太陽能和光電轉(zhuǎn)換

太陽能和光電轉(zhuǎn)換第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：首先討論太陽和太陽能的基本性質(zhì)，闡述太陽光的反射、散射和吸收，太陽能的輻射、吸收及大氣質(zhì)量等概念。討論太陽能應(yīng)用的分類、歷史和進展。介紹太陽能光電池和材料的研究及開發(fā)。第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六太陽能的輻射和吸收太陽生成的巨大能量不斷向宇宙輻射：輻射能的總量：3.6×1820MW/s，其中約22億分之一輻射到地球上，經(jīng)過大氣層的反射、散射和吸收，約70%（每年1.8×1018kW.h）到達地面，能量巨大，等于1.3×106億噸標準煤，是地球年耗能量的幾萬倍。按照目前太陽質(zhì)量損耗的速率，太陽熱核反應(yīng)可進行600億年，所以對人類短暫的歷史而言，太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源。能量的來源：太陽的輻射第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道呈橢圓形，離太陽的最遠距離和最近距離分別為1.52×108km和1.47×108km，平均距離為1.49×108km。由于距離的變化，夏天6月份（距離太陽最遠）地面接收的平均能量為12月份（距離太陽最近）的94%，差別不是很大，可以認為太陽在大氣層外的輻射強度是不變的。但是除了由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的原因之外，地球的自轉(zhuǎn)，氣候條件（如云層厚度）和大氣層成分等都能對輻射到地球表面的太陽能能量產(chǎn)生影響，因此，在具體某個地區(qū)的地面接收到的太陽能在不同的季節(jié)和不同的氣候條件下是不同的。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六當太陽光照射到地球時，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，只有約70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達地球表面。到達地球表面的太陽光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層。下圖所示為太陽光入射地面時的情況。散射反射入射透射吸收第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

太陽光在其到達地球的平均距離處的自由空間中的輻射強度被定義為太陽能常數(shù)，取值為1353W/m2。大氣對地球表面接收太陽光的影響程度被定義為大氣質(zhì)量（airmass）。大氣質(zhì)量為零的狀態(tài)（AM0），是指在地球外空間接收太陽光的情況，適用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船等應(yīng)用場合；大氣質(zhì)量為1的狀態(tài)（AM1），是指太陽光直接垂直照射到地球表面的情況，其入射光功率為925W/m2，相當于晴朗夏日在海平面上所承受的太陽光。這兩者的區(qū)別在于大氣對太陽光的衰減，主要包括臭氧層對紫外線的吸收，水蒸氣對紅外線的吸收以及大氣中塵埃和懸浮物的散射等。在太陽光入射角與地面成夾角θ時，大氣質(zhì)量為

AM=1/cosθ當θ=48.2度時，大氣質(zhì)量為AM1.5，是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況，其輻射總量為1kW/m2，常用于太陽電池和組件效率測試時的標準。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

太陽光的波長不是單一的，其范圍是10pm-10km，但97%以上的太陽輻射能的波長位于0.29～3.0范圍內(nèi)，相對波長較短，屬于短波長輻射。書上圖1.2所示為太陽光輻射的波長分布圖。由圖中可知，由于大氣中不同成分氣體的作用，在AM1.5時，相當一部分波長的太陽光已被散射和吸收。其中，臭氧層對紫外線的吸收最為強烈；水蒸氣對能量的吸收量大，約20%被大氣層吸收的太陽能是由于水蒸氣的作用；而灰塵既能吸收也能反射太陽光。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六1.3太陽能光電的研究和應(yīng)用歷史太陽能與傳統(tǒng)能源煤、石油及核能相比具有獨特的優(yōu)勢：一沒有使用礦物燃料時產(chǎn)生的有害廢渣和氣體，不污染環(huán)境；二沒有地域和資源的限制，有陽光的地方到處可以利用，使用方便且安全；三能源沒有限制，取之不盡，用之不竭，屬于可再生能源。

