课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

世界化石燃料的不断消耗发展可再生替代能源2100年64％太阳能在未来能源结构中占主导地位！世界太阳能资源分布地球上太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况、气候高度地理状况气候条件等密切相关。

全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。

和中国西部地区等中国，世界能源第二大消耗国中国太阳能资源分布第大消耗国2013年9月，中国已成为世界第一大石油进口国，进口依存度逼近％势中国，二氧化碳第二大排放国60％。

在人均煤炭可采储量90吨（54.9％）西部丰富的太阳能资源中国，传统化石必石油可采储量3吨（11％）天然气1080立方米（4.3％）能源匮乏行中国，太阳能资源极其丰富！1）太阳能光热利用：它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用；通过与物质的相互作用转换成热能加以利用2）太阳能发电：包括光－热－电利用和光电转换两种，前者是利用太阳辐射所产生的热能发电；后者是利用半导体材料的光生伏特效应将太阳光直接转换为电能；3）光化利用：利用太阳能辐射直接分解水制氢的光－化学转换方式；4）光生物利用：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换为生物质能的过程。

目前主要有速生植物（薪炭林、油料作物和巨型海藻）。

光热发电：利用太阳辐射所产生的热能发电。

太阳能发电光伏发电：利用半导体材料的光生伏特效应将太阳光能直接转换为电能的一种技术。

太阳电池(solar cell)，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。

它是太阳能光伏发电的基础和核心。

（1）以p型晶体硅半导体材料为衬底；（2）采用扩散法在硅衬底上制作重掺杂的n型层；型层（3）在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极；（4）在衬底背面制作金属膜，作为背面欧姆接触电极；（5）为了减少光的反射损失，常制作绒面减反结构。

半导体吸收光子产生电子空穴对，电子空穴对在p-n 结内建电场作用下分离，从而在p-n 结两端产生电动势。

p 光生伏特效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部p-n 结是太阳电池的核心！位之间产生电位差的现象。

pElectric Field1）光子能量大于带隙2）内建电场1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔(Becqurel)用两片金属浸入溶液构成伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势－用两片金属浸入溶液构成伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势“光生伏特效应（photovoltaic effect ）”。

1873年，英国科学家Wilough B.Smith观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光照射下硒导电能力的增加正比于光通量。

1883年，美国科学家Charles Fritts开发出以硒为基础的光伏电池。

人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为“光伏器件”。

其中半导体P N 结器件在阳光下的光电转换效率最高通开发出以硒为基础的光伏电池其中，半导体P-N 结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池”。

美尔实验室为信系统1954：美国贝尔实验室为远程通信系统寻找可靠电源时，发现掺杂硅对光敏感，可产生稳定的电压。

第一次做出了光电Bell Labs engineer testing solar battery 可产生稳定的电压。

第次做出了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池。

g y in 19541958：首颗以太阳电池作为信号系统电源的人造卫星美国先锋I 号（Vanguard-I ，效率为9%）卫星发射上天，从此开始了太阳电池作为空间电源应用的新纪元。

Vanguard I, the firstl d t llit1963：日本Sharp 商业化Si 电池组件。

solar powered satellite1961年到1971年：研究重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。

1972年到1976年：研制出各种空间用单晶硅光伏电池。

20世纪70年代中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。

伏电池1976年：诺贝尔物理奖授予莫特教授－在非晶态固体中的电子过程，随后探索出非晶硅光伏电池。

年京都协议将光伏发的应用推向另个高峰1997年：京都协议签订，将光伏发电的应用推向另一个高峰。

2003年：第二次石油危机，发展可再生能源，无锡尚德等目前，太阳电池在地面的应用非常广泛，主要集中在照明、通信、目前太阳电池在地面的应用非常广泛主要集中在照明通信交通等领域。

而光伏发电与建筑物的结合（BuildingIntegrated/Attached Photovoltaic）以及并网发电是当今光伏应用新的趋势。

按技术成熟程度分为三代1）晶硅电池：(第一代电池)单晶硅，多晶硅，带硅，球形电池单晶多晶带球形池2）薄膜电池：（第二代电池）GaAs ，a-Si ，CIGS ，CdTe ， μc-S SSi,多晶Si 3）新型概念电池：(第三代电池)多结(带隙递变)电池多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带，量子点）电池，上、下转换器电池，热载流子电池直接带隙半导体，带隙在1.1~1.7 eV 之间；组成的材料无毒性在地球上丰度高；热载流子电池，有机聚合物电池，钙钛矿、量子点电池等。

组成的材料无毒性，在地球上丰度高；便于制备，并可大面积、薄膜化生产；有较高的光电转换效率；Where is PV？太阳电池在太空的应用----飞船的翅膀哈勃望远镜两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用的抛物面天线。

镜筒的前部是光学部分，后部是个环形舱，在这个舱里面，望远后部是一个环形舱，在这个舱里面，望远镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器；太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。

太阳能灯太阳能灯是一种利用太阳能作为能源的灯，只要阳光充足就可以就地安装不受供电线路的影响不用安装，不受供电线路的影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，是一种绿色环保型产品。

太阳能车和游艇太阳能电动车中山大学太阳能系统研究所的一辆太阳能电动车，外观上，跟公园的电瓶车一个样，可以搭乘6名乘客，但是国产的时速最高却只有48公里，持续行驶时间也就1个小时。

光伏建筑一体化是国际发展主流方向德国，光伏走廊10 kW德国，遮阳挡雨，14.2 kW荷兰，装饰性光伏屋顶（1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现（2）光伏发电成本逐步下降生产规模不断扩大自动化程度持生产规模不断扩大、自动化程度持续提高、技术水平的逐步改进、光伏市场的有效开拓。

不同种类太阳电池发电成本现状及预测美国能源部对光伏发电价格的预测（3）有效的扶持政策使得光电池产量与装机总量逐年增加2011-2014年全球太阳能电池产量、我国太阳能电池产量及增长率201135GW 新增装机总量302GW 2011-2014年全球新增装机量、我国新增装机量及增长率年全球太阳电池产量达35 GW ，新增装机总量30.2 GW 。

2012年全球太阳电池产量达36 GW ，新增装机总量32 GW 。

2013年全球光伏组件产量将达40 GW ，新增装机总量36 GW 。

2014年全球光伏组件产量将达43 GW ，新增装机总量43 GW 。

（4）较大型光伏电站日益增多，并向并网方向发展德国Mühlhausen 6.3 MW 平单轴跟踪Arnstein,Germany-12MWp9.55MWp Monte Alto (Milargo)Spain Arnstein, Germany 12 MWp 9.55 MWp Monte Alto (Milargo) Spain（4）较大型光伏电站日益增多，并向并网方向发展100.0%60.0%80.0%40.0%0.0%20.0%199619982000200220042006并网光伏发电市场份额逐年增长情况光伏发电技术的明天2012年7月5日，国际能源49%》署（IEA）发布了《可再生能源中期市场报告2012太阳能发电到2017年将占到可再生能源发电量的4.9%，其中光伏发电将是增长最快的，预测期内装机容量将从70 GW提高到230 GW。