TW)180.0 30Jetion Solar (CH) 浚鑫 江陰65.3 合 計6232.6世界前30家光伏企業(yè)總產(chǎn)量6.2GW。中國大陸占10家，總產(chǎn)量1935MW；臺灣占5家總產(chǎn)量720.5MW。中國大陸加上臺灣的產(chǎn)量合計：3500MW，占世界總產(chǎn)量的44%。60五. 中國光伏發(fā)電市

22、場的發(fā)展 中國于1958年開始進行太陽能光伏發(fā)電的研究 1971年首次將太陽電池成功地應用在”東方紅二號”人造衛(wèi)星上 1973年開始將太陽電池應用于地面，在天津港用于航標燈1977年全國太陽電池產(chǎn)量約1.1KW ，價格為200元/W1980年前中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，主要應用于高端領(lǐng)域。此后，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入國家計劃，加大對光伏應用示范項目支持，促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。61五. 中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展 中國于1958年開始進行太陽能光伏發(fā)電的研究 1971年首次將太陽電池成功地應用在”東方紅二號”人造衛(wèi)星上 1973年開始將太陽電池應用于地面，在天津港用于航標燈1977年全國太陽電池產(chǎn)量約1.1KW

23、，價格為200元/W1980年前中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，主要應用于高端領(lǐng)域。此后，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入國家計劃，加大對光伏應用示范項目支持，促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。62五. 中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展2004年德國“上網(wǎng)電價法”的實施，促進了世界光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，也催生了一批中國光伏企業(yè)。隨著，大量民間資本進入光伏產(chǎn)業(yè)，在中國政府大力支持下，中國光伏產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，2007年中國光伏電池產(chǎn)量突破1000MWp，占世界總產(chǎn)量的27.2%，超過日本和歐洲，躍居世界第一大生產(chǎn)國。2007年中國國內(nèi)光伏系統(tǒng)累計安裝100MWp，約占世界累計安裝量的1%。針對光伏產(chǎn)業(yè)與國內(nèi)市場之間發(fā)展的不平衡，2009年3月23日

24、，財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺關(guān)于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見，并出臺了太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法，這兩個文件的出臺，對光伏市場的拓展有巨大的促進作用，讓國內(nèi)太陽能光伏企業(yè)看到了光明的前景。63五. 中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展近幾年來，國家越來越重視光伏產(chǎn)業(yè)，相繼出臺各項鼓勵民間企業(yè)投資光伏產(chǎn)業(yè)的措施和政策，對使用光伏系統(tǒng)的用戶或組織實行補助計劃，與此同時將光伏發(fā)電納入國家項目。自2011年11月初以來，我國光伏產(chǎn)業(yè)的市場端已出現(xiàn)了三次重大事件，分別是美國與歐盟的“雙反”以及國內(nèi)市場大規(guī)模啟動。“美國、歐盟及我國本土這三大市場占據(jù)全球市場總額約70%。 2013年8月6日，

25、中歐光伏“價格承諾”協(xié)議正式實施，中歐貿(mào)易史上涉案金額最大的貿(mào)易摩擦案最終以和解告終，這對行業(yè)來說是一大利好消息。 2013年08月30日國家發(fā)展和改革委員會發(fā)出通知，明確規(guī)定了光伏電站標桿上網(wǎng)電價政策以及分布式光伏發(fā)電項目的電價補貼標準。專家表示，這相當于給光伏發(fā)電企業(yè)吃下了“定心丸”，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成重大利好。 64六. 一些國家的”太陽能屋頂計劃”1. 美國 1997年6月26日美國總統(tǒng)克林頓宣布，為了達到2012年使溫室氣體排放量比1990年減少7 的目標，采取的一項重要措施是實施“百萬太陽能屋頂計劃” ，在2010年前，要在全國的的住宅、學校、商業(yè)建筑和政府機關(guān)辦公樓屋頂上安裝100

26、萬套太陽能裝置，光伏組件累計用量將達到3025MW，產(chǎn)生的電力相當于新建35個燃煤的發(fā)電廠。 65 美國百萬屋頂計劃指標66美國千萬屋頂計劃指標從2012年開始，將投資2.5億美元用于“千萬屋頂計劃”，從2013年2021年，每年將投資5億美元用于太陽能屋頂計劃。2012年2021年，根據(jù)一個家庭3KW5KW容量，總安裝量達30GW50GW，財政補助方式為工程項目凈投入的50%，初始階段補貼1.75美元/W，到2018年大約0.5美元/W。 此次新增的千萬太陽能屋頂計劃，是迄今為止規(guī)模最大、補貼額度最高的新政策，是態(tài)度鮮明的支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的宣言。預計未來幾年市場爆發(fā)增長，美國也將成為全球最重

27、要、增長最快的市場。 672. 歐盟 在1997年提出目標到2010年要由可再生能源提供總能源消耗的12%和電力供應的21%。為此在歐盟范圍內(nèi)要安裝100萬套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中50萬套為屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，另外50萬套是獨立光伏系統(tǒng)，為鄉(xiāng)村供電。在 2010年前要累計安裝太陽能光伏系統(tǒng)3000MW，大約是1995年產(chǎn)量的100倍，發(fā)電量大約2.43.5TWh。683. 德國 在1990年率先宣布并實施“1000屋頂”計劃，開始并不順利，后來政府實行補貼政策，在結(jié)束時安裝了2056套， 超額完成。在此基礎(chǔ)上，1999年開始實施“十萬屋頂”計劃，實行低息貸款，并且以0.50.6歐元 / KWh的高價收購輸入電網(wǎng)的太陽能電力，結(jié)果單是在2003年就安裝了120 MW ，現(xiàn)在德國的