半导体光生伏特效应研究论文

我国光伏产业经过多年的发展，已成为全球最大的光伏市场和生产基地之一。以下是我国光伏产业的现状和前景：现状：1. 生产规模：我国光伏产业已形成完整的产业链，包括硅材料、太阳能电池、组件、系统集成等环节。2019年，我国光伏组件产能超过150GW，占全球总产能的60%以上。2. 市场规模：我国已成为全球最大的光伏市场，2019年新增光伏装机容量为，占全球新增装机容量的45%以上。3. 技术水平：我国的光伏技术水平不断提高，已经在多项核心技术上取得重要突破，如高效组件制造技术、低成本电池工艺、智能逆变器技术等。4. 政策支持：我国政府出台了一系列支持光伏产业发展的政策，包括补贴政策、税收优惠政策、土地政策等。前景：1. 市场需求：随着全球对清洁能源的需求不断增加，我国光伏产业的市场前景广阔。预计到2030年，我国光伏发电装机容量将达到1000GW以上。2. 技术创新：我国光伏产业仍然存在技术瓶颈和挑战，未来需要继续加强技术创新和研发，提高光伏发电效率和降低成本。3. 国际竞争：随着全球光伏市场竞争的加剧，我国光伏产业需要更好地应对国际市场的竞争压力，提高产品质量和技术水平。综上所述，我国光伏产业拥有巨大的市场潜力和发展前景，需要政府、企业和科研机构共同努力，加强技术研发和创新，提高产品质量和竞争力，推动光伏产业健康稳定发展，为清洁能源做出更大的贡献。

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行业主要上市公司：隆基股份(601012);晶澳科技(002459);晶科能源(688223);通威股份(600438);天合光能(688599)等

本文核心数据：光伏发电板块上市公司研发费用;光伏发电相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“solar pv”、“solar photovoltaic”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

光伏发电行业技术概况

1、技术原理及类型

(1)光伏发电行业技术原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，其发电原理如下。

(2)光伏发电种类

光伏发电一般分为两类：集中式发电和分布式发电，集中式发电主要为大型地面光伏系统;分布式发电主要应用于商业/工业、建筑屋顶。

2、技术全景图：主要为光伏电池技术路线

光伏发电行业的产业链中游为电池片、电池组件和系统集成，其中各类光伏电池技术为重点技术路线。根据半导体材料的不同，光伏电池技术主要包括晶硅电池、薄膜电池以及叠层和新结构电池(第三代电池)。

晶硅电池是研究最早、最先进入应用的第一代太阳能电池技术，按照材料的形态可分为单晶硅电池和多晶硅电池，其中单晶硅电池根据基体硅片掺杂不同又分为P型电池和N型电池。目前应用最为广泛的单晶PERC电池即为P型单晶硅电池，而TOPCon、HJT、IBC等新型太阳能电池技术主要是指N型单晶硅电池。

薄膜光伏电池分为硅基薄膜电池和化合物薄膜电池，以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等的化合物薄膜电池为代表。

叠层、新结构电池包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等。

光伏发电行业技术发展历程：电池技术路线演变拉动

光伏发电行业技术发展主要是由光伏电池技术路线演变拉动的，从以硅系电池为代表的第一代光伏电池、到以铜铟稼硒(CIGS)、锑化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料的薄膜电池为代表的第二代光伏电池，如今光伏电池技术已发展至第三代，第三代光伏电池技术主要包括有机太阳能电池、铜锌锡硫化物电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等，具有薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒的优势。

光伏发电行业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近年来，我国出台一系列光伏发电技术及研发的相关政策，通过政策指导，行业加快光伏发电技术的推广和革新，促进光伏发电产业的快速发展。

光伏发电行业技术发展现状

1、光伏发电行业技术科研投入现状

(1)国家重点研发计划项目

据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国光伏发电技术相关国家重点研发计划项目共计15项。

注：2019年未公布光伏发电技术相关国家重点研发计划项目。

(2)A股上市企业研发费用

光伏发电行业经过多年发展，产品相对成熟，但行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看，2017-2021年，我国光伏板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，光伏板块上市公司研发总费用约亿元。

2、光伏发电技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从光伏发电相关论文发表数量来看，2010年至今我国光伏发电相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见光伏发电科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有18289篇光伏发电相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解光伏发电行业内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中近约5000条专利中最常见的关键词，其中，光伏组件、太阳能、光伏板、太阳能板、光伏发电、太阳能电池板、逆变器等关键词涉及的专利数量较多，说明光伏发电行业研发和创新重点集中于光伏组件和光伏板等领域。

(3)专利聚焦领域

从光伏发电专利聚焦的领域看，目前光伏发电专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于太阳能、光伏板、太阳能电池、光伏组件等。

主要光伏电池技术对比分析

从技术水平来看，硅、砷化镓、磷化铟、碲化镉和铜铟硒多元化合物(铜铟镓硒是其典型代表)是可选光伏材料中综合性能的最佳集合。而它们各方面性能的优劣，直接导致了目前光伏电池技术百花齐放的现状。

