太阳能导论PPT简略总结.docx

1、太阳能导论PPT简略总结1、世界能源形式紧迫，是世界10大焦点问题（能源、水、食物、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主和人口）之首。2、全球人口2006年是65亿，能源需求折合成装机是14.5TW，每日能耗220106 BOE ；到2050年全世界人口大概要达到100亿，按照每人每年GDP增长1.6%, GDP单位能耗按照每年减少1，则能源需求装机将是大约30-60TW，届时主要要靠可再生能源来解决。3、可是，世界上潜在水能资源4.6TW，经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2-4TW；生物质能3TW（加起来总共8TW）。只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求的能量来源，其

2、潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。（核能的争议很大，是裂变还是聚变还没有定论，即Nuclear Fusion? Nuclear Fission?） 注：TW 109kW，来源：美国能源部Office of Science报告.2005.4.时间可再生能源太阳能光伏发电2030年30%10%2040年50%20%21世纪末80%60%连续的电磁辐射光谱 ,光谱分布由普朗克辐射定律决定：物体吸收热量后辐射总能量增加，而且辐射峰值向短波移动，太阳辐射光谱中90%是波长位于100nm-3000nm，大部分属于可见光（390-760nm）范 围，可见光0.4-4ev，红外线低于0.

3、4ev，而紫外线高于4ev太阳辐射能量中约有10亿分之一可以进入大气层上界，其中30%被大气层反射回太空，23%被大气层吸收，仅有47%的能量能够到达地球表面，其功率约为8.21010MW（这一功率相当于45万个长江三峡水电站的功率）。太阳光辐射一般包括直接辐射和间接辐射，辐射强度因所处纬度、季节、天气及一天中时间的不同而异散射辐射的原因包括瑞利散射和大气中分子的散射，及大气层中悬浮颗粒和灰尘引起的散射。散射太阳光的光谱成分不同于直射太阳光的光谱成分。散射辐射光中含有更丰富的短波光，或“蓝”波长的光。 在大气层之外，垂直于太阳光方向单位面积上辐射强度称为太阳常数 ，取值为1353W/m2。大气

4、对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量（air mass）。在太阳光入射角与地面成夹角时，大气质量为AM=1/cos。 大气质量为零时的辐射，表示为AM0（Air Mass 0）。AM0约为1.36kW/m2。太阳在正上方且恰好处于赤道面上海拔为零时，太阳垂直入射光可表示为AM1，晴朗的天气AM1为1000W/m2； 当太阳偏离正上方48和60时，大气质量分别为AM1.5和AM2，气质分别为844 W/m2和750 W/m2。一般采用AM1.5表示地球表面太阳关的平均辐射强度。 地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于500万吨标

5、准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。 太阳能电池的发展1839年 19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了 “光生伏打效应”；1893年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。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。 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能电池，效率为6%。 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能电池。1958年

6、太阳能电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1959年 第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。1975年 非晶硅太阳能电池问世。1980年 单晶硅太阳能电池效率达20%，砷化镓电池达22.5%，多晶硅电池达14.5%，硫化镉电池达9.15%。 1998年 单晶硅光伏电池效率达25%。荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到2020年完成。 自50年代研制成第一块实用的硅太阳能电池、60年代太阳能电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳能光电技术已历经了半个世纪。发展到今天，世界太阳能电池组件的年产量达200MW以上。 普遍性，安全性，资源丰富，无污染性 太阳能缺点为：1）

7、太阳能受气候、天气、昼夜甚至时间的影响较大。在太阳能资源贫乏地区不易推广太阳能利用。2）太阳能发电为直流电，在转变交流电时候会产生能量损失，而且要增加其他配套装置。这些因素都导致太阳能发电成本增加。3）由于太阳电池发电密度低，如果想产生相当量的能量必须要大面积安装。安装位置的选择以及视觉冲击都是一个需解决的问题。 种类材料转化效率（）优点缺点晶硅太阳能电池单晶硅24.70.5耐用、转化效率高，技术成熟，寿命长。制造能耗高，成本高，工艺复杂。多晶硅20.30.5生产成本较低，工艺简单，适合大规模生产。效率低于单晶硅。薄膜太阳能电池非晶硅11.70.4成本低，工艺简单，在弱光条件下也可以工作。转换

