第1章 绪论
　　1.1 温室效应
　　温室效应(greenhouse effect)又称“花房效应”，是大气效应的俗称。温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热对流而形成的保温效应，即太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳(CO2)等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。
　　地球的温度是太阳入射的能量和地球向太空中辐射能量之间建立平衡的结果。大气层的存在和构成对地球所发出的辐射产生强烈的影响。太阳辐射主要是短波辐射，而地面辐射和大气辐射则是长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强，对短波辐射的吸收力较弱。二氧化碳对13～19 m波长带吸收强烈，而大气气体——水蒸气，则对4～7 m波长带吸收强烈。白天时，太阳光照射到地球上，部分能量被大气吸收，部分被反射回宇宙，大约47%的能量被地球表面吸收。晚上地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量，其中也有部分被大气吸收。如果地球像月球一样没有大气层的话，地球表面的平均温度约为18℃。但是，大气层中以二氧化碳为代表的“温室气体”吸收了向外的辐射，从而将这些能量保留在大气层中并温暖了地球，进而使地球的温度保持在平均14～15℃左右，比月球高出33℃(图1-1)。人类活动将越来越多的“温室气体”释放到大气层中，这些气体对7～13 m波长带产生吸收，尤其是二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮和氯氟烃(chlorofluorocarbon，CFC)。这些气体会加剧温室效应，并可能导致地表温度的进一步升高。
　　进入21世纪，全球经济快速发展的同时带来了严重的环境污染、全球气温上升、化石能源过度消耗等一系列问题。2016年《巴黎协定》的生效，显示了全世界范围内对环境恶化和不可再生资源过度消耗的一致认识，并凸显了各国发展可再生能源的急迫需求和决心。在此背景下，风能、光能、生物能等可再生能源的开发利用日益受到国际社会的高度关注。随着经济的发展，我国逐渐成为主要的资源消耗大国，发展可再生能源任务紧迫。在已知的几种可再生能源中，太阳能作为一种分布广泛、安全可靠、经济性强的能源，具有广阔的开发前景。开发利用太阳能对我国能源结构调整、可持续绿色发展有极其重要的意义。光伏发电是开发利用太阳能的主要方式之一，近年来我国光伏产业发展迅速，光伏装机量也在快速增加。2022年10月，党的二十大报告提出“积极稳妥推进碳达峰碳中和”，“深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加大油气资源勘探开发和增储上产力度，加快规划建设新型能源体系，统筹水电开发和生态保护，积极安全有序发展核电，加强能源产供储销体系建设，确保能源安全。完善碳排放统计核算制度，健全碳排放权市场交易制度。提升生态系统碳汇能力。积极参与应对气候变化全球治理”。
　　图1-1 温室效应原理图
　　1.2 太阳能
　　太阳能(solar energy)是指太阳的热辐射能，是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，是一种可再生能源。自地球上有生命诞生以来，人类就主要依靠太阳提供的热辐射能生存，人类所需能量的绝大部分直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气，吸收二氧化碳，并将太阳能转变成化学能在植物体内储存下来。而且人类自古就懂得利用阳光晒干物件并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。煤炭、石油、天然气等化石燃料是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。与原子核反应有关的能源就是核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。它来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中储藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放能量。目前核能*大的用途是发电。此外，还可以用作其他类型的动力源、热源等。
　　太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369 W/m2。地球赤道周长为40076 km，从而可以计算出，地球获得的能量可达173000 TW。在海平面上的标准峰值强度为1 kW/m2，地球表面某一点的平均辐射强度为0.20 kW/m2，相当于有102000 TW的能量。太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，每秒照射到地球上的太阳辐射能量为1.465×1014 J，相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来储存的太阳能，所以广义的太阳能包括的范围非常大。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
　　在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能有两种重要的应用方式：一种是光热，其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。目前使用*多的太阳能收集装置主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等。通常根据所能达到的温度和用途不同，将太阳能光热利用分为低温利用(＜200℃)、中温利用(200～800℃)和高温利用(＞800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。另一种是光电，其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳电池。
　　1.3 太阳电池的由来