因此，太陽能的研究和應(yīng)用是今后人類能源發(fā)展的主要方向之一。

第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六太陽能能量的轉(zhuǎn)換方式主要分為光化學轉(zhuǎn)化，太陽能光熱轉(zhuǎn)化和太陽能光電轉(zhuǎn)換三種方式。從廣義上講，風能，水能和礦物燃料等也都來源于太陽能。光化學轉(zhuǎn)換：在太陽光的照射下，物質(zhì)發(fā)生化學，生物反應(yīng)，從而將太陽能轉(zhuǎn)化成電能等形式的能量。最常見的是植物的光合作用。太陽能光熱轉(zhuǎn)換：通過反射，吸收等方式收集太陽輻射能，使之轉(zhuǎn)化成熱能，如在生活中廣泛應(yīng)用的太陽能熱水器，太陽能供暖房，太陽能灶，太陽能水泵和太陽能熱機等。太陽能光電轉(zhuǎn)換：利用光電轉(zhuǎn)換器件將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。最常見的是太陽電池，又稱太陽能電池，應(yīng)用于如燈塔，鐵路信號，海島，山區(qū)，草原，雪山和沙漠等邊遠地區(qū)的生活用電，太陽能汽車和衛(wèi)星等設(shè)備的電源，以及太陽能電站并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域。第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六光電技術(shù)研究歷史：早在1876年英國科學家亞當斯等在研究半導體材料時發(fā)現(xiàn)：當用太陽光照射硒半導體材料時，如同伏特電池一樣，會產(chǎn)生電流，稱為光生伏特電。但是，硒產(chǎn)生的光電效應(yīng)很弱，到20世紀中期轉(zhuǎn)化效率僅有1%左右。1954年，美國貝爾實驗室的Chapin等研制出世界上第一塊真正意義上的硅太陽電池，光電轉(zhuǎn)化效率達到6%左右，很快達到10%，從此拉開了現(xiàn)代太陽能光電（又稱太陽能光伏）的研究，開發(fā)和應(yīng)用的序幕。幾乎同時，CuS/CdS異質(zhì)結(jié)太陽電池也被開發(fā)，成為薄膜太陽電池研究的基礎(chǔ)。

第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六太陽電池應(yīng)用歷史：

最初，硅太陽電池的成本很高，較常規(guī)電力高1000倍以上，僅用于對成本不敏感的太空衛(wèi)星和航天器上。

1958年美國發(fā)射的衛(wèi)星首次使用了太陽電池；1958年5月前蘇聯(lián)在人造衛(wèi)星上安裝了太陽電池；1971年我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星也使用了太陽電池。

20世紀50年代以后，幾乎所有的人造衛(wèi)星，航天飛機，空間站等太空飛行器，都是利用太陽電池作為主要的能源。

1973年由于中東戰(zhàn)爭引起的“石油禁運”，全世界發(fā)生了以石油為代表的“能源危機”，人們認識到常規(guī)能源的局限性，有限性和不可再生性，認識到新能源對國家安全的重要性，加之環(huán)境保護意識的大幅度提高，使得各國政府開始大力開展太陽能光電技術(shù)的研究和開發(fā)。第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

20世紀70年代以來世界各國政府都加大了對太陽能光電研究和開發(fā)的投入，重點扶持本國的太陽能光伏工業(yè)。

20世紀90年代后聯(lián)合國多次召開各種政府首腦會議，議論和制定世界太陽能發(fā)展規(guī)劃和國際太陽能公約，設(shè)立國際太陽能基金，推動全球太陽能技術(shù)的開發(fā)和利用。太陽能光電技術(shù)在過去的幾十年中已經(jīng)有了長足發(fā)展，太陽電池的價格已經(jīng)接近1.5元/（KW·h）。到目前為止，商業(yè)化的太陽電池的發(fā)電成本依然遠遠高于常規(guī)能源（如水力，火力和核能）的發(fā)電成本，至少是后者的2倍以上。如果僅從發(fā)電成本出發(fā),在最近的10年間，太陽電池尚不具備與常規(guī)能源競爭的能力。但是，考慮到環(huán)境保護，能源的可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用等因素，太陽能光電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具有很強的競爭力。到2020年，太陽能發(fā)電在所有能源中的比例預(yù)計能夠達到3%–5%。第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六太陽電池的發(fā)展歷史：

