太阳电池的原理、工艺与应用
(Principle，Technology and Applications of Solar Cell)
目录
1. 太阳能光伏技术的发展历史 2. 太阳能分布与太阳光谱分析 3. 太阳电池的物理基础 4. 半导体的基本知识 5. 太阳电池的工作原理 6. 硅材料的制备工艺 7. 太阳电池的制备过程 8. 太阳电池的电流-电压特性 9. 太阳电池组件的制作与测试 10. 光伏系统的组成及设计基础 11. 光伏系统的应用
1930 B. Lang 研究氧化亚铜/铜 (Cu/Cu2O) 太阳电池，发表 “新型光伏电池”论文；
W.Schottky 发表“新型氧化亚铜 (Cu2O) 光电池”论文； 1932 Audobert 和Stora发现硫化镉 (CdS) 的光伏现象； 1933 L.O. Grondahl 发表“铜-氧化亚铜 (Cu-Cu2O) 整流器
至今为止，太阳电池的基本结构和机理没有改变，太阳电池后 来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳电池、CIS太 阳电池、CdTe太阳电池和纳米敏化太阳电池等，此外主要的 是生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳电池生产工艺的 成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及 生产工艺的高度自动化等。
仅为1%, 主要用于光电探测等; 1904 Hallwachs 发现铜与氧化亚铜 (Cu/Cu2O) 结合在一起具有
光敏特性；德国物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）发表关于光 电效应的论文； 1918 波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺； 1921 德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理 论获得诺贝尔（Nobel）物理奖；
1986 6月，ARCO Solar发布G-4000—世界首例商用薄膜电 池“动力组件”；
1987 11月，在3100公里穿越澳大利亚的Pentax World Solar Challenge PV-动力汽车竞赛上，GM Sunraycer 获胜， 平均时速约为71 km/h；
1991 世界太阳电池年产量超过55.3 MW；瑞士Grätzel教授 研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池(Graezel Cell)效率达到 7%;1995年纳米TiO2染料敏化电池转换效率达到10%;
和光电池”论文； 1949年W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain 发明晶体管,给
出了p-n结物理解释, 从此，半导体器件时代开始； 1951 生长p-n 结，实现制备单晶锗电池； 1953 Wayne 州立大学Dan Trivich 博士完成基于太阳光谱的
主要利用太阳能、氢能、风能和生物质能等洁净可再生能源。 人类从利用“昨日阳光”完全过渡到利用“今日阳光”。
我国太阳电池发展历史
1958年我国开始研制太阳电池，1959年中国科学院半导体研 究所研制成功第一片有实用价值的太阳电池；
1971年3月在我国发射的第二颗人造卫星-科学实验卫星实践1 号上首次应用由天津电源研究所（18所）研制的太阳电池；
1958年开始, 单晶硅太阳电池在人造卫星\宇宙飞船\航天飞机等空间飞 行器作为供电电源的应用, 推动了太阳电池的发展, 形成小型产业规模, 单晶硅太阳电池市场价格1W-100 USD;
1959 Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过 用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻；卫星探险家6号发射，共 用9600片电池列阵，每片2平方厘米,共约20W；
1960 Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%； 1962 第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳电池功率14 W； 1963 Sharp公司成功生产光伏电池组件；日本在一个灯塔安装242
W光伏电池列阵，在当时是世界最大的光伏电池列阵； 1964宇宙飞船“光轮发射”，安装470 W的光伏列阵； 1965 Peter Glaser 和A. D. Little 提出卫星太阳能电站构思；
2010 通过技术突破，太阳电池成本进一步降低，在世界能源 供应中占有一定的份额；德国可再生能源发电达到12.5%；
2020太阳电池发电成本与化石能源相接近，德国可再生能源 占20%；
2030 太阳电池发电达到10-20%；德国将关闭所有的核电站； 2050 世界太阳能利用将占有世界能源总能耗30-50%份额。 2100 以煤、石油、天然气为代表的化石能源基本枯竭，人类
1983 世界太阳电池年产量超过21.3 MW；名为Solar Trek的 1 kW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到4000公里；
1984 面积为1平方英尺（929 cm2）的商品化非晶硅太阳电 池组件问世；
1985,单晶硅太阳电池用于地面供电电源, 太阳电池售价 1W-10USD, 2000年, 1W- 2.5USD, 2010年美国目标: 1W-1USD;澳大利亚新南威 尔士大学Martin Green 研制单晶硅的太阳电池效率达到20%；
1954年雷诺慈发现CdS具有光伏效应, 1960年采用蒸镀法制 得CdS太阳电池, 效率为3.5%, 1964年美国将效率提高4-6%, 欧洲提高到9%;
1955 西部电工 (Western Electric) 开始出售硅光伏技术商业 专利；
在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效 率为2%的商业太阳电池产品，电池为14毫瓦/片，25美元/片， 相当于1785 USD/W；
