第1章导论
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，是国民经济和社会发展的基础。随着化石能源的日趋枯竭和全球对温室效应的关注，开发利用清洁可再生能源正成为现在和未来世界能源科技发展的主旋律。
整个化石燃料开采峰值将在21世纪中叶前到来，人类能源结构在21世纪前半期将发生根本性的变革。化石燃料开采峰值距今只有二十几年，常规能源（煤电或水电）发电成本逐年升高，人类能源面临着非常紧迫的替代形势。
可再生能源资源丰富、发展前景明确、技术争议较少。开发利用可再生能源，既是解决当前能源供需矛盾的重要措施：可节约和替代部分化石能源，促进能源结构的调整，减轻环境压力；也是实现未来能源和环境可持续发展，保障国家能源与环境安全，发展低碳经济，促进我国经济与社会可持续发展的必然战略选择。
2009年底的哥本哈根会议使“节能减排”和“低碳”等概念深入人心，使全球经济的发展方向和导航标转向了低碳经济。光伏发电作为一种清洁的可再生能源，是未来低碳社会的理想能源之一，受到世界各国的广泛重视。
作为可再生能源的重要应用领域，太阳能光伏发电在过去10年中得到了快速的发展，并且太阳能光伏作为未来世界能源的主要来源，要坚定不移地发展下去。为了应对气候变化，我国提出了到2020年非化石能源满足一次能源消费15%的目标，以及碳排放强度降低40%～50%的约束性指标，而发展可再生能源、走低碳经济之路，是实现这一远大目标的必然途径。我国接收到的太阳能总辐照量数量惊人，除部分区域日照时数较低外，多数地方可以发展光伏发电。
1.1太阳电池发展概况
太阳电池是一种利用太阳光直接发电，能实现光电转换的装置或器件。只要有光照到电池上，电池就可输出电压及电流，在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏［photovoltaics，是由photo（光）和voltaics（伏打）两个单词组合而成的，缩写为PV］。
1.1.1太阳电池发展简史
太阳电池发展历史可以追溯到1839年，当时的法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel发现了光生伏打效应（photovoltaic effect），从此人们开始了对“光生伏打效应（简称光伏效应）”的研究。
1883年，美国Fritts在一个金属衬底上制作出了第一个大面积（30 cm2）太阳电池。
19世纪后期，维也纳大学的Moster第一次报道了染料敏化的光电效应。
1930年，肖特基（Schottky）首次提出了Cu2O势垒的光伏效应理论。同年，朗格（Longer）首次提出可以利用光伏效应制造太阳电池，使太阳能变为电能。
1954年，第一个具有实用价值的单晶硅pn结太阳电池研制成功，几个月后此类电池的效率提高到6%。此后不久，商业硅电池便被用于航天领域。
1959年，美国Hoffman公司推出了效率为10%的商业化硅电池。
1960年，首次实现硅太阳电池并网发电。
20世纪60年代，CdTe薄膜电池获得6%的光电转换效率。
1967年，第一块GaAs电池制备成功，效率达到9%。
1974年，非晶硅太阳电池研制成功。
1980年，第一个效率大于10%的CuInSe电池在美国制成；RCA公司的Carlson研制出了效率达8%的非晶硅太阳电池。
1981年，在沙特阿拉伯建立了350 kW的聚光电池矩阵。
1982年，美国加利福尼亚安装了第一个1 MW的实用光伏电站。
1990年，德国提出了“2000个光伏屋顶计划”，这标志着太阳电池并网发电技术日趋成熟。
1991年，瑞士洛桑的Grtzel教授提出了纳米多孔薄膜染料敏化太阳电池，其效率达到7.1%，使染料敏化太阳电池的研究获得了突破性的进展。
1993年，纳米多孔薄膜染料敏化太阳电池效率达到10%。
1997年，美国“克林顿总统百万屋顶计划”、日本“新阳光计划”、荷兰政府“荷兰百万屋顶计划”相继启动。同年，光伏电池产能达100 MW。
1999年，全球累计建立光伏电站达1 GW。
2002年，澳大利亚STA公司建立了世界上首个面积为200 m2的染料敏化太阳电池显示屋顶，充分体现了染料敏化太阳电池未来的工业化前景。
2002年，全球累计光伏装机容量达2 GW。
2012年底，全球累计光伏装机容量达到了95 GW。
2013年，全球累计光伏装机容量102.16 GW。
从1954年光伏电池首次出现到全球累计建立光伏电站达1 GW，共用了45年的时间，而从1 GW到第二个1 GW，仅用了3年的时间；
2013年，全球新增装机容量达到37 GW，累计装机容量达到137 GW。2013年，中国新增装机容量为11 GW，位居全球第一位，累计装机约18 GW，位居全球第二位；德国的太阳能光伏发电容量已达到约36 GW，为全球光伏发电发展起到了重要的示范作用。许多国际机构研究认为，太阳能将是未来能源供应的主体，预计到21世纪末，太阳能将占到全部能源消费的50%以上。
