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1、,太阳能光伏技术应用概述,姓名：何世东 太阳能产品中心,主要内容,太阳能电池的基本原理及其分类太阳能电池的电学特性太阳能电池的主要技术参数薄膜太阳能电池电池板的连接与封装太阳能光伏系统的基本概述光伏系统的设计提高太阳能组件效率的措施,太阳能电池的基本原理及其分类,半导体物理基本概念PN结与光电效应光生伏特效应的基本原理用于太阳能电池的标准光源太阳能电池的光谱特性和温度特性太阳能电池的测量,满带：填满电子的能带。,空带：没有电子占据的能带。,不满带：未填满电子的能带。,禁带：不能填充电子的能区。,价带：和价电子能级相应的能带，,对半导体，价带通常是满带。,即最高的充有电子的能带。,几个概念,价带
2、,不满带或满带以上最低的空带，称为导带。,能带中电子的导电性,满带不导电：,电子交换能态并不改变能量状态，所以满带不导电。,电子在电场作用下作定向运动，得到附加能量，电子能量发生变化。,导带导电：,导带中电子才能改变能量。,导电性：,价带(满带),空带(导带),不满带(导带),导带导电：,导体和绝缘体,它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,导体的能带结构,导体在外电场的作用下，大量共有化电子,从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。,很易获得能量，集体定向流动形成电流。,绝缘体的能带结构,从能级图来看，是因为满带,绝缘体在外电场的
3、作用下，,当外电场足够强时，共有化电子还是能越过,共有化电子很难从低能级,（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,的能量，,所以形不成电流。,（Eg：36 eV），,与空带间有一个较宽的禁带,禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿。,共有化电子很难接受外电场,半导体的导电机构,一.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,1.本征半导体的能带结构,所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hole）。,半导体的禁带宽度Eg 很窄（0.1 2eV），,例如半导体 Cd S：,满带上的一个电子
4、跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为“空穴”。,电子和空穴总是成对出现的。,电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导,体的本征导电性。,当光照 h Eg 时，可,发 生本征吸收，形成本征光电导。,2.两种导电机构,（1）电子导电 半导体的主要载流子是电子,解,【例】要使半导体 CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？,在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于 空穴反向跃迁。,空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电。,空带,满带,（2）空穴导电 半导体的主要载流子是空穴,当外电场足够强时，共有化电子还是能越,半导体,导体,击穿,过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿。,杂
5、质（impurity）半导体,1.n型半导体,又称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED10-2eV，极易形成电子导电。,本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四,个原子形成共价结合，,当掺入少量五价的杂质,元素（如P、As等）时，,就形成了电子型半导体，,n 型半导体,空 带,施主能级,ED,这种靠近空带的附加能级称为施主（donor）,能级。,如下图示：,2.p型半导体,四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，E
6、A 10-1eV，极易产生空穴导电。,p-n 结,p-n 结的形成,在 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的,面附近产生了一个内建,阻止电子和空穴进一步扩散。,电子和空穴的扩散，,在p型和n型半导体交界,p型半导体(补偿作用)。,受主杂质，,（电）场,该区就成为,n型,p型,内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为0.1m。,p-n结,由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势,这使电子能带出现弯曲：,垒带来的附加势能。,p-n结的单向导电性,1.正向偏压,p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压
