幼匕一芳〔－Ｖ－ｌ ３胜口冤峨鲜盔不口ｄ二－１－Ｍ， １立ｉ仑，二第一章序言荟１．１太阳电池的发展历史及现状能源与环境问题是２１世纪人类面临的两大主要问题。目前，全 球总能耗的７４％来自煤、石油、天然气等化石能源。据估计，全球石油和天然气将在未来４０－６０年间枯竭，煤的开采年限也只有２００年，寻求新的可再生能源将成为人类最紧迫的任务之一。另一方面，使用化石能源所产生的温室气体和其它有害物质排放也日益威胁人类的正常生存。１９９７年１５０多个国家签署的《京都议定书》要求世界各国改变能源利用方式，从煤和石油逐渐转化为可再生能源，减少温室气体排放，彻底改变人类社会发展与能源短缺、环境污染之间的矛盾。在我国，能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大 压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的７６％，是我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量及可开采年限十分有限（表１．１），比世界总的能源形势更加严峻。因此开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展对我国来讲更加迫切，具有更重大的意义。表１． １我国能源剩余资源探明储量和可开发年限资源种类煤炭石油天然气水力ＧＷ装机量）亿吨）（亿Ｍ３）（（亿吨）（探明可开采储量可开采年限１１４５５４－８１３２．７３６１１７０４１５－２０２８－５８３５３３８－１０４年注：《能源基础数据汇编》国家计委能源所，１９９９目匕一京３贬９胜Ｊ冤理匕；５员创匕理卜亡全仑蛋忆太阳能是永不枯竭、无污染的清洁能源。利用太阳电池，可以将 太阳能直接转化为电能，在提供电力的同时不产生任何有害物质，同时系统简单、维护方便。因此，太阳能发电的大规模应用是解决能源与环境问题，实现人类社会可持续发展的有效途径。太阳电池的历史可以追溯到１ ９世纪。１８３９年Ｂｅｃｑｕｒｅｉ在电解槽中发现了光生伏特效应。１８８３年，Ｆｒｉｔｓ描述了第一个用硒制造的光生伏特电池。１９４１年，Ｏｈｌ提出了硅ｐ－ｎ结光伏器件，在此基础上，美国贝尔实验室于１９５４年制出了第一个实用的硅扩散ｐ－ｎ结太阳电池，并很快将光电转换效率提高到１０％０ １９５８年，太阳电池首先在人造卫星上得以应用，从此开始了研究、利用太阳能发电的新阶段。在２０世纪８０年代以前，由于发电成本过高，太阳电池的应用不 多。光伏发电主要在航天、通讯、导航、农业灌溉等领域作为补充能源。进入８０年代后，由于能源危机和环境恶化，可持续发展的观念日渐深入人心，太阳能的应用得到越来越广泛地关注。联合国将１９９６－２００５年定为“世界太阳能１０年”，欧、美、日以及印度等国家纷纷推出自己的光伏发展计划。在过去１ ２年间（１９９０－２００１）光伏市场的年平均增长率为２２％，而在过去的５年间（１９９７－２００１）光伏市场的年平均增长率更是高达３５Ｙ．［＂；光伏组件的产量则是从１９９０年的４６．５ＭＶ猛增到２００１年的３９６． １４ＭＶ，产量增加了近１０倍。截止２０００年底，世界一些主要厂商光伏组件的成本己经下降到２． ５美元／峰瓦。光伏产业进入快速发展阶段。图１ ．１给出了从１９７６年到２０００年世界光伏组件产量及价格的变化。 北京交通大学Ｚｘ士学Ｉ立士仑文图１．１世界太阳电池组件的产量与价格变化表１．