8、效率偏低， 有光致衰减问题。砷化镓（GaAs）24.50.5光学带隙十分理想，较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不免感。材料价格不菲。碲化镉(CdTe)16.50.5效率较高，成本低廉，稳定，易于规模生产。原材料镉有毒。铜铟镓硒（CIGS）19.50.8价格低廉，性能良好，工艺简单。铟和硒比较稀有。OPV有机物10有韧性，成本低廉，选择余地大，加工容易，可制造面积大。对光的吸收效率低导致转换率低。DSSCTiO212.3具有较高的热稳定性和光化学稳定性，成本低廉，工艺简单。敏化剂的制备成本高。电池种类转换效率研发单位备注单晶硅电池24.7澳大利亚新南威尔士大学4cm2面积背接触聚光单晶硅电池2

9、6.8美国Sunpower公司96倍聚光GaAs多结电池40.7德国斯派克 Lab333倍聚光多晶硅电池20.3德国弗朗霍夫研究所1.002cm2面积InGaP/GaAs30.28日本能源公司4cm2面积非晶硅电池12.8美国USSC公司0.27cm2面积CIGS电池19.9美国可再生能源实验室0.41cm2面积CdTe电池16.5美国可再生能源实验室1.032cm2面积多晶硅薄膜电池16.6德国斯图加特大学4.017cm2面积纳米硅电池10.1日本钟渊公司2 m膜（玻璃衬底）染料敏化太阳能电池11.0瑞士洛桑联邦理工学院 0.25cm2面积（3）RCA洗液 （碱性和酸性过氧化氢溶液）RCA号

10、（碱性过氧化氢溶液），配比如下（体积比）： DI H2O：H2O2:NH4OH=5:1:1-5:2:1RCA号（酸性过氧化氢溶液），配比如下（体积比）： DI H2O：H2O2:HCl=6:1:1-8:2:1 RCA洗液使用方法：7585oC，清洗时间1020分钟，清洗顺序为先号后号。 硅片化学清洗 作用：硫酸、过氧化氢溶液通过氧化作用对有机薄膜进行分解，从而完成有机物去除。清洗过程，金属杂质不能去除，继续残留在硅片表面或进入氧化层。溶液配比：H2SO4（98）：H2O2(30%)=2:1-4:1。清洗方法：将溶液温度加热到100oC以上（130oC），将硅片置于溶液中，浸泡1015分钟，浸泡

11、后的硅片先用大量去离子冲洗，随后采用HF进行清洗。简述太阳电池的原理： 太阳能光伏电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光生伏特效应太阳能电池的工作原理。半导体太阳能光伏电池工作原理的四个基本过程。答：第一，必须有光照射，可以是单色光，太阳光和模拟光源。第二，光子源注入到半导体内后，产生电子-空穴对，且电子-空穴对具有足够的寿命。第三，利用PN结，将电子-空穴对分离，分别集中于两端。第四，被分离的电子和空穴，

12、经由电极收集，运输到电池体外，形成电流。光伏电池工作原理；光生电流及方向；光生电压及方向；光照后流过负载的电流；太阳电池的开路电压；短路电流；输出功率及最大输出功率；光电转换效率。答：工作原理：利用光激发的少子通过PN结而发电。光生电流及其方向：在内建电场的作用下，P型半导体中的光照产生的电子将流向N型半导体，而N型半导体中的额空穴将流向P型半导体，形成光生电流I。由n指向p。光生电压及其方向：光生电流出现导致光生电场Vph形成。由p指向n，与内建电场方向相反。晶体硅太阳能电池生产的工艺流程绒面结构及作用；单晶硅片和多晶硅片表面制作绒面结构所用的腐蚀剂及提高绒面结构质量采用的措施。答：绒面结构

13、：晶向的硅单晶，经腐蚀后表面会形成(在显微镜下看到)像“金字塔”形状高低不平的表面。作用:减少电池表面的光反射，大大提高对光的吸收率，最大限度提高光电转换效率。腐蚀剂：单晶硅使用NaOH水溶液或KOH水溶液；多晶硅使用HF混合液。提高绒面结构质量采用的措施：1.在NaOH水溶液中加入少量异丙醇。2.用Na2CO3（K2CO3）或磷酸钠液对单晶硅片进行结构处理。金属电极作用；对金属电极的要求；金属电极的丝网印刷制作工艺。答：作用：收集电极（少数载流子）收集光生电流，然后引导到负载。要求：1.与硅片形成良好的欧姆接触。 2.电极线宽要越细越好。（提高光电转换效率）制作工艺：按设计好的电极图形的模板