　　1839年，法国物理学家亚历山大？埃德蒙？贝克勒尔(Alexandre-Edmond Becquerel)意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他将这种现象称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。“光伏效应”是太阳能光伏技术的物理基础。为了纪念贝克勒尔的贡献，光伏效应又被称为“贝克勒尔效应”。之后威洛比？史密斯(Willoughby Smith)于1873年在硒中发现了光伏效应。1876年，威廉？G？亚当斯(William G. Adams)与他的学生理查德？E？戴(Richard E. Day)发现，照亮硒与铂之间的结合点也具有光伏效应。这两个发现为1877年建造的**个硒太阳电池结构奠定了基础。1883年，美国发明家查尔斯？弗里茨(Charles Fritts)通过在硒上涂上一层金制造了**个太阳电池(图1-2)。弗里茨表示，硒组件产生的电流“是连续的、恒定的并且具有相当大的力”。作为**块太阳电池，该器件的能量转换率仅为1%，但是弗里茨预言太阳电池具有广阔的发展前景。
　　图1-2 弗里茨光伏器件示意图
　　对光伏效应做出全面的物理解释的是1905年爱因斯坦对光电效应的描述。他提出了光量子假说，揭示了光电转化的本质。爱因斯坦的理论解释在1916年罗伯特？密立根(Robert Millikan)的实验中得到了验证。1918年，波兰科学家扬？柴可拉斯基(Jan Czochralski)发明了一种生产单晶硅的方法，即直拉生长法，该方法后来被用作生产单晶硅太阳电池。
　　20世纪50年代，随着对半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，美国贝尔实验室的研究员在1954年发现，在硅中掺入一定量的杂质会使其对光更加敏感，并制作出**个有实际应用价值的太阳电池，效率为4.5%。在之后的几个月，贝尔实验室将电池效率提升到6%，所制造的晶硅太阳电池组件登载于1955年12月的《科学美国人》上(图1-3)。1957年，霍夫曼电子公司推出了效率为8%的太阳电池。1958年，同一家公司推出了效率为9%的太阳电池。同年，出于发展航天技术的目的，生产出**款防辐射硅太阳电池。到了60年代，美国发射的人造卫星已经利用太阳电池作为能量来源。70年代，能源危机令世界各国开始意识到新能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始将太阳电池的应用转移到一般的民生用途上。
　　图1-3 贝尔实验室晶硅太阳电池组件（登载于1955年12月《科学美国人》）
　　从20世纪80年代到90年代初期，受益于微电子领域对晶体硅的研究，高性能晶硅太阳电池技术有了长足进步，能量转化效率突破20%，面临的挑战转变为如何降低太阳电池制造成本以使光伏发电成为更具竞争力的电力来源。
　　20世纪90年代至今，太阳电池已广泛地被各国政府推广使用。中国光伏产业起步较晚但呈现迅速发展的势头。2002年，我国光伏行业开始起步。在“十五”期间，我国在光伏发电技术研发工作上先后通过“国家高技术研究发展计划”“国家科技攻关计划”安排，开展了晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉和铜铟硒薄膜电池、晶硅薄膜电池以及应用系统的关键技术研究，大幅提高了光伏发电技术和产业的水平，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。2010年后，在欧洲经历光伏产业需求放缓的背景下，我国光伏产业迅速崛起。近年来我国光伏产业快速发展，已经成为我国在世界范围内取得领先地位的产业，被国家列为战略性新兴产业之一。我国的光伏产业从“三头在外”成长为世界**，实现了从晶硅原料到系统应用的全产业链革新。《2020—2021年中国光伏产业年度报告》指出，在光伏装机量方面，2020年全国新增光伏并网装机量48.2 GW，同比上涨60.1%。光伏累计并网装机量达到253 GW，新增和累计装机量均为世界**。全年光伏发电总量为2605亿kW？h，约占全国总发电量的3.5%。2021年底光伏新增装机量超过55 GW，累计装机量达到308GW。
　　随着太阳能产业的快速发展，太阳电池技术也在飞速革新，实验室和产业化电池转换效率不断取得突破。太阳电池技术的发展大致可分为三代。**代为晶硅太阳电池，包括单晶硅和多晶硅电池。第二代太阳电池为薄膜太阳电池。第三代太阳电池包括染料敏化太阳电池和叠层太阳电池等。图1-4为2021年末美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)发布的不同种类太阳电池效率记录表。晶硅太阳电池具有材料成本低、转换效率高和可靠性高等优点，目前仍然是光伏产品中的主流技术。市场占有率*大的高效晶体硅太阳电池技术为p型单晶钝化发射极背面接触(passivated emitter and rear contact，PERC)电池，随着市场对电池效率的要求越来越高，PERC电池的效率一直在以每年0.5%的绝对效率增长，目前在大规模生产中效率已经达到23%～23.5%。2019年我国隆基乐叶报道了p型156.75 mm×156.75 mm(245.5 cm2)Cz-Si(Czochralski- Si)单晶PERC电池，采用德国Fraunhofer ISE标准电池在光伏组件的标准测试条件(standard test condition，STC)包括：光强1000 W/m2、AM 1.5、组件温度25℃)，按照IEC 60904-3标准测得的效率达23.83%；同年，其单晶双面PERC电池经国家光伏质检中心(CPVT)测试，正面转换效率达到24.06%。2020年，天合光能研发团队报道了工业化大面积158.75 mm×158.75 mm(252.2 cm2)双面PERC电池，通过德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)*立认证，效率达到了23.39%。2021年，通威太阳能制备的166 mm×166 mm(274.50 cm2)电池经ISO/IEC 17025第三方机构认证的转化效率为23.47%。同年，天合光能宣布，其自主研发的210 mm×210 mm (441.0 cm2)高效PERC电池，经CPVT第三方测试认证，电池效率可达到23.56%。