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1、光伏应用技术,2016-4-9,光伏应用技术,第1章 光伏发电概述第2章 太阳能电池原理与特性第3章 太阳能电池的种类及其特点第4章 太阳能发电系统的结构第5章 光伏系统的控制第6章 光伏发电系统设计第7章 太阳能光伏发电系统的应用,人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储藏在地下的石化能源，按照目前的开发速度，几十年或许几百年后，地球所存储的这些能源就将枯竭。节约能源和开发可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中，水能已经得到了广泛的利用，且水能资源终究是有限的；太阳能和风能则是取之不尽，用之不竭的清洁能源。太阳能的应用主要有两种形式：一是把太阳能转换为热能，二是把太阳能转换为电能。后
2、者称为太阳能光伏发电技术，简称PV技术。,前言,第1章 光伏发电概述,1.1 太阳能电池和太阳能发电1.2 太阳能发电发展历程1.3 太阳能发电的过去、现在和未来1.4 国内外光伏发电的现状与趋势,第1章 光伏发电概述,1.1 太阳能电池和太阳能发电,一、太阳能与环保 1、3E 的概念 经济、资源、环保是困扰现代社会发展的三大问题，简称 3E（Economy Environment Energy）。随着工业化的推进和人口的增长，资源的消耗量越来越多，从而可以预见若干年后会出现资源危机。据2001年相关数据，各种资源可开采的年数为：石油 39 年；天然气 57 年；煤炭 223 年；铀 67 年
3、。除了资源枯竭问题，在石化燃料的使用过程中，环境问题不容忽视，如气候变暖、酸雨等问题。1997年第三届控制排放物的京都国际环保会议成员国研究 20022012 年10年间排放量需逐年减少6（与1990年相比）。若要做到这些，除了改善现有常规发电设备的排放条件以外，重要的是开发新能源，如太阳能发电和风能发电。,一、太阳能与环保,2、太阳能的特点 太阳能的热能和光能利用是两个重要的应用领域。太阳能具有如下优点：储量巨大；不会枯竭；清洁能源；不受地域限制。,到达地球的太阳能，在大气圈外为1.38kW/m2，其中30向宇宙反射，其余的70到达地球。太阳的寿命可达几十亿年。太阳能不会产生CO2等有害物质
4、，是一种清洁能源。太阳能的缺点是能量密度低、容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。此外，虽然太阳能本身对环境无污染，但也应该看到，太阳能电池、电力电子变换装置的制造和使用过程中仍会产生环境污染，应考虑综合效益。,二、太阳能转换电能的基本原理,太阳能电池，完成将太阳能转换为电能的任务。太阳能电池主要由半导体硅制成，在半导体上有光线照射时，吸收光能激发出电子和空穴，在半导体中产生电压（流），称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”（Photovoltaic effect）。以硅晶体做成的半导体，掺有磷杂质的硅晶体中自由电子是多数载流子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅晶体中空穴是多数载流子，称为 P
5、 型半导体。若将P型半导体与 N 型半导体结合，形成 PN 结。太阳能电池利用了 PN 结的光伏效应。当有光照射太阳能电池时，则激发电子自由运动流向 N 型半导体，正电荷集结于 P 型半导体，从而产生电位势。若外接负荷，则有电流流动。,1.2 太阳能发电发展历程,1.3 太阳能发电的过去、现在和未来,一、20世纪70年代：开发初期 太阳能电池发电技术开发初期的20世纪70年代，太阳能电池的价格昂贵（1500美元/瓦），只能用于人造卫星、差转电台、海岛灯塔等场所。二、20世纪80年代20世纪90年代：小容量太阳能电池的广泛应用 太阳能电池主要应用在手表、计数器、照明（路灯、庭院灯）、交通标志和防
6、灾电源上。虽然太阳能电池的价格不断降低，但仍然比较贵，还不能应用于民用电器。三、太阳能发电的高速发展和大容量应用阶段 随着世界各国制订光伏发展计划、大量研究经费的投入、财政补贴、免税等优惠政策鼓励下，20多年来，太阳能光伏发电技术得到了迅猛发展。太阳能电池价格已降低至56美元/瓦，大容量的应用成为可能。比较典型的太阳能发电系统如西藏双湖25KW光伏电站、丽江光伏电站。将太阳能电池板作为屋顶或贴于朝南的墙面上，使建筑与太阳能发电一体化，为大楼的照明、空调、电梯供电，并与市电并网。四、太阳能发电系统的未来：建在太空的超级太阳能发电站 在太空建立巨大的太阳能发电站，把产生的电力变换成微波后传输到地面
