（凝聚态物理专业论文）太阳光伏组件关键技术与新型低倍线性聚光系统研究.pdf

摘要 太阳光伏组件关键技术与新型低倍线性 聚光系统研究 专业：凝聚态物理 博士研究生：张臻 指导教师：蔡睿贤院士沈辉教授 摘要 太阳能的有效利用是解决环境和能源问题的主要途径之一。其中太阳能光伏利用是 当前发展最快最具活力的研究领域。因具有降低太阳能发电成本的潜力，聚光太阳光伏 系统一直广受研究人员关注。对于高倍( 几十到数百倍) 聚光系统，居多采用多结高效 电池。低倍( 2 1 0 倍) 线性聚光系统在实际使用过程中，具有对太阳跟踪的精度、电 池性能及组件散热效果等要求相对较低、系统可靠性高的优点，具有一定的市场前景。 本文介绍了由作者自行设计的低倍线性聚光用反射式与折射式聚光器，并对其原理及聚 光太阳电池组件的设计进行了分析与阐述。首次提出了聚光( 透镜式) 跟踪一体化太阳 电池组件的概念，并对其进行了软件模拟和结构设计。 太阳跟踪有对于聚光光伏系统具有重要意义，一般只有跟踪到太阳才可能使太阳辐 射比较均匀地达到光伏电池组件表面。方阵间距l 与方阵宽度a 相关，增加方阵东西方向 的间距可以提高早晨与傍晚的太阳跟踪效果。在早晨与傍晚，由于太阳辐照经过的大气 层距离长，被大气层吸收的辐照多，到达方阵表面的总辐射强度小。在这个阶段，虽然 采用完全太阳跟踪可以较大比例的提高方阵表面的辐照强度，但辐照提高的总量不大。 本文根据太阳辐照计算模型，评估了太阳方阵间距对太阳跟踪的影响。计算表明，当l a 大于2 5 时，总的跟踪效率随方阵间距增加而增加的幅度很小。方阵的间距推荐为方阵 宽度的1 5 - - - 2 倍。 聚光与太阳跟踪是提高光伏系统发电量的重要途径，太阳电池组件功率衰减、工作 温度与工作可靠性对光伏系统发电量也有很大影响。接着，本文主要针对造成太阳电池 中山大学博士学位论文张臻 组件功率衰减的两方面设计老化实验，研究衰减机理，选择适合的太阳电池与封装材料 以满足太阳电池组件的需求。首先，采用氙灯，钠灯及室外太阳光照的方式分别对不同 太阳电池及太阳电池组件进行光老化，测试与比较功率衰减幅度与速率，分析光强、光 谱及温度等对功率衰减的影响。其次，采用紫外老化测试仪，对不同组成的e v a 胶膜进 行了长达1 0 0 0 d 、时的紫外光老化试验。分析了不同组成的e v a 胶膜老化过程中力学性能 的变化，透过率和黄色指数的变化，以及老化前后太阳能组件外观及i v 特性的变化。 太阳电池工作温度计算模型对初步设计组件散热有很大的帮助，但通常忽略组件中 各个电池内阻差异对产生热量的影响，无法精确模拟到每个电池的温度。i e c6 1 2 1 5 规 定的n o c t ( 电池额定工作温度) 测试过程，实验的太阳电池组件为开路状态，通过组 件内部电流为o ，不能体现实际工作时组件中各个电池电性能的差异引起的电池温度的 不同。为全面比较与分析太阳电池组件工作时的温度分布，体现各不同电池之间温度差 异，本文通过多方面的太阳电池工作温度测试实验，对太阳电池组件工作温度分布进行 深入分析研究。 对于晶体硅太阳电池组件，表面阴影或光强分布不均匀及单体电池功率不匹配等因 素是导致输出功率降低的重要原因。在通过模型理论推导的基础上，本文设计遮挡实验 对太阳电池组件进行实际测试，在有无二极管情况下，分别比较与分析单片太阳电池小 比例( 1 1 0 ) 、大比例( 1 0 - 1