14、，用丝网印刷法将导体浆料（用超细银粉与有机溶剂调成浆料），印制在电池表面，然后在适当的温度下烧结，使有机溶液挥发，而金属颗粒(Ag)与硅片紧紧的粘附，形成（Ag）与硅的合晶。铝背电场结构；合金化作用；铝背电场结构的作用，并解释为何会产生这样的作用。答：铝背场结构：在pn结制备完后，在硅片背面淀积一层铝膜，经合金化高温处理后，在硅片内形成p+层（高浓度p型杂质层），在硅片背侧面产生了内建电场（BSF）。合金化作用：1. AL原子进入硅片内，形成一层高浓度的p+层形成BSF结构。2.使Al膜紧紧的黏在硅片的表面，形成背电极。 铝背场结构的作用：1.能提高电池的光电转换效率原因：由于P+层存在，在电

15、池背面形成一个P+/p结，从而产生一个内建电场，由于这个电场的方向与电池端电压方向相反，阻止了光生电压少数载流子向P+层扩散，由此减少了少子在背面的复合几率，提高了电子的收集效率，即提高了光生电流，同时提高了电池的开路电压，提高了光电转换效率。2.可做电池背面的金属电极。减反射减少光反射的原理；减反射层减少光反射的光学条件；并懂得由此条件选择减反射膜材料及膜厚；对减反射膜材料的总体要求；TiO2膜制备工艺，反应方程式。答：原理：利用光在减反射膜的上下表面反射所产生的光程差，使两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。要求：能具有良好的减反射效果，还要求透明度好，热膨胀系数少，与硅片粘附性好，

16、抗辐射，耐腐蚀。喷涂热（水）解法工艺：利用N2携带含钛酸异丙酯的水蒸气，喷涂到加热的硅片上表面，发生水解反应。反应：Ti(OC3H7)+2H2O=TiO2+4(C3H7)OH铸造技术为何能提高多晶硅纯度；制备铸造多晶硅的工艺流程；描述直熔法工艺；影响直熔法制备柱形多晶硅的因素。答：提纯材料：1. 利用定向凝固过程中的杂质分凝现象，使杂质富集在多晶硅锭的两端。 2在真空中熔化，凝固，原料中杂质在表面挥发。 3在保护气体或熔体中添加能与杂质反应生成挥发性物质的气体，是杂质中熔硅分离。直熔法工艺流程：装料-加热-熔化-晶体生长-退火-冷却。直熔法描述：硅原材料首先在坩埚中熔化，坩埚周围的加热器保持坩

17、埚上部温度的同时，自坩埚的底部开始逐渐降温，从而使坩埚底部的熔体首先结晶，再通过保持固液界面在同一水平面上并逐渐上升，使得整个熔体结晶为晶锭。采用定向凝固法长晶。影响因素：纯度高，不产生杂质玷污；不与晶体粘连；热膨胀系数小；热导率小；坩埚形状(方形，内壁涂高纯氧化硅/氮化硅）铸造技术为何能提高多晶硅纯度；制备铸造多晶硅的工艺流程；描述直熔法工艺；影响直熔法制备柱形多晶硅的因素。答：提纯材料：1. 利用定向凝固过程中的杂质分凝现象，使杂质富集在多晶硅锭的两端。 2在真空中熔化，凝固，原料中杂质在表面挥发。 3在保护气体或熔体中添加能与杂质反应生成挥发性物质的气体，是杂质中熔硅分离。直熔法工艺流程

18、：装料-加热-熔化-晶体生长-退火-冷却。直熔法描述：硅原材料首先在坩埚中熔化，坩埚周围的加热器保持坩埚上部温度的同时，自坩埚的底部开始逐渐降温，从而使坩埚底部的熔体首先结晶，再通过保持固液界面在同一水平面上并逐渐上升，使得整个熔体结晶为晶锭。采用定向凝固法长晶。影响因素：纯度高，不产生杂质玷污；不与晶体粘连；热膨胀系数小；热导率小；坩埚形状(方形，内壁涂高纯氧化硅/氮化硅）双源蒸发：一定化学计量比的CuInSe2原料作为一个源，另一个源为Se粉，然后把两源装入同一蒸发室，控制不同温度，同时蒸发。 该法特点：在严控Se源温度下获得的Cu，In，Se膜化学计量比。比单源蒸发法佳。 三源法：把Cu

