太阳能光伏发电原理与应用.docx

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1、太阳能光伏发电原理与应用知识点第2章（1）光子能量：一般用波长或相对应的能量来描述一个光子的特性。光子能量与波长之间存在反比例关 系,方程为E=hc/X。电子伏特与焦耳的转换为E（J）=q x E（eV）。能量与波长关系为E（eV）=1.24/如。（2）光子通量：光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：0 =# （光子数量）/（sm*2）。光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素。光子通量并不足以确定太阳能电池产 生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息。（3）辐射功率：发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照

2、度的叠加计算获得。 H=/ F（X）dX=S FQ）入可以用来计算光源发出的总的功率强度。（4）光照度：单位面积上所受的光通量。作为光子波长（或能量）的对应量，光照度（记佃）是描述光 源性质最常用的方式。（5）黑体：在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体；吸收比为1的物体；在 任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体。黑体辐射出的总功率强度可由所有波长的光照度 的积分得到:H=oTM，。为斯特番一玻尔兹曼常量，T黑体温度。光照度最高处的波长入为（u,m）=2900/T。（6）地理坐标：以地心为原点，以地球为基本圆，以地球自转轴为中心轴，用纬度、经度来表示地球表 面上

3、点的位置。天球坐标：天球：以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面。 地平面：球心与铅直线相垂直的平面。地平圈：地平面与天体的交线所成大圆。天顶、天底：通过球心的 铅直线与天球的交点。地平坐标：以地平圈为基本圆，天顶为基本点，南点为原点的坐标系。地平经圈：通过天顶Z和太 阳（或任一天体）X作一大圆。时角坐标：以天极为基本点，天赤道（地球赤道平面延伸后与天球相交的大圆）和子午圈在南点附 近的交点为原点的坐标。（7）太阳常数：地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行，地球与太阳之间的距离不是一个常数，地球 大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同，由于日地间的距离很

4、大，其相对变化量是很小的， 由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%,z这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个 常数。（8）太阳光谱：太阳发射的电磁波在大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。到达地面的太阳辐射光谱是 地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳电池系统及其他一些应用是十分重要的。太阳光谱是连 续的，且辐射特性与绝对黑体辐射近似。（9）直接辐射：直接接收到的、不改变方向的太阳辐射。散射辐射：接收到的被大气层反射和散射后方 向改变的太阳辐射。反射辐射：到达地面的总辐射中，有一部分被地面反射回大气,称为地面反射辐射。 总辐射：到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐

5、射。净辐射：单位时间、单位面积地表面吸收的太阳总辐射和大气逆辐射与本身发射辐射之差称为地面净辐射。（10）辐射在大气中的衰减：太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气中的空气分子、水汽及灰尘所散 射，而且受到大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，所以经过大气而到达地面的太阳直接辐射显著衰减。 太阳辐射100%，最终返回宇宙43% （其中包括云层反射，地面反射，云层散射，地面散射），大气吸收 14%，直达地面27%，散射到地面16%。（11）散射作用：由入射辐射波长入与散射质点的相对大小r，将散射分为瑞利散射、米氏散射和无选择 性散射。当r 人时，瑞利散射；当r e入时，米氏散射；当r 人时，无选择

6、性散射。瑞利散射：由大气中的原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧气分子等引起。散射强度与波长的四次方 成反比，即入射光波长越短，散射能力越强。米氏散射：大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，这种散射的强度受气候影响大。散 射强度与波长的平方成反比，且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性明显。无选择性散射：当大气混浊（质点半径10um），大气粒子的直径比辐射波长大得多时发生。散射强度与 波长无关，即任何波长的散射强度相同，散射系数不再随波长改变，也称为漫射。（12）大气质量：大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上 方时）规定为“一个

7、标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰 减程度。大气质量AM=1/cos（0），其中0表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气 质量为1。“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所走过的路程与太阳处在头顶时的路程的比例，也等于 Y/X 。（14）典型气象年：描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。描述太阳辐 射最常用的方式是典型气象年（TMY），或者是由美国国家可再生能源实验室所使用的TMY2, TMY包含 有每天数据的变化。平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量时也是被广泛使用 的。阴天

8、：地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50%的日子。（15）日照时数：日照时数的长短受所在纬度、季节、地形、天空状况等因素影响。定义为不受任何遮蔽 时每天从日出到日落的总时数。日照百分率：衡量日照的多少常以实际照射时数（实照时数）与可能照射时数（可照时数）的百分比即日 照百分率表示。光照时间：光照时间=可照时数+曙暮光时间曙暮光：在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下06时，光通过大气散射到地表产生一定的光照 强度，这种光线称为曙光和暮光。一般曙暮光随纬度升高而加长，夏季尤为显著。（16）峰值太阳时：日平均日照度（单位为KWhr / mA2 day）有时也被称为峰值太阳时。日照度：日照度