1995 世界太阳电池年产量超过77.7 MW；光伏电池安装总量 达到500 MW；
1998 世界太阳电池年产量超过151.7 MW；多晶浇铸硅太阳 电池产量首次超过单晶硅；
1999 世界太阳电池年产量超过201.3 MW；美国NREL的 M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）电池效率达到18.8%； 非晶硅电池占市场份额12.3%；
（Alexander E. Becquerel 是Henri A. Becquerel (1852-1908)的 祖父。Henri A. Becquerel由于发现放射性于 1903年与居里夫妇 一起共同获得诺贝尔物理奖，他的名字被用作放射性的单位）
1877 W.G.Adams和R.E.Day研究了硒 (Se) 的光伏效应； 1883 美国发明家Charles Fritts 描述了第一片硒太阳电池的原理； 1889？弗里兹(Charles Fritts) 发明半导体硒太阳电池, 光电转换效率
回顾历史有利于我们了解光伏技术的发展历程，按时间的发展 顺序，将与太阳电池发展有关的历史事件汇总如下：
太阳能光伏技术的发展历史
1839年法国实验物理学家亚利山大·柏克勒尔(Alexander E. Becquerel 1820-1891）首次在稀释的酸液体中发现光生伏特效应, 即观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。
2002 世界太阳电池年产量超过540 MW；多晶硅太阳电池售 价约为2.2 USD/W；
2003 太阳电池年产量超过760 MW；德国Fraunhofer ISE的 LFC（Laser－fired contact）晶体硅太阳电池效率达到20%;
2004 太阳电池年产量超过1200 MW；德国Fraunhofer ISE 多晶硅太阳电池效率达到20.3%;非晶硅电池占市场份额4.4%, 降为1999年的1/3，CdTe占1.1%; 而CIS占0.4%；
太阳电池发明人: （1954, Bell Lab) Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson
1．太阳能光伏技术的发展历史
发展背景：能源与环境 太阳电池发展历史回顾 我国政府推广光伏应用的措施 太阳电池发展现状与趋势 国内外发太阳电池生产厂家与研究机构 太阳能资源分布 太阳、地球数据
太阳能光伏技术的发展历史
从1839 法国科学家E.Bec起，太阳电池已经经过了160多年漫长的 发展历史。
从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作 用。对太阳电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验 室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发 展史上起到了里程碑的作用。
1956 P.Pappaport, J.J.Loferski 和E.G.Linder 发表“锗和 硅p-n结电子电流效应”的文章；
1957 Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%； D.M.Chapin，C.S.Fuller和G.L.Pearson获得“太阳能转换器 件”专利权；
1958 美国信号部队的T. Mandelkorn制成n /p型单晶硅光伏电池， 这种电池抗辐射能力强，这对太空电池很重要；Hoffman电子的单 晶硅电池效率达到9%；第一个光伏电池供电的卫星先锋1号发射，光 伏电池100平方厘米，0.1 W，为一备用的5毫瓦的话筒供电；
具有不同带隙宽度的各类材料光电转换效率的第一个理论计算； 1954 RCA实验室的P.Rappaport等报道硫化镉(CdS)的光伏
现象；(RCA:Radio Corporation of America, 美国无线电 公司)；
1954年美国贝尔 (Bell ) 实验室研究人员D. M. Chapin，C. S. Fuller 和G. L. Pearson报道4.5%效率的第一个实用的单晶硅 p-n结太阳电池的发现，几个月后效率达到6%，几年后达到 10%;
1966 带有1000 W光伏列阵大轨道天文观察站发射； 1971年斯皮尔等人 (W.E. Spear) 采用辉光放电法分解硅烷(SiH4)制得氢化
非晶硅薄膜(a-Si:H)，1975首次成功实现对a-Si:H的掺杂，获得n型和p型材 料，为器件制造打下了基础； 1972 法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供 电； 1973 美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅； 1973世界发生石油危机，唤起人们对可再生能源的兴趣,特别是在地面上大面 积使用太阳电池供电, 受到各国政府高度重视; 1974 日本推出光伏发电的“阳光计划”；Tyco实验室生长第一块EFG晶体硅 带，25 mm宽，457 mm长（EFG：Edge defined Film Fed-Growth,定边 喂膜生长）； 1977 世界光伏电池超过500 KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在 W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅（a-Si） 太阳电池； 1977年D. L. Staebler 和C. R. Wronski 在a-Si:H样品中发现，随光照其光电 导和暗电导都显著减少，在150℃退火后又复原，这现象称为S-W效应，目前 机理尚不清楚； 1979 世界太阳电池安装总量达到1 MW； 1980 ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1 MW光伏电池生产厂家； 三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了a-Si组 件批量生产并进行了户外测试； 1980年开始, 人们注重研究高效率太阳电池, 以降低生产成本; 1981 名为Solar Challenger 的光伏动力飞机飞行成功；