19、,In,Se粉作为各自独立的蒸发源，在同一蒸发室中控制各自不同温度，同时蒸发。 该法特点：膜的化学计量比易满足要求。硒化法：先利用溅射法，或电化学淀积法获得CuIn，合金前置膜，然后在H2Se气氛中热处理，使H2Se分解，得到的Se原子进入CuIn合金中形成CuInSe2膜。西门子法（三氯氢硅氢还原法）西门子法（三氯氢硅还原法）是以HCl（或Cl2、H2）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与HCl在高温下合成为SiHCl3，然后对SiHCl3进行化学精制提纯，接着对SiHCl3进行多级精馏，使其纯度达到9个9以上，其中金属杂质总含量应降到0.1ppba以下，最后在还原炉中在1050的硅芯

20、上用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原而长成高纯多晶硅棒。粗硅的制备粗硅 又称工业硅，纯度在9599的硅反应要点高温1600 1800反应式 SiO2+3CSiC+2CO 2SiC+SiO2 3Si(s)+2CO 粗硅中杂质多（C、B、P和Fe、Al），可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯。SiHCl3的制备多用粗硅与干燥氯化氢在200以上反应Si十3HCl=SiHCl3+H2 SiHCl3的提纯精馏利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯多晶硅的制备精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅SiHCl3十H2=Si十3HCl 上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的

21、多晶硅还不能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。直拉法:种晶, 缩颈,放肩, 等径, 单晶是否断棱, 收尾加快提升速度，同时升高熔硅温度，使晶体硅直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终离开液面什么是断棱？ 单晶会有四条轴对称的“棱线”，在生长过程中，一旦四条中的一条或几条棱线消失，也就意味着单晶变成了多晶，CZ过程失败，称为单晶断棱。 三种电池的比较 单晶硅太阳能电池以其转换效率高(24.7)、质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛的应用。单晶硅产品的技术发展有很大的空间，国际上许多生产厂家和研发机构在努力进行科学研究，可用于商业化生产的高效

22、率产品不断出现。但单晶硅对原料的纯度要求高，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广应用。 多晶硅太阳能电池以其转换效率较高(19.8)，性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大规模商业化生产，多线切割工艺可为电池生产提供不同规格的硅片，以适应不同用途，并使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。 非品硅太阳能电池转换效率较低(14.5)，市场上规格品种比较单一。非晶硅电池的生产成本低廉，非常适合低价市场的要求。但由于该类产品的性能极不稳定，电池衰减快，效率低下等

23、因素的影响，其应用市场受到了制约。行业发展的主要问题 同国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距主要表现在以下几个方面：1、产能低，供需矛盾突出。2005年中国太阳能用单晶硅企业开工率在2030，半导体用单晶硅企业开工率在8090，无法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍牢牢掌握在美、日、德国的少数几个生产厂商中，严重制约我国产业发展。2、生产规模小、现在公认的最小经济规模为1000吨/年，最佳经济规模在2500吨/年，而我国现阶段多晶硅生产企业离此规模仍有较大的距离。 3、工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大，三废问题多，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗能耗高出1倍以上，产

24、品成本缺乏竞争力。 4、千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验证，并需要进一步完善和改进。5、国内多晶硅生产企业技术创新能力不强，基础研究资金投入太少，尤其是非标设备的研发制造能力差。6、地方政府和企业项目投资多晶硅项目，存在低水平重复建设的隐忧。直熔法制备铸造多晶硅的具体工艺如下：装料, 加热, 化料, 晶体生长, 退火,冷却铸造多晶硅中需要解决的主要问题尽量均匀的固液界面温度；尽量小的热应力；尽量大的晶粒；尽可能少的来自于坩埚的污染。掺硼p型硅和掺磷n型硅的比较掺磷的n型多晶硅也是一样，磷在硅中的分凝系数仅为0.35；而且，掺磷的n型多晶硅中少

25、数载流子（空穴）的迁移率较低，进一步，如果利用n型多晶硅太阳电池，现在常用的太阳电池工艺和设备都要进行改造；对于掺磷的n型晶体硅而言，要通过硼扩散制备p-n结，但是硼的扩散温度要高于磷扩散的温度。无论是掺镓p型还是掺磷n型多晶硅，与相应的直拉单晶硅一样目前仅处于研究阶段。掺硼p型硅和掺镓p型硅的比较掺镓的p型铸造多晶硅虽然可以制备性能优良的太阳电池，但是镓在硅中的分凝系数太小，只有0.008。因此，晶体的底部和上部的电阻率相差很大，不利于规模生产。1.4GaAs材料的性能的优缺点与硅材料比较，砷化镓具有以下优势：高的能量转换效率：直接跃迁型能带结构，GaAs的能隙为1.43eV，处于最佳的能隙