２世界光伏市场中各应用领域所占的份额（单位：ＭＷ）１９９０ １９９３ １９９７ １９９８ ２０００２００１２６９１９２８１６２７３０１０２４３１２０３６１８５８１６１０２４４（日‘Ｊ消费电子产品美国居民用独立系统世界乡村独立系统通讯及信号１６３６１４１￣、｝０八ｎ户（）ｌｒｊ月咔通斗‘络１、￣乙Ｕ商用光伏互补发电系统并网户用／商用７１３０１２０３６１９９光伏电站（大于１００ＫＷ） １合计２ ２ ２ ２ ２４８ ６１ １２６ １５３ ２８８ ３９５表１． ２列出了从１９９０年到２００１年光伏各应用领域在世界光伏市场中所占的份额。从表中可以看出，２００１年光伏组件销售量的一半用北京交Ａ大理良布眨．士学１立ｉ４＇文于并网光伏发电系统。同时，光伏发电在偏远无电地区电气化、通讯等传统应用领域中的用量也稳步上升。目前，成本问题是制约太阳电池大规模应用的瓶颈。要真正使太 阳能成为替代能源，太阳电池的发电成本必须接近常规发电方式的成本。目前，国际市场光伏组件的成本约２．５美元／峰瓦（折合每千瓦时约０．０９美元。国内光伏组件成本要高于国外，约４０元人民币／峰瓦），必须降至１美元／峰瓦以下才能实现上述目标，中间还有很大的差距。因此，在技术上实现创新和突破，发展廉价、高效的新一代太阳电池，是摆在我们面前的迫切任务。表１．３ １９９８年及２００１年各种太阳电池的产量（ＭＶ）及市场占有率Ｐｏｌｙ－ Ｍｏｎｏ－ Ｓｉ－ ＨＩＴ ａ－Ｓｉ ＣｄＴｅ．６５％３．６４８１９９８ ６６石６０．４０ ２０．１３ １．５５０ １３％ １％１８．０ ３３．６８ １．５３４．６１％ ８．６２％ ０．３９％４３％ ３９％２００１ １８４．８５ １３６．７８ ％４７３％３５．０％表１． ３列出了１９９８和２００１两年各类太阳电池的产量和所占的市场份额，从表中可以看出，晶体硅太阳电池所占的市场份额从１９９８年的８５％上升到２００１年的９０．４４。作为第二代太阳电池技术之一的非晶硅薄膜电池产量虽然增加了１３．５５ＭＷ，但所占的市场份额还是从１９９８年的１３％下降到２００１年的８．２６Ｙ，而其它薄膜太阳电池的产量和所占的份额都有所减小。现阶段产业化光伏技术的最大赢家是多晶硅太阳电池技术。产量从１９９８年的６６．６ＭＶ猛增到２００１年的北京交通大学不页士学１立ｉ＾．ｔ文１８４．８５ＭＶ，增长了近三倍，市场占有率则从１９９８年的４３％上升到２００１年的４７．３３Ｙ６．造成这一现象的主要原因是：多晶硅太阳电池具有比单晶硅太阳 电池更高的性价比［［２１。与昂贵的拉单晶过程相比，生产多晶硅片的铸锭法使用的设备及制造过程简单、省时、省电、节约硅材料，并可使用较低纯度的硅原料。更重要的是，由于磷铝吸杂、远距离ＰＥＣＶＤ沉积氮化硅减反射膜等工艺的普遍应用，使得目前大规模工业化生产多晶硅太阳电池的转化效率已达到１４％以上［３４］，与单晶硅太阳电池相当接近。此外，铸锭长晶技术也取得了长足的进步。目前普遍使用的大型铸锭炉不但增加了产量还减少了能源消耗，而且２８０公斤／炉的铸锭炉也将在未来一两年内出现。未来光伏产业将有更快的发展。据美国世界观察研究所的报告预 测，２１世纪光伏产业将与资讯、通信产业一起，成为全球发展最快的产业。到２１世纪中叶，光伏发电量将占世界总发电量的１／５，从而使太阳能成为常规能源的重要替代者。＇１．２太阳电池的研究概况总体而言，各类太阳电池都是利用各种类型势垒的光生伏特作 用，将太阳能转化为电能。通常按照制备材料不同，可以将太阳电池划分为硅（包括单晶硅、 多晶硅、非晶硅）、ＣｕＩｎＳｅ２， ＧａＡｓ， ＣｄＴｅ， ＵＳ太阳电池等，此外还有近年新发展起来的纳米二氧化钦染料电池以及有机聚合物太阳电池。按照电池活性层的厚度，又可以将太阳电池划分为体材料电池和薄膜太阳电池（一般认为活性层厚度小于５０微米的为薄膜太阳电池）。