1.1.2太阳电池发展现状
自1954年第一块具有实用意义的太阳电池被研制出来后，经过近大半个世纪的研究和攻关，各种太阳电池都取得了长足的进步，电池效率得到了显著的提高。同时，电池组件效率也大幅提高，部分电池已实现了实用化，或正在进行实用化研究与攻关。表1.1为各类太阳电池截至2013年7月取得的经过第三方认证的电池效率一览表。
1.1.3太阳电池应用概况
太阳能光伏发电具有十分明显的优势。一是资源丰富且不会枯竭，是可再生清洁能源。特别是光伏发电过程不耗水，因此光伏电站建设不受水资源制约，可以在空闲土地上，特别是可以在沙漠上建设光伏电站。二是光伏电池安装建设简单、装机规模灵活、运行管理方便，既可以利用空旷场地进行建设，也可以与建筑结合建设，几乎不需要进行运行维护，开发利用的潜力很大。三是光伏发电的输出特性与用电负荷特性相吻合，即光伏发电在太阳光照最强的中午时段输出最大，而此时也正是用电的高峰时段，可有效减轻电力系统的调峰压力，利于优化电力系统运行，节约不可再生的化石能源资源，实现节能减排目标。
2010年全球光伏产业急剧增加。大批新增产能的投入，极大地扩充了光伏市场的供应量。2011年，全球新增光伏装机容量为29.6 GW，与2010年的16.8 GW相比增长76.2%。从全球太阳能光伏发电的生产厂商来看，截至2010年底，全球光伏电池产量排名前五位的厂商分别为河北晶澳公司、美国First Solar公司、无锡尚德公司、保定英利公司和常州天合公司，产能分别为1500 MW、1300 MW、1200 MW、1000 MW和930 MW。可以说，从2010年开始，世界太阳能光伏企业的竞争正式升级至吉瓦（GW)级。图1.1为我国太阳能光伏装机容量情况。
近几年来，面对时代机遇，世界各国纷纷制订光伏产业发展计划。目前光伏电池产业在全球呈现高速增长，多元化需求局面已经出现。并网发电依然占市场需求主体，光伏与建筑一体化将成为未来发展趋势。2010～2020年，预计全球光伏产业年增长率将达34%，年安装量将达到11.34 GW。据相关预测，2030年，太阳能光伏发电占世界总电力供应比例将达到10%以上；到21世纪末，太阳能光伏发电所占比例将更高，预计会突破60%。中国《新能源产业振兴和发展规划》明确提出：太阳能发电装机规模在2020年达到20 GW。但在2012年国际太阳能市场发生巨大变化的时候，国家能源局实时调整太阳能发展计划，国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》明确指出：到2015年底，我国太阳能发电装机容量达到35 GW以上。这些数字足以描绘出太阳能光伏产业未来广阔的发展前景，同时，明确国家新能源发展的路线图，构建新能源经济政策体系，加强新能源产业的布局和监管等对未来光伏健康发展至关重要［2］。
1.2太阳电池分类及其应用简介
1.2.1太阳电池分类
太阳电池是光伏发电系统的核心。从技术的发展程度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段：第一代太阳电池，晶体硅电池；第二代太阳电池，包括非晶硅薄膜太阳电池（a-Si）、碲化镉太阳电池（CdTe）、铜铟镓硒太阳电池（CIGS）、砷化镓太阳电池（GaAs）、染料敏化太阳电池（DSC）等；第三代太阳电池，各种叠层太阳电池、热光伏电池（TPV）、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池和碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。
按电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。
按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池等几种。
（1） 硅太阳电池。
硅太阳电池依据硅的结晶形态又可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率较高，技术也最为成熟。多晶硅太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，并且效率高于非晶硅太阳电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低、质量轻，便于大规模生产，有较大的潜力。
（2） 砷化镓太阳电池。
单结砷化镓Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的转换效率可达28%，抗辐照能力强，但价格不菲，基本仅限于太空等特殊使用。
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