7、。,向p区运动，,阻挡层势垒降低、变窄，,有利于空穴向n区运动，,也有利于电子,这些都形成正向电流（m级）。,外加正向电压越大，形成的正向电流也越大，且呈非线性的伏安特性。,锗管的伏安特性曲线,2.反向偏压,p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。,也不利于电,阻挡层势垒升高、变宽，,不利于空穴向n区运动，,会形成很弱的反向电流，,称漏电流（级）。,无正向电流,子向p区运动。,但是由于少数载流子的存在，,当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大 反向击穿。,用p n结的单向导电性，,击穿电压,用p n结的光生伏特效应，可制成光电池。,p-n结的应用：,做整流、开关用。,加反向偏
8、压时，p n结的伏安特性曲线如左图。,可制成晶体二极管（diode），,当有适当波长的光照射到这个pn结太阳能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池实现光电转换的理论基础，也是某些光电器件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。,太阳能光生伏特效应,太阳能电池的基本原理,原理：光生伏特效应（内光电效应hvEg）,太阳能光生伏特效应,由于pn结势垒区内存在较强的内建电场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过p-n结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是
9、在p-n结两端形成了光生电动势，这就是p-n结的光生伏特效应。由于光照在p-n结两端产生光生电动势，相当于在p-n结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，产生正向电流I.,太阳能电池的基本原理,在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。,太阳能电池的分类,按照基材分：单晶硅：16%18%多晶硅:15%17%1）硅太阳能电池 非晶硅:5%8%(21.8%)微晶硅:尚未商业化（14%
10、）HTC：内禀薄层质结（21.8%）双面太阳能电池 单晶化合物太阳能电池（GaAs）2)化合物太阳能电池 多晶化合太阳能电池（CdTe，CIGS）2.按照结构 同质结，异质结，肖特基，复合结等3.按照用途 空间，地面，光敏,太阳能电池的电学特性,基本参数包括：,1）伏安特性曲线 R（0）2）最大功率点3）开路电压Voc4）短路电流Isc5）填充因子FF=VmIm/VocIsc6）转换效率=FFIscVoc/Pin7）电流温度系数8）电压温度系数9）功率温度系数10）串联电阻，并联电阻11）太阳能电池的光谱特性,太阳能电池的测试条件,太阳能电池光照时候产生的电能的影响因素包括：1、光源的辐照度
11、2、电池的温度 3、照射光的光谱分部等 在测试太阳能电池的功率时候，必须规定标准测试条件。目前国际上统一规定的地面太阳能电池的标准格式条件为：光源的辐照度：1000W/m2 测试温度：25 AM1.5地面太阳光谱辐照度,薄膜太阳能电池,近年，薄膜太阳能电池所占市场份额增加，特别是类似于非晶硅电池的化合物电池以CdTe和CIGS电池为代表的化合物电池的增量明显增加。非晶硅/微晶硅太阳能电(单结，双结，三结）硅系薄膜太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池 硅薄膜/单晶硅太阳能电池 化合物太阳能电池 铜铟（镓）硒（GIGS，GIS）碲化镉，硫化镉,非晶硅太阳能电池,制造方法：借助于TFT-LCD（薄膜晶体
12、管液晶显示器）产业 设备技术，提高到7.58.0%，材料结构和工艺工程，处于积极发展阶段。主要生产厂商：Uni-Solar（美国）；Kaneka（日本）等非晶硅太阳电池的基本结构：MIS，SB，PIN（单结）,顶电极,非晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池的优点 1、材料用量少 2、制造工艺简单。大面积自动化生产 3、制造过程能量消耗小、4、基板种类可选择 5、集成互联技术成熟，避免了封装互联引起的可靠性 6、原材料丰富，污染少 7、不同带隙叠层，拓展光谱响应范围，提高光伏特性 8、温度系数低缺点：光致衰减 稳定性问题,碲化镉太阳能电池,特点：从碲化镉太阳能能带特点看，非常适合做薄膜太阳能电池
13、，理论转换效率30%，成本低制备方法：升华法、电沉积、丝网印刷等简单加工技术，较低温可沉积出12%以上的CdTe，First Solar、NREl均在高温真空升华法制得高效CdTe电池缺点：对潮气敏感，生产过程中Cd对环境和操作者危害（First Solar领跑者、Solar Fields AVA Tech等，公司）,电池板的连接与封装,太阳能电池板的串并联方式：混合式连接及旁路二极管要求：工作电压相同，功率相近防反冲二极管：防止夜间或阴雨天太阳能电池方阵工作电压低于其供电的直流母线电压，防止蓄电池反过来给太阳能方阵送电，起单项导通作用旁路二极管：当某一个组件出现故障时候，实现电流旁路，不影响其它正常组件的发电。,混合式连接及旁路二极管,电池组件的封装,封装材料：上盖板:超白钢化玻璃34mm，90%的透光率，减反射工艺处理粘接剂：EVA胶膜中加入聚合物（紫外吸收剂，热稳定剂）；90%的透光率，交联度：7010%，玻璃强度：玻璃/EVA30N/cm；背面材料，边框等其它材料,电池组件的封装,封装工艺:,激光划片,电池分选,组合焊接,压层封装,安装边框和接线盒,性能测试,