7、。,1.4 国内外光伏发电的现状与趋势,国际上在光伏领域具有领先地位的国家主要有日本、德国、美国、澳大利亚等。,世界十大太阳能电池生产厂2004年排名与产量,注：括号内为2003年排名,美国“百万屋顶计划”,美国在1997年6月宣布了太阳能“百万屋顶计划”（Million Solar Roofs Initiative），准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。,如果“百万屋顶计划”顺利实现，到 2010 年 CO2 年排放量可减少 300 万吨。美国太阳能光伏发电与热利用技术比较成熟，开始进入大规模生产阶段。两大太阳能电池公司年生产
8、能力分别达到 5MW 和10MW，整个美国光伏发电产品的年销售量达到100MW以上。美国政府极为重视对太阳能的开发和利用。投入巨额资金用于该领域的科研开发，同时在政策上给予倾斜。目前“百万屋顶计划”已经在美国某些地区大力发展起来。在夏威夷，由于自然条件优越，太阳能已经成为当地能源供给的主要形式和经济发展的重要组成部分。,日本“阳光计划”,日本的光伏发电发展阶段 1.第一次石油危机后，日本通产省于1974年制订了以发展太阳能为主的可再生能源代替石油的技术研究开发中长期规划，即“阳光计划”。初期，太阳能电池用于家用计算器、灯标和孤岛柴油发电的补充能源。之后成立了新能源生产技术综合管理机构，加大资金
9、投入，加速了光伏发电的产业化发展步伐。2.19881994年，随着社会环保意识的提高，以及电力公司独立电源示范工程成功的基础上，太阳能光伏项目扩大到公园、学校、医院、展览馆等公共示范工程以及民用示范工程。3.1993 年制订的“阳光计划”，仍然把光伏发电作为重点项目，光电技术已达到普遍应用水平。售价过高是影响推广应用的关键因素，降低光电器件成本和高效率材料的开发是重要发展方向。从1994年，日本实施住宅光电系统的优惠政策，对每户居民住宅光电系统提供 的政策补贴，极大地促进了住宅用光电项目的推广。日本光伏产业快速发展的主要经验：基本国策，常抓不懈；资金投入，政策优惠。,德国“10万屋顶发电计划”
10、,德国在 2003 年完成“10万屋顶发电计划”，2000 年颁布可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促进法，引发了德国光伏发展的新一轮高峰。2004 年德国光伏发电总量达到 6105GWh，可再生能源发电占 9.3。德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要包括银行贷款和上网电价补贴等。在德国，若在自家屋顶上安装了一套光伏发电设备，相当于一个小型发电厂，发出的电能输送到公共电网，国家最高给予57.4 cent/kWh的补贴，可以获得较高的经济回报。因此，德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业。2004年，德国光伏安装总量超过日本，走在世界的前列。,中国“光明工程计划”,
11、我国在太阳能光热利用方面处于世界先进行列，是最大的太阳能热水器生产国和消费市场。在太阳能光伏发电研究和产业发展方面奋起直追，取得了较大进展。2004年在该领域的产业规模上超过印度，成为亚洲处于前列的光伏电池生产国家。2005年通过中华人民共和国可再生能源法，于2006年1月1日起正式实施。我国光伏发电的发展历程：1958 年开始研制太阳能电池，1959年第一个有实用价值的太阳能电池诞生。1971 年 3 月，太阳能电池首次应用于我国第二颗人造卫星。1973 年，太阳能电池首次应用于天津港的浮标灯上。1979 年，用半导体工业积压单晶片生产单晶硅电池。20 世纪 80 年代后期，引进国外关键设备
12、、生产线和技术，太阳能电池生产能力达到 4.5MW，太阳能电池制造产业初步形成。,我国光伏电池组件发展情况,我国光伏系统累计安装容量,我国晶体硅太阳能电池生产情况,我国的“光明项目”及其它,由国家发改委牵头，筹集资金 100 亿元，用10年时间（到2010年）用风电、光电和其它可再生能源技术解决 2300 万户无电地区居民的生活以及边防哨所、公路道班、石油管道、铁路信号等用电问题，预计发电容量达到300MW。另外，其它项目包括：（1）GEF项目 我国政府与世界银行共同投资推动中国可再生能源市场，主要是光伏和风力发电，计划用5年时间安装 10MW 光伏系统，以解决无电地区居民生活用电问题。（2）
13、西部 7 省无电乡村通电工程项目 2002年，中央政府和地方政府共同投资18亿元，在西部7省（西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙、陕西、四川）无电地区乡政府所在镇安装光伏电站，规模在2080kW，共计15MW，项目在一年内完成。（3）其它重大建设项目 青海敦煌8MW大漠地区光伏发电工程；深圳国际园艺博览会1MW光伏并网电站；上海10万太阳能屋顶计划；北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统；保定电谷锦江国际酒店玻璃幕墙光伏并网发电工程。,全球单体最大太阳能建筑并网发电,全球单体最大太阳能建筑并网发电,全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑尚德光伏研发中心大楼竣工。这里将成为尚德公司国家级企业（集团）技