26、为1.41.5eV之间，具有较高的能量转换率； 电子迁移率高； 易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达 以上； 抗辐射性能好：由于III-V族化合物是直接能隙，少数载流子扩散长度较短，且抗辐射性能好，更适合空间能源领域； 温度系数小：能在较高的温度下正常工作。砷化镓材料的缺点：资源稀缺，价格昂贵，约Si材料的10倍；污染环境，砷化物有毒物质，对环境会造成污染；机械强度较弱，易碎；制备困难，砷化镓在一定条件下容易分解，而且砷材料是一种易挥发性物质，在其制备过程中，要保证严格的化学计量比是一件困难的事。GaAs单晶材料的制备流程如下所示：GaAs晶体生长方法有：GaAs单晶材料的制备 LE

27、C法和HB法是初期的GaAs晶体生长的工艺方法，有一定的优点和缺点。 HB法优点单晶的结晶质量高，工艺设备较简单。缺点晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，最大晶体尺寸 为2.5寸；生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入 硅的沾污，无法得到高纯GaAs单晶。LEC法优点可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单晶， 单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。缺点是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工 艺设备昂贵，成本高。太阳能聚光系统的引入目前应用于地面发电系统的GaAs基太阳能发电系统大多都采用聚光系统，聚光型太阳能 (Concentration photovoltaic，简称CPV)技术通过透

28、镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于效率极高的小光电池上。通过放大太阳能，该技术可以有效地光电池中半导体材料的用量。由于透镜会聚太阳光，会导致会聚光斑上的温度较高，造成太阳电池温度的升高，转换效率下降，所以耐热的GaAs等III/V化合物电池成为高倍率CPV系统的必然选择。CPV 系统模组主要由太阳能电池、高聚光镜面菲涅尔透镜等光学聚光元件、太阳光追踪器组成。应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。 在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统(CPV)中重要的光学部件之一。太阳菲涅尔透镜聚光镜就是，透镜的

29、焦点刚好落在太阳能芯片上。当透镜面垂直面向太阳时，光线将会被聚焦在电池片上，汇聚了更多的能量，因而需要较小的电池片面积，大大节约了成本。 应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（高性能电池片）上，比传统平板光伏发电效率提高30以上，满足太阳能聚光发电(CPV)高能量的需求。 一片好的电池片，光电转换效率高，一般在30%以上，因此价值也高，在没有聚光的条件使用，其太阳下发电量是一个定值，如果将一个大面积的太阳光（太阳光能量每平方米约1000W的功率），通过聚光镜聚集到小电池片上，其光强增加数倍，那么发电量也会增加数倍。菲涅尔透镜其超薄的结构，低廉的价格，并可

30、以大批量生产，所以用于聚光发电。因此在建电站时，能节约电池片，降低成本，有利于规模光伏电站的推广。 GaAs 聚光电池发展的重点是:提高光电转换效率( 40 %) 和批产能力(年批产大于300 MW) ,大幅降低成本;提高抗辐射能力;改善聚光器性能(研制空间实用的高效轻质聚光太阳电池帆板) ,提高太阳能的利用率,减小太阳电池阵的质量;改善散热系统性能,显著提高聚光系统效率。追日仪器对于聚光型的太阳能发电系统，追日仪器是必备的。每天当太阳由东方升起西方落下，太阳以每小时15度的角速度移动，如果要将太阳光经过聚光透镜或反射镜永远投射在芯片上，必须使用追日器材，将光学系统永远垂直对正于太阳的方向。当聚光倍率提高时，追日仪器的基准度的要求亦会提高。以500倍聚光而言其误差必须在0.3度以内。CIGS的性能优点 CIS、CIGS是直接带隙的半导体材料，因此电池中所需的CIS、CIGS薄膜厚度很小(一般在2m左右)，它的吸收系数非常高，达105cm-1。同时还具有较大范围的太阳光谱的响应特性。 CuInSe2可直接由其化学组成的调节得到P型(Cu比例大)或N型(In比例大)不同的导电形式而不必借助外加杂质。CuInSe2的这种特性使得它抗干扰辐射能力提高，使用寿命可长达3