9、是指特定时间内单位面积区域所接受到的总的太阳辐射量，通常以KWhr / （ m2 day ）为 单位。第3章根据导电性能和电阻率：导体，半导体，绝缘体半导体按是否含杂质可分为：本征半导体与杂志半导体（N型半导体、P型半导体）。按物理特性可分为：热敏、光敏、气敏、磁性、压电、铁电半导体等。晶体：有规则对称的几何外形；物理性质（力、热、点、光）各向异性；有确定的熔点；微观上，分子、 原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵（晶格）。面心立方晶格AuAgCuAl体心立方晶格LiNaKFe六角密排晶格BeMgZnCd共价键：硅、错等多数半导体多有4个价电子，当形成晶体时，原子之间靠的很近，相连的两

10、个原子各贡 献一个价电子，形成为这两个原子共有的价电子，围绕着这两个原子转动，从而形成共价键结构。共价键 中的电子同时受到两个原子核的约束，具有很强的结合力，按一定形式排列，因此，在绝对零度和无外界 激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。电子共有化：大量原子规则排列时晶体中的大量原子（分子、离子）的规则排列形成点阵结构，晶体中形 成周期性势场。由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象称为电子共有化。共有 化的电子可以在不同原子中的相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。原子的外层电子（高能级），势 垒穿透概率较大，属于共有化的电子，原子的内层电子与原子结合较紧，一般不是共有化电

11、子。对能量E1的电子：势能曲线表现为势垒，电子能量V势垒高度，且E1较小，势垒较宽，穿 透概率小，认为电子束缚在各自离子周围。若E1较大（仍低于势垒高度），穿透概率较大， 由隧道效应，电子可以进入相邻原子。对能量E2的电子：电子能量势垒高度，电子在晶体中自由运动，不受特定离子束缚。能带：量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响 原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和 原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带。能带的一般规律：外层电子共有化程度显著，能带较宽（ E较大）；内层电子相应的能带很窄。点阵间距 越小，能带越宽，E越大。两能带有可能重叠能带中的电子排布：晶体中的一个电

12、子只能处在某个能带中的某一能级上。排布原则：（1）服从泡里不相 容原理（电子是费米子）（2）服从能量最小原理。孤立原子的能级Enl，最多能容纳2（21+1）个电子。这一 能级分裂成由N条能级组成的能带后，最多能容纳2N（21+1）个电子。例如：1s、2s能带，最多容纳2N 个电子，2p、3p能带，最多容纳6N个电子。能带结构：应用单电子近似的结果，就是晶体里的每一个电子不再是处于一个具有确定数值的能级里，而 是和其它所有原子里具有相同轨道的电子共同处在一个具有一定宽度的能量范围里，形成所谓能带，能带 之间则是任何电子都不能稳定存在的能量区域，称为禁带。能带产生的根本原因还是在于泡利不相容原理。

13、由于组成晶体的大量原子的相同轨道的电子被共有化后， 只有把同一个能级分裂为相互之间具有微小差异的极其细致的能级，这些能级数目巨大，而且堆积在一个 一定宽度的能量范围内，以至于可以看成是在这个能量范围内，电子的能量状态是连续分布的。电子在能带中的填充：满带中排满电子，导带中部分能带排满电子，空带中未排电子，禁带中不能排电子。 满带：能带中各能级都被电子填满；满带中的电子不能起导电作用。导带：被电子部分填充的能带。在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，但无相反的电子 转换，因而可形成电流。价电子能级分裂后形成的能带。有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能 是满带。空带：所有能级均未

14、被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；当有激发因素 （热激发、光激发）时，价带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。 所以，空带也是导带。禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。若上下能带 重叠，其间禁带就不存在。导体的能带结构：在外电场的作用下，电子容易从低能级跃迁到高能级，形成集体的定向流动（电流），显 出很强的导电能力。绝缘体的能带结构：禁带较宽（相对于半导体），禁带宽度乙Eg = 36 eV。在外电场的作用下电子很难接受 外电场的能量，所以形不成电流。一般的热激发、光激发或外加电场不太强时，

15、满带中的电子很难能越过 禁带而被激发到空带上去。当外电场非常强时，电子有可能越过禁带跃迁到上面的空带中去形成电流，这 时绝缘体就被击穿而变成导体了。本征半导体：是指纯净的半导体，导电性能介于导体与绝缘体之间。和绝缘体相似，只是半导体的禁带宽 度很小（ Eg= 0.12eV）杂志半导体：n型（电子导电）半导体和p型（空穴导电）半导体。N型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体， 也称n型半导体。施主能级：这种杂质能级因靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁。因向空带供应自由电子，所以这种杂 质能级称施主能级。导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到

16、空带（或导带）而形成的。在n型半导体中，电子是多数载流子 （多子），空穴是少数载流子（少子）。P型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导 体，也称p型半导体。受主能级：这种杂质的能级紧靠满带顶处，满带中的电子极易跃入此杂质能级，使满带中产生空穴。这种 杂质能级因接受电子而称受主能级。导电机制：主要是由满带中空穴的运动形成的。在P型半导体中，电子是少数载流子（少子），空穴是多 刷载流子（多子）。杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度，少子的浓度决定于温度。杂质补偿作用：实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na）