14、术中心的研发基地。尚德光伏研发中心大楼总投资约2亿元，该幢建筑地上7层，幕墙总高度37米，总面积约1.8万平方米，PV幕墙面积6900平米，是全球最大的光电幕墙。整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将达到70万千瓦时，预计将为整体建筑提供80耗电。以最低使用寿命25年计算，共可产生电量1737.5万千瓦时，预计每年可以替代标准煤240吨，减排432吨，25年共替代标煤6000吨。无锡尚德太阳能电力有限公司成立于2001年1月，是一家集研发、生产、销售为一体的高新技术光伏企业，主要从事晶体硅太阳电池、组件、光伏系统工程、光伏应用产品的研究、制造、销售和售后服务。经过短短几年跨越式、超常规的大
15、发展，尚德公司的产品技术和质量水平已完全达到国际光伏行业先进水平，位列世界光伏企业前三强，在太阳能组件制造方面已位居世界首位。人民网2009年1月8日,我国光伏应用市场预测,（1）光伏发电成本预期 根据有关研究报告指出：我国光伏产业正以每年 2030 的速度增长，国内光伏电池生产能力已达到 100MW。实验室光伏电池的效率已达 21%，可商业化光伏组件效率达到 1415，一般商业化电池效率达 1013。成本高，在目前和今后一段时间内仍然是制约光伏市场发展的根本瓶颈。我国太阳能电池生产成本已大幅下降，其价格从 2000年的 40元/W 降到 目前的 25元/W，并随着市场规模的不断扩大价格会不断
16、降低。在法律与政策的拉动下，我国光伏市场和产业将会快速发展，光伏系统的技术经济指标将大幅提高。按照以往光伏发电市场发展的经验分析，到 2030 年，光伏系统价格有望达到$2.6/W；光伏系统的可靠性和寿命将从现在的 1520 年增加到 3035 年；系统效率从现在的 1015 增加到1820；发电成本可以降到 68美分/kWh，达到或接近煤电价格。如果加大技术投入、政策拉动，市场规模扩大且健康发展，这个时间可能提前。,我国光伏主要应用领域预测,（2）我国光伏主要应用领域预测 农村离网供电 由于历史、地理的原因，我国边远地区仍有约3000万人口没有解决用电问题；西部绝大部分边疆少数民族地区，距离
17、电网较远，居住分散，难以靠延伸电网解决用电问题。光伏发电系统结构简单、运行维护方便、清洁安全、无噪声、寿命长等优势，对解决边远农村地区供电具有不可替代的作用。城市并网光伏发电 目前日本、德国、美国以及欧洲国家实施的“屋顶计划”、“建筑一体化光伏工程”都属于城市并网光伏发电的应用。可以逐步解决能源电力问题，减少排放，提高供电安全性。采用光伏发电技术用于城市道路、小区照明有着巨大的市场潜力，而且技术成熟、可靠，便于操作和管理。根据中国国情，可以将光伏街道和小区照明作为近期政府组织的光伏推广应用的切入领域。我国建筑屋顶面积总计约100亿平方米，1的屋顶用光伏组件覆盖，每年可以提高1500亿千瓦时的电
18、能。大规模沙漠电站 我国有108万平方公里的荒漠资源，主要发布在光照资源丰富的西部地区。随着电力输送技术和储能技术的发展，大规模荒漠电站将成为未来的电力基地。其它商业应用 在技术进步、市场开发推动下，新的领域、产品将会迅猛发展。,第 2 章 太阳能电池原理与特性,太阳光的性质光伏电池原理和变换效率光伏电池特性测量,2.1 太阳光的性质,1、与太阳光相关的物理量,(1)日照强度 在单位面积、单位时间内接收到的太阳光能量。单位：卡/厘米2分、毫瓦/厘米2 或 焦耳/厘米2分、千瓦/米2。(2)日照量 单位面积接收到的太阳光能量。单位：卡/厘米2、千卡/米2、焦耳/米2 或 千瓦时/米2.(3)日照
19、时间 根据世界气象组织（WMO）1981年规定，日照时间是指日照强度阀值超过0.12kW/m2的总时间，根据此阀值测定日照量并计算出日和月的日照时间。,太阳能有关参数,太阳辐射总能量的22亿分之一辐射到地球，这部分能量经过大气层的反射、散射和吸收，约有70的能量到达地球表面。尽管太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但数量仍然巨大。每年辐射到地球表面的太阳能能量约为1.81018 KWh，等于1.3106 亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍。我国2/3的地区太阳能辐射总量大于5024MJ/m2，年日照时数在2000h以上，太阳能资源十分丰富。其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古的辐射总量和日照