注：平均转换效率均只记正面效率。

光伏发电行业技术发展痛点及突破

1、光伏发电行业技术发展痛点

(1)硅基光伏电池：P型电池转换效率低

由于电池片的光电转换效率直接影响整个光伏系统的效益，因此光伏电池的光电转换效率十分重要，光电转换效率的提升主要依靠技术更新换代。现阶段，晶硅光伏电池面临着转换效率较低的问题，尤其是P型电池。

据德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)，PERC电池的理论极限效率为，PERC产线的量产效率已经达到23%，逐步逼近理论极限效率。

(2)薄膜电池量产转换效率低

薄膜光伏电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合(BIPV)等特点，但薄膜电池面临着量产转换效率低的问题，性价比较低。

2、光伏发电行业技术发展突破

(1)N型电池技术突破P型电池极限转换效率

相较于P型电池，N型电池技术少子寿命高、无光致衰减、弱光效应好且温度系数小，转换效率更高。面临P型电池逐步逼近理论效率极限，N型电池技术能够突破P型电池的理论效率极限并达到更高转换效率。据中国光伏行业协会(CPIA)，2022-2023年N型电池技术的平均转换效率就可以达到PERC电池的理论极限效率()。

(2)钙钛矿电池可实现高转换效率

钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的第三代太阳能电池，钙钛矿材料的吸光能力强于晶硅材料，因此钙钛矿电池能够实现高转换效率。除了拥有高转换效率，钙钛矿电池还具备价格低、投资小、制备简单等优势。

光伏发电行业技术发展方向及趋势：降本增效

2022年8月，工信部五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》，提出通过5-8年时间，在太阳能装备方面重点发展高效低成本光伏电池技术，包括推动TOPCon、HJT、IBC等晶体硅太阳能电池技术和钙钛矿、叠层电池组件技术产业化，开展新型高效低成本光伏电池技术研究和应用等。

可见，未来光伏发电技术将向着降本增效方向发展，一方面由于现有光伏电池逐渐逼近最高理论转换效率，因此更高转换效率的电池将成为光伏电池技术发展方向;另一方面，光伏组件转换效率的提升以及制造成本的降低，是降低光伏电站建设成本，并最终降低光伏发电成本的关键因素。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《光伏发电行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