自20世紀50年代發(fā)明硅太陽電池以來，太陽能光電技術(shù)中新工藝，新材料和新結(jié)構(gòu)層出不窮，研制成功的太陽電池已達1000多種。從電池的結(jié)構(gòu)上看，有p?n同質(zhì)結(jié)，p?n異質(zhì)結(jié)，金屬?半導體的肖特基(Schottky)結(jié)構(gòu)和金屬?絕緣體?半導體（MIS）結(jié)構(gòu)等；從電池材料方面來看，涉及幾乎所有半導體材料，包括單晶硅，非晶硅，微晶硅，化合物半導體和有機半導體等。50年代的硅電池，60年代的GaAs電池，70年代的非晶硅電池，80年代的鑄造多晶硅電池和90年代Ⅱ?Ⅳ化合物電池的開發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)成了太陽能光電材料和器件發(fā)展的歷史腳印。

第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

到目前為止，太陽能光電工業(yè)基本是建立在硅材料的基礎(chǔ)之上。單晶硅太陽電池是最早被研究和應(yīng)用的，至今它仍是太陽電池的主要材料之一，主要制備p?n同質(zhì)結(jié)太陽電池。最近，在實驗室中單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達到25%。在實際生產(chǎn)線中，高效太陽電池（主要應(yīng)用于空間）的轉(zhuǎn)換效率已超過20%；對于常規(guī)的地面用商業(yè)直拉硅太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率一般可達到18%。但是由于單晶硅是間接禁帶半導體，其太陽電池舊必須有一定的材料厚度，以便吸收足夠的太陽光，加之單晶硅材料提純和加工的成本較高，使得硅太陽電池的成本相對較高。雖然經(jīng)過研究界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，硅太陽電池成本持續(xù)降低，但是，就目前而言，其成本依然是常規(guī)能源的2倍以上，仍然在阻礙太陽能光電技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

為了降低單晶硅電池的成本，20世紀70年代發(fā)明和應(yīng)用了鑄造多晶硅，80年代末期它僅占太陽電池材料的10%左右，在90年代得到迅速發(fā)展，1996年底已占整個太陽電池材料的36%左右，2001年更始接近50%。它以相對低成本高效率的優(yōu)勢不斷擠占單晶硅的市場，成為最有競爭力的太陽電池材料?，F(xiàn)在，實驗室中太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到19.8%；在商業(yè)生產(chǎn)中，其太陽能轉(zhuǎn)換效率一般為13%?16%。無論是單晶硅還是鑄造多晶硅，在硅片加工過程中，僅僅由于硅片的切割，硅材料的損耗就達到50%，大大增加了太陽電池的成本。因此，為了進一步降低晶體硅太陽電池的成本，多種帶狀硅的太陽電池技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展。這些帶狀晶體硅厚度在200-500mm之間，只要把它們切成合適的大小就能應(yīng)用于太陽電池，大大節(jié)省了原材料成本。但是，由于帶狀硅制備過程中造成晶體缺陷和雜質(zhì)過多，所以轉(zhuǎn)化效率較低。第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六

為了進一步節(jié)約原材料成本，20世紀70年代發(fā)展了非晶硅太陽電池，它通常是在玻璃襯底上沉積一層很薄的非晶硅，制備工藝簡單，成本低，而且可以大面積連續(xù)生產(chǎn)。但是轉(zhuǎn)化效率較低，實驗室中13%左右，實際生產(chǎn)中也不超過10%，而且，非晶硅電池在太陽的長時間照射下其轉(zhuǎn)化效率有嚴重的衰減，到目前也沒有解決。

多晶硅薄膜電池沒有轉(zhuǎn)化效率衰減的問題，它同樣具有低成本的優(yōu)點，但是由于晶粒過于細小等原因，轉(zhuǎn)化效率只有10%左右，而且現(xiàn)在正處于實驗研究階段，還未達到實際大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的水平。第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期六在硅材料太陽電池發(fā)展的同時，一系列化合物半導體太陽能電池也發(fā)展迅速，如GaAs、CdTe、CuInS2、CuInGaSe2等。實驗室的轉(zhuǎn)化效率分別為：GaAs---25.7%CuInS2---13