20、时数在我国位居前列。除了四川盆地和毗邻地区以外，我国绝大部分地区的太阳能资源超过或相当于国外同纬度地区，优于欧洲和日本。由于南面是海拔70008850m的喜马拉雅山脉，阻挡着印度洋的水蒸气，因此青藏高原的太阳能年辐射总量达6670 8850MJ/m2，年日照时数达3200 3300h，是我国太阳能资源最好的地区。而四川盆地云雨天气多，是太阳能资源相对较差的地区。,2、直射光和散射光,把直接到达地面的太阳光称为直接日射，把散射或反射的日射成分称为散乱日射。直接日射和散乱日射叠加称为全天日射。由于空气分子的散乱作用在波长较短时作用强，所以在全天日射中，短波长时散射所含的比例较高,直射光和散射光,一
21、天的不同时刻，全天日射强度和散乱日射强度随着时间变化，在晴朗天气，散乱日射强度在全天中所占比例较低。阴天的全天日射强度等于散乱日射强度。,3、太阳光强度与波长的关系,光伏电池的转换效率与太阳光线的波长相关。过分长的长波将不能进行能量变换；太短的波长只能转换为热能。太阳能的光伏变换与波长之间存在一个感度特性，称为光感度特性。IEC(国际电气标准会议)对多晶硅制定出分光感度标准特性曲线，如下图所示：,太阳光强度与波长的关系,2.2 太阳能电池原理和变换效率,1、太阳能电池的结构,太阳能电池，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件，其基本结构如下图所示。以硅半导体材料制成大面积pn结，
22、p型硅片（厚度约500 m）上用扩散法制作出一层很薄（厚度0.3 m）的经过重掺杂的n型层。然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极。在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极。这样就形成了晶体硅太阳能电池。为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜。,2、光伏效应,在p 区与n 区交界面的两侧也即pn结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p区，这个电场称为内建电场。当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p 区、n 区和结区，光子被吸收同时会产生电子空穴对。那些在
23、结附近n 区中产生的少数载流子（空穴）由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p 区。同样，在结附近p 区中产生的少数载流子（电子）如果扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区。结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p 区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势，这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect,缩写为PV）。,3、光伏器件的伏
24、安特性,当太阳电池接上负载R，将恒定强度的光照射到电池表面，测量得到太阳能电池的伏安特性曲线如下图所示。其中Isc为短路电流，Voc为开路电压。,U,I,0,Isc,太阳能电池伏安特性曲线,Voc,光伏器件的伏安特性,当光照射太阳电池时，在其内部 PN 结将产生一个由 n 区到 p 区的光生电流Iph同时，由于 pn 结本身的二极管特性，存在正向二极管电流 ID，此电流方向从 p 区到 n 区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I 为：,Iph光生电流；A0与 PN 结材料有关的系数；q电子电量=1.60210-19C；VD结电压；k玻尔兹曼常数=1.3810-23J/K；T温度K。如果忽略
25、太阳能电池的内电阻，则 VD 即为太阳能电池的端电压，上式可写为：,(1)式,(2)式,光伏器件的伏安特性,短路特性：当太阳能电池的输出端短路时，V0（结电压VD0），由（2）式可得到短路电流 Isc：Isc=Iph(3)式 即太阳能电池的短路电流 Isc 等于光生电流Iph，此值与入射光的强度成正比。开路特性：当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由(2)和(3)式可得到开路电压 Voc：,(4)式,4、短路电流与开路电压,短路电流（Isc）：当太阳能电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。该电流随光强度（照度）按比例增加。,开路电压（Voc）：太阳能电池电路负荷断开时两端电压，称为开