按时间的发展顺序，太阳电池发展有关的历史事件汇总如下：1839年法国科学家发现液体的光生伏特效应(简称光伏现象)。1877年和研究了硒(Se)的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家charlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。1904年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(AlbertEinstein)发表关于光电效应的论文。1918年波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺。1921年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。1930年研究氧化亚铜/铜太阳能电池，发表“新型光伏电池”论文;发表“新型氧化亚铜光电池”论文。1932年Audobert和Stora发现硫化镉(CdS)的光伏现象。1933年发表“铜-氧化亚铜整流器和光电池”论文。1941年奥尔在硅上发现光伏效应。1951年生长p-n结，实现制备单晶锗电池。1953年Wayne州立大学DanTrivich博士完成基于太阳光普的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年RCA实验室的等报道硫化镉的光伏现象，(RCA:RadioCorporationofAmerica，美国无线电公司)。贝尔(Bell)实验室研究人员，和报道效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。(贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功)1955年西部电工(WesternElectric)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%的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。1956年，和发表“锗和硅p-n结电子电流效应”的文章。1957年Hoffman电子的单晶硅电池效率达到8%;，和获得“太阳能转换器件”专利权。1958年美国信号部队的制成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100c㎡，，为一备用的5mW话筒供电。1959年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片太阳能电池列阵，每片2c㎡，共20W。1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。1962年第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳能电池功率14W。1962年第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳能电池功率14W。1962年第一个商业通讯卫星Telstar发射，所用的太阳能电池功率14W。1963年Sharp公司成功生产光伏电池组件;日本在一个灯塔安装242W光伏电池阵列，在当时是世界最大的光伏电池阵列。1964年宇宙飞船“光轮发射”，安装470W的光伏阵列。1965年PeterGlaser和提出卫星太阳能电站构思。1966年带有1000W光伏阵列大轨道天文观察站发射。1972年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年美国特拉华大学建成世界第一个光伏住宅。1974年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，25mm宽，457mm长(EFG:EdgedefinedFilmFed-Growth，定边喂膜生长)。1977年世界光伏电池超过500KW;和在的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)太阳能电池。1979年世界太阳能电池安装总量达到1MW。1980年ARCO太阳能公司是世界上第一个年产量达到1MW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，接着完成了非晶硅组件批量生产并进行了户外测试。1981年名为SolarChallenger的光伏动力飞机飞行成功。1982年世界太阳能电池年产量超过。1983年世界太阳能电池年产量超过;名为SolarTrek的1KW光伏动力汽车穿越澳大利亚，20天内行程达到年面积为929c㎡的商品化非晶硅太阳能电池组件问世。1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W;澳大利亚新南威尔土大学MartinGreen研制单晶硅的太阳能电池效率达到20%。1986年6月，ARCOSolar发布G-4000———世界首例商用薄膜电池“动力组件”。1987年11月，在3100Km穿越澳大利亚的PentaxWorldSolarChallengePV-动力汽车竞赛上，GMSunraycer获胜，平均时速约为71km/h。1990年世界太阳能电池年产量超过。1991年世界太阳能电池年产量超过;瑞士Gratzel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳能电池效率达到7%。1992年世界太阳能电池年产量超过。1993年世界太阳能电池年产量超过。1994年世界太阳能电池年产量超过。1995年世界太阳能电池年产量超过;光伏电池安装总量达到500MW。1996年世界太阳能电池年产量超过。1997年世界太阳能电池年产量超过。1998年世界太阳能电池年产量超过;多晶硅太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。1999年世界太阳能电池年产量超过;美国NREL的等报道铜铟锡(CIS)太阳能电池效率达到;非晶硅太阳能电池占市场份额。2000年世界太阳能电池年产量超过399MW;WuX.，.，.等报道碲化镉(CdTe)太阳能电池效率达到;单晶硅太阳能电池售价约为3USD/W。2002年世界太阳能电池年产量超过540MW;多晶硅太阳能电池售价约为。2003年世界太阳能电池年产量超过760MW;德国FraunhoferISE的LFC(Laserfired-contact)晶体硅太阳能电池效率达到20%。2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW;德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到;非晶硅太阳能电池占市场份额，降为1999年的1/3，CdTe占;而CIS占。2005年世界太阳能电池年产量1759MW。中国太阳能发电发展历史中国作为新的世界经济发动机，光伏业业呈现出前所未有的活力。大量光伏企业应运而生，现在光伏产量已经达到世界领先水平。现在OFweek太阳能光伏网带大家来回顾下中国太阳能发展历史：1958，中国研制出了首块硅单晶1968年至1969年底，半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅太阳能电池板的任务。在研究中，研究人员发现，P+/N硅单片太阳电池在空间中运行时会遭遇电子辐射，造成电池衰减，使电池无法长时间在空间运行。1969年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。1998年，中国政府开始关注太阳能发电，拟建第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目。2001年，无锡尚德建立10MWp(兆瓦)太阳电池生产线获得成功，2002年9月，尚德第一条10MW太阳电池生产线正式投产，产能相当于此前四年全国太阳电池产量的总和，一举将我国与国际光伏产业的差距缩短了15年。2003到2005年，在欧洲特别是德国市场拉动下，尚德和保定英利持续扩产，其他多家企业纷纷建立太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产迅速增长。2004年，洛阳单晶硅厂与中国有色设计总院共同组建的中硅高科自主研发出了12对棒节能型多晶硅还原炉，以此为基础，2005年，国内第一个300吨多晶硅生产项目建成投产，从而拉开了中国多晶硅大发展的序幕。2007，中国成为生产太阳电池最多的国家，产量从2006年的400MW一跃达到1088MW。2008年，中国太阳电池产量达到2600MW。2009年，中国太阳电池产量达到4000MW。2006年世界太阳能电池年产量2500MW。2007年世界太阳能电池年产量4450MW。2008年世界太阳能电池年产量7900MW。2009年世界太阳能电池年产量10700MW。2010年世界太阳能电池年产量将达15200MW。

太阳能光伏效应，简称光伏(PV)，又称为光生伏特效应（Photovoltaic），是指光照时不均匀半导体或半导体与金属组合的部位间产生电位差的现象。[1]人们通常不会将连接光伏组件和逆变器的布线系统视为关键部件，但是，如果未能采用太阳能应用的专用电缆，将会影响到整个系统的使用寿命。太阳能系统常常会在恶劣环境条件下使用，如高温和紫外线辐射。在欧洲，晴天时将导致太阳能系统的现场温度高达100°C。目前，我们可采用的各种材料有PVC、橡胶、TPE和高质量交叉链接材料，但遗憾的是，额定温度为90°C的橡胶电缆，还有即便是额定温度为70°C的PVC电缆也常常在户外使用，显然，这将大大影响系统的使用寿命。——2014年中国光伏市场应用浅析就光伏应用而言，户外使用的材料应根据紫外线、臭氧、剧烈温度变化和化学侵蚀情况而定。在该种环境应力下使用低档材料，将导致电缆护套易碎，甚至会分解电缆绝缘层。所有这些情况都会直接增加电缆系统损失，同时发生电缆短路的风险也会增大，从中长期看，发生火灾或人员伤害的可能性也更高。而在安装和维护期间，电缆可在屋顶结构的锐边上布线，同时电缆须承受压力、弯折、张力、交叉拉伸载荷及强力冲击。如果电缆护套强度不够，则电缆绝缘层将会受到严重损坏，从而影响整个电缆的使用寿命，或者导致短路、火灾和人员伤害危险等问题的出现。2012年，由于GDP增速放缓，并且我国的工业增速多半可能会继续保持一个适度回调。再加上由于利润越来越薄，许多企业不惜为了赚取利润生产不合格、伪劣产品。有的企业迫于市场压力，选择最低价竞标，这诸多因素更是给我国的电线电缆行业发展带来很大的瓶颈。因此，加大电线电缆产品质量提升工作可谓是迫在眉睫、刻不容缓。

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