17、，两种杂质有补偿作 用：若ndna为n型（施主），若nd99.9999%以上，超高纯 达到 99.9999999%99.999999999% （911 个 9）。硅的制备（三氯氢硅法）有三道关键工序1由硅砂到冶金硅（将石英砂放在大型电弧炉，用焦炭进行还原，生产液态硅SiO2 + 2C 一 Si +2 CO2 f） 2由冶金硅到三氯氢硅（将冶金硅通过机械破碎、研磨成粉末，与盐酸在液化床上进行反应，得到 三氯氢硅 Si + 3HC1 一 SiHCl3 +H2 f）3由三氯氢硅到多晶硅（将三氯氢硅分馏，以达到超纯状态，再将其注入充有大量氢气的还原炉中 三氯氢硅在通电加热的细长硅芯表面发生反应，硅沉积

18、在硅芯表面，经过一周或更长时间，硅芯直径将从 8mm生长到150mm，形成硅棒化学反应式为：SiHC13 +H2 Si + 3HC1 f） 多晶硅的制备化学提纯法：西门子法（气相沉淀反应法），甲硅烷热分解法，流态化床法物理提纯法：区域熔化提纯法（FZ），直拉单晶法（CZ），定向凝固多晶硅锭法（铸造法）单晶硅的制备（FZ、CZ）区熔法（Float-Zone, FZ ）区域提纯多晶硅生长单晶硅是利用区域熔炼的原理。区熔法生长单晶可分为水平 区熔和悬浮法两种。水平区熔法适用于错、锑化铟等与容器反应不太严重的体系；对于硅，则用悬浮区熔 法（Float Zone method，简称FZ法）制备硅单晶。直

19、拉法（Czochralski，CZ法）多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、 熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。在工艺流程中，最为关键的是 “单晶生长”或称拉晶过程，它又分为：润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光等步骤。当熔体温度稳定地稍 高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接，这一步叫润晶或下种；为了消除位错要将籽 晶拉细一段叫缩颈；之后要把晶体放粗到要求的直径叫放肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，称之为 等径生长；最后将熔体全部拉光。在晶体生长过程中，为了保持等径生长，控制的参数主要是拉速和加热 功率。提高拉速、加热功率则

20、晶体变细；反之降低拉速成和加热功率则使晶体加粗。晶体硅太阳电池的制造制绒：有效的绒面结构有助于提高太阳能电池性能，主要体现在短路电流的提高。工业上大部分采用NaOH 或KOH、异丙醇（IPA）或乙醇和水的混合溶液制备绒面。磷扩散：1 .三氯氧磷（POCl3）液态源扩散2 .喷涂磷酸水溶液后链式扩散3 .丝网印刷磷浆料后链式 扩散PECVD （减反射膜）钝化技术对于Si，因存在较高的晶界、点缺陷（空位、填隙原子、金属杂质、 氧、氮及他们的复合物）对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要，除前面提到的吸杂技术外，钝化工艺一 般分表面氧钝化和氢钝化。组件封装：电池串焊，叠层，层压，装框，测试分档第7章光伏

21、发电系统组成其主要结构由1太阳能电池组件（或方阵）2蓄电池（组）3光伏控制器4逆变器（在有需要输出交流电 的情况下使用）5一些测试、监控、防护等附属设施构成。典型独立和并网系统组成工作原理电池方阵（板型设计、性能参数、串并联）在生产电池组件之前，就要对电池组件的外型尺寸、输出功率以及电池片的排列布局等进行设计，这种设 计在业内就叫太阳能电池组件的板型设计性能参数短路电流(ISC)：当将太阳能电池组件的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池组件的 短路电流，短路电流随着光强的变化而变化。 开路电压(UOC)：当太阳能电池组件的正负极不接负载时，组件正负极间的电压就是开路电压，开踣 电压的单位

22、是V。太阳能电池组件的开路电压随电池片串联数量的增减而变化 峰值电流(Im)：峰值电流是指太阳能电池组件输出最大功率时的工作电流 峰值电压(Um)：峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，组件的峰值电压随电池片串联 数量的增减而变化 峰值功率(Pm):峰值功率是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电 流与峰值电压的乘积。太阳能电池组件的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和组件的工作温度， 填充因子(FF)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积 的比值。填充因子足评价太阳能电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数

23、，它的值越高，表明所 用太阳能电池组件输出特性越趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高。 转换效率(n ):转换效率是指太阳能电池组件受光照时的最大输出功率与照射到组件上的太阳能量功率 的比值。控制器按电路方式的不同分为1并联型2串联型3脉宽调制型4多路控制型5两阶段双电压控制型6最大功率跟踪型按电池组件输入功率和负载功率的不同可分为1小功率型2中功率型3大功率型4专用控制器(如草坪灯控制器)等；按放电过程控制方式的不同，可分为1常规过放电控制型2剩余电量(SOC)放电全过程控制型 逆变器的类型按照逆变器输出交流电的相数，可分为1单相逆变器三相逆变器2多相逆变器；按照逆变器输出交流电的频率，可分为1工频逆变器2中频逆变器3高频逆变器；按