26、路电压。该值随光强度按指数函数增加，在较低光强度时，仍保持一定的开路电压。,5、输出功率特性,太阳能电池的工作电流 I 和电压 U 是由负载电阻值决定。如图所示，不同负载电阻R1、R2、R3 与伏安特性曲线的交点确定了不同的工作电流和电压，也即不同的输出功率。图中的矩形面积就表示功率的大小。,最大功率输出,在实际应用中，要求输出功率最大，即保证上图中的矩形面积最大。右图是功率 P 与电压 U 的关系曲线。在一定光强度下，最大功率Pmax.对应最佳工作电流 Ipmax和最佳工作电压Upmax。,FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高,填充因子FF：将最大功率 Pmax 与 Uoc
27、 和 Isc的乘积之比定义为填充因子FF，则,6、太阳能电池光伏变换效率,太阳能电池的变换效率为输入太阳能与输出电功率之比，即,为了确定太阳能电池的效率，需附加若干测试条件，国际电工标准化委员会（IEC）规定：地面用太阳能电池的额定效率需在使用温度 25、光照强度为1000 W/m2及符合 IEC 规定的空气质量标准的基准光下进行测定，统称为测试的基本状态。世界上各厂家对生产的太阳能光伏组件，出厂标准均是按上述规定进行测试并在产品铭牌上标注。,基准光,由于太阳能电池对各种颜色光的光伏感度不同，故 IEC 规定如下的基准光光谱分布图。,7、影响太阳能电池性能的因素,（1）日照强度 只要太阳光谱、
28、组件温度不变，效率 几乎不受日照强度 E 的影响，只有当E0.2W/m2时，值略有下降。,（2）工作温度 一般情况下，由于温度升高，将使电流、电压略有变化，即开路电压和效率下降，短路电流升高（在25标准温度左右变化不大）。,8、太阳能电池的等值电路,太阳能电池的构造如下图所示。由于光电池电极表面层有横向电流流过，所以在等值电路中应串联一个电阻 Rs。（等值电路见下页）,太阳能电池的等值电路,等值电路方程,太阳能电池发电状态的电流方程式：ILIph-ID Ish（1）式 式中 Iph 为光电流；ID为 PN 结的正向电流；Ish为 PN 结的漏电流。,太阳能电池等值电路电压方程式：UJULILR
29、s 式中，UJ为PN结合部端电压；UL为负荷 RL两端电压；IL为负荷电流。,将以下各式代入电流方程（1）式,等值电路方程,A0与 PN 结材料有关的系数；q电子电量=1.60210-19C；k玻尔兹曼常数=1.3810-23J/K；T温度K；UL负荷两端电压；IL负荷电流；RS考虑横向电流的等效电阻；Rsh并联漏电阻。,等值电路与伏安特性,1、串联电阻 Rs 对伏安特性的影响 当Rs 增大时，会使电池的变换效率降低，短路电流下降，但对开路电压影响不大。,等值电路与伏安特性,2、并联电阻 Rsh 对伏安特性的影响 Rsh 是由PN结生产制造过程中产生的，与外部参数无关。当 Rsh 增大时会使电
30、池的变换效率降低，短路电流下降，但对开路电压有影响，但不大。,2.3 太阳能电池特性的测量,1、太阳能电池组件 由单片单晶硅制成的太阳能电池称为单体。多个单体用串、并联方法组成并用铝合金框架将其固定，表面再覆盖高强度透光玻璃，构成太阳能电池模块。,2、室外测量注意事项 太阳能电池模块朝向太阳，周围的建筑物与树木少，不要有阳光反射和阴影。测量的主要项目是伏安特性、模块温度和日照强度。按照国际标准（或国标）模块温度25和日照强度 1kW/m2 对特性的参数进行修正。由修正后的伏安特性计算出最大功率和变换效率。,带负荷测量电压、电流,带逆变器的伏安特性测试,该测量电路的特点是，测试时不影响逆变器的输
31、入电流和电压。(a)为电压在测定范围内的测量电路；(b)为电压在测定范围外的测量电路。,四端测量法,为了更准确地测量太阳能电池的伏安特性，应尽可能减少连接线缆的接触电阻对测量结果的影响。图（a）为一般的二端子接法，r为接触电阻（含线缆电阻），由于接触电阻压降，使电压测量值产生较大误差。图（b）为四端接法，流过电压表的电流非常小，接触电阻（含线缆电阻）所产生的压降可以忽略不计，从而可以正确地测出太阳能电池的电压。,第3章 太阳能电池的种类及其特点,太阳能电池的分类几种常用太阳能电池的特点晶体硅太阳能电池的基本工艺,3.1 太阳能电池的分类,1、按不同材料分类,硅,化合物,太阳能电池,晶体,单晶,
32、多晶,薄膜式多晶,非晶体,铟硒铜(CuInSe)、碲化镉(CdTe),砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP),最初的太阳能电池是利用硅二极管或晶体管的硅片生产。单晶硅的生产采用高纯度硅熔化，用拉伸法拉出单晶硅棒，再通过切割为硅片。单晶硅结晶时间长，成本高。后来发展的多晶硅采用“熔铸法”和“印带法”工艺，生产效率提高，成本下降。熔铸法：将熔化的硅倒入铸型内制成铸块。印带法：将硅熔液形成带状结晶后直接做出太阳能电池。,按构造分类,太阳能电池,块（片）状,单晶硅,多晶硅,其他,薄膜状,非晶硅,化合物,其他,按照太阳能电池形体（厚度）分类，可分为块（片）状和薄膜状两大类。前者以单晶硅和多晶硅为代表，即以
33、块状结晶材料用机械加工的方法制成板（片）材。薄膜状是以玻璃或金属作基板，让晶体材料黏附其上并起化学反应形成一个晶体薄膜。,3.2 几种常用太阳能电池的特点,目前所用的太阳能电池，大部分是硅系列单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。占全部太阳能电池的 89 左右。,MSK 系列单晶硅太阳能电池（16.2）,几种常用太阳能电池的特点,MSK 系列多晶硅太阳能电池（13.7）,几种常用太阳能电池的特点,TDB51 系列单晶硅太阳能电池,硅系太阳能电池的特点,硅系太阳能电池的特点,单晶硅太阳能电池,单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，主要用单晶硅片来制造。与其他种类的电池相比，单晶硅电池的转换效率最高。单晶硅电池
34、的基本结构多为 n+/p 型，即以p型单晶硅片为基片，通过扩散工艺，在 P 型硅片上形成 N 型区，厚度一般为200300m。单晶硅的结晶非常完美，所以单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色为黑色或深色。特别适合切割制成小型消费产品。单晶硅电池曾经长时期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位。在以后的若干年内，多晶硅太阳能电池仍会继续发展，并保持较高的市场份额。其未来趋势是向超薄、高效方向发展，不久的将来，可有100m 左右甚至更薄的多晶硅电池问世。,多晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池的原料，是融化后浇铸成正方形的硅锭，然后切成薄片进行加工。从多晶
35、硅电池的表面很容易辨认，硅片是由大量不同大小结晶区域组成，而在晶粒界面（晶界）处光电转换易受到干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低。同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅电池。多晶硅太阳电池的基本结构都为 n+/p 型，电阻率 0.52cm，厚度220 300m，商业化电池的效率为1315。多晶硅结构在阳光作用下，由于不同晶面散射强度不同，可呈现不同的色彩。此外，制作时主要以氮化硅为减反射膜，通过控制减反射膜的厚度，可使太阳能电池具备各种各样的颜色，如金色、绿色等，具有良好的装饰效果。,1975年 Spear 等利用硅烷的直流辉光放电技术制备出 a-Si：H材料，实现了对非晶硅基材料
36、的掺杂，使非晶硅材料开始得到应用。1976 年第一个效率为1 2的非晶硅太阳电池被研制出来，直到1980年非晶硅太阳电池实现商品化。目前世界非晶硅太阳电池生产能力50MW/年，最高转换效率13，应用范围从多种电子消费产品如手表、计算器、玩家到户用电源、光伏电站等。在太阳光谱的可见光范围内，非晶硅的吸收系数比晶体硅大一个数量级，非晶硅太阳电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。由于非晶硅材料的本征吸收很大，1m 厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1/100，可明显节省昂贵的半导体材料。非晶硅及其合金的光电转换效率在太阳光长期照射下有一定的衰减，经过200退火2h可恢复原状。这种现象首先由
37、Stabler 和 Wronski 发现，称为SW效应。由于SW效应，非晶硅电池不能大规模使用。,非晶硅太阳能电池,3.3 晶体硅太阳能电池的基本工艺,晶体硅太阳电池是典型的 pn 结型太阳电池，它的研究最早、应用最广，是最基本且最重要的太阳电池。它的结构如下图所示：,绒面结构,减反射层,金属栅,n 型 Si,背面接触,P 型 Si,晶体硅太阳电池的结构,在200 500m 厚的 p 型硅片上，通过扩散形成 0.25m左右的 n 型半导体，构成pn 结；在 n 型半导体上有呈金字塔形的绒面结构和减反射层，然后是呈梳齿状的金属电极；在 p 型半导体上直接有背面金属接触，从而构成了典型的单结（pn
38、结）晶体硅太阳电池。,一、绒面结构,制作太阳电池的硅片，在切割时表面会有一层1020m 的损伤层，需要利用化学腐蚀将损伤层去除，然后制备表面的绒面结构。这种绒面结构比平整的化学抛光的硅片表面具有更好的减反射效果，能够更好地吸收和利用太阳光线。而光束射在平整的抛光硅片上时，约有30会被反射掉；如果射在呈金字塔形的绒面结构上，反射的光进一步照射在相邻的绒面上，减少了太阳光的反射；同时，光线斜射入晶体硅，增加了在硅片内部的有效运动长度和被吸收的几率。对于单晶硅，常用的化学腐蚀剂是 NaOH 或 KOH，在80 90左右的温度下，进行化学反应。生成物 Na2SiO3 溶于水而被去除，从而硅片被化学腐蚀
39、。Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2 由于在硅晶体中不同晶面原子疏密程度的差异，NaOH 或 KOH 腐蚀速度不同，具有各向异性，最终形成金字塔形的绒面结构。对于铸造多晶硅，使用酸性腐蚀剂，也可以形成类似的绒面结构。使用最多的是HF和HNO3 的混合液，其中 HNO3 与硅反应，在表面产生致密的不溶于硝酸的SiO2层，使得HNO3 和硅隔离，反应停止；但SiO2可以和HF反应，生成可溶解于水的络合物六氟硅酸，导致SiO2层的破坏，从而硝酸对硅的腐蚀再次进行，最终使得硅表面不断被腐蚀，具体反应式如下：3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO SiO2+6HF=H2(SiF6)
40、+2H2O,二、pn 结制备,晶体太阳电池一般利用掺硼的 p 型硅作为基底材料，在900左右通过扩散五价的磷原子形成 n 型半导体，组成 pn 结。磷扩散的工艺，主要有气态磷扩散、固体磷扩散和液态磷扩散等形式。气态磷扩散，是在扩散系统内，引入含磷气体（如P2H2），通过高温分解，磷原子扩散到硅片中去，其反应式为：P2H22PH2 固体磷扩散，是利用与硅片相同形状的固体磷源材料如 Al(PO3)3，即所谓的磷微晶玻璃片，与硅紧密相贴，一起放置在石英热处理炉内，在一定温度下，磷源材料挥发出磷的化合物P2O5，附着在硅片表面并进行化学反应，其中磷原子将向硅片体内扩散，最终在硅片表面附近的一定深度内，
41、磷原子的浓度超过硼原子的浓度，形成 n 型半导体，组成 pn 结。其反应式为：Al(PO3)3=AlPO4+P2O5 5Si+2P2O5=5SiO2+4P,pn 结制备,液态磷扩散，可以得到较高的表面浓度，在太阳电池工艺中更为常见。利用的磷源为三氯氧磷（POCl3），通过保护气体，在8001000之间分解，生成P2O5，沉积在硅片表面形成磷硅玻璃，作为硅片磷扩散的磷源，其反应式为：5POCl3=P2O5+3PCl5 2P2O5+5Si=5SiO2+4P 对于晶体硅太阳电池，为使 pn 结处有尽量多的光线到达，pn 结的结深度要尽量浅，一般为250nm或更浅。在磷扩散时，由于在硅片表面具有高浓度
42、的磷，通常会形成磷硅玻璃（掺P2O5的SiO2），会影响太阳电池的正常工作。可以将硅片浸入稀释的HF中溶解而去除，化学反应为：SiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O,三、铝背场,为了改善硅太阳电池的效率，在 pn 结制备完成后，一般在硅片的背面即背光面，沉积一层铝膜，制备P层，称为铝背场，其作用是减少少数载流子在背面复合的概率，也可以作为背面的金属电极。制备铝背场的简便方法，是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜，然后在8001000热处理，使铝膜和硅合金化并内扩散，形成一层高浓度掺杂的P层，构成铝背场。,四、金属电极,为了将晶体硅太阳电池产生的电流引导到外部负载，需要在硅片pn结的两面
43、建立金属连接，形成金属电极。过去太阳电池电极一般采用真空蒸镀技术或电镀法，但工艺复杂、成本昂贵；而且，硅片受光面的金属会遮挡光线，减少太阳光的吸收。目前，主要利用丝网印刷技术，在晶体硅太阳电池的两面制备成梳齿状的金属电极。丝网印刷技术工艺成熟，它是把金属导体浆料按照所设计的图形，印刷在已扩散好杂质的硅片正面和背面。然后，在适当的气氛下，通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触，从而形成太阳电池的上、下电极。金属电极的膜厚为1025m，金属栅线的宽带为150 250m。在利用光刻技术的情况下，栅线的宽度可以达到5m以下。硅太阳电池的丝网印
44、刷金属浆料是以超细高纯银或铅为主体金属，然后配以一定的辅助剂制成膏状，形成印刷浆料。随着技术的进步和环保要求，应严格控制有害元素铅的含量，因此无铅银浆将成为主要的印刷浆料。,五、减反射层,晶体硅太阳电池的绒面结构可以减少硅片表面的太阳光反射，增加电池对光能的吸收。另外，在硅表面增加一层减反射层也是一种有效的减少太阳光反射的方法。减反射膜的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。具有单层减反射膜的硅片，其反射率可以降低到10以下。由理论技术可知，对于用玻璃封装的晶体硅太阳电池，玻璃的折射率n0为1.5，晶体硅的折射率nsi为3.6，
45、最合适的减反射膜的光学折射率为：,TiOx(x2)是常用的理想太阳电池减反射膜，具有较高的折射率（2.02.7）。TiOx 的制备可以利用氮气携带含有钛酸异丙酯的水蒸气，喷射到加热后的硅片表面上，发生水解反应，生成非晶TiOx 薄膜，其化学反应式为：Ti(OC3H7)4+2H2O=TiO2+4(C3H7)OH SiNx是另一种常用的太阳电池的减反射膜。它具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和极好的光学性能，=632.8nm时，折射率在1.8 2.5之间；而且在氮化硅制备光程中，还能对硅片产生氢钝化的作用，明显改善硅太阳电池的光电转换效率。制备氮化硅减反射膜的反应温度一般在300400，反应气体为硅
46、烷和高纯氨气，其反应式为：3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2,3.4 太阳能电池组件的封装,太阳能电池是由许多单个太阳能电池，即单体太阳能电池组成。单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小。一般输出电压只有 0.5V 左右，输出功率只有 12W，不能满足作为电源应用的要求。为了提高输出功率，需将多个单体电池通过串联或并联，合理地连接起来，并封装成组件。在需要更大功率的场合，则需要将多个组件连接成为方阵，以向负载提供数值更大的电流、电压输出。为了保证组件在室外条件下使用 20 25 年以上，必须要有良好的封装，以满足使用中对防风、防尘、防湿、防腐蚀等条件的要求。,一、组件单体电池的连接
47、方式,将单体电池连接起来主要有串联和并联以及混合连接方式，如下图所示：,二、组件的封装结构 玻璃壳体式,晶体硅太阳能电池组件的封装结构，常见的有玻璃壳体式、底盒式、平板式、全胶密封式等多种。以下是组件的封装结构之一 玻璃壳体式太阳能电池组件：,玻璃壳体式太阳能电池组件示意图1玻璃壳体；2硅太阳能电池；3互连条；4黏结剂；5衬底；6下底板；7边框胶；8电极接线柱,组件的封装结构之二 底盒式,底盒式太阳能电池组件示意图1玻璃盖板；2硅太阳能电池；3盒式下底板；4黏结剂；5衬底；6固定绝缘胶；7电极引线；8互连条,组件的封装结构之三 平板式,平板式太阳能电池组件示意图1边框；2边框封装胶；3上玻璃板
48、；4粘结剂；5下底板；6硅太阳能电池；7互连条；8引线护套；9电极引线,组件的封装结构之四 全胶密封式,全胶密封式太阳能电池组件示意图1硅太阳能电池；2黏结剂；3电极引线；4下底板；5互连条,三、组件的封装材料,1、上盖板 上盖板覆盖在太阳电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固、耐风霜雪雨、沙砾冰雹的冲击，起到长期保护电池的作用。目前，在商品化生产中普遍采用低铁钢化玻璃为上盖板材料。2、黏结剂 它是固定电池和保证上、下盖板密合的关键材料。要求其透光性好、具有一定的弹性、良好的绝缘性和优良的气密性。主要黏结剂有室温固化硅橡胶、聚氟乙烯（PVF）、乙烯聚醋酸乙烯酯（EVA）等。
49、3、底板 它对电池既有保护作用又有支撑作用。要求具有良好的耐气候性能、不易变形、与黏结材料结合牢固。一般所用的材料为玻璃、铝合金、有机玻璃以及 PVF 复合膜等。目前生产上较多应用的是 PVF 复合膜。4、边框 平板式组件应有边框，以保护组件和便于组件与方阵的连接固定，边框与黏结剂构成对组件边缘的密封。主要材料有不锈钢、铝合金、橡胶、增强塑料等。,四、组件封装工艺流程,平板式硅太阳能电池组件封装工艺流程,第 4 章 太阳能发电系统的结构,太阳能发电系统概述蓄电池逆变器控制器,4.1 太阳能发电系统概述,太阳能发电系统可以分为两大类型：一是独立光伏系统，二是并网光伏系统。独立光伏系统：是太阳能发
50、电系统的最基本形式，广泛应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如偏远牧区、海岛、高原、荒漠等地区，提供照明、电器等生活用电。并网光伏系统：与公共电网相连接的太阳能发电系统，它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能发电技术发展的主流趋势。,独立光伏系统,独立光伏系统,独立光伏系统是光伏发电的最基本形式，该系统包括：太阳电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等。太阳能电池组件：是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。蓄电池：其作用是储存太阳能电池发出的电能并随时向负载供电。目前，主要使用的是铅酸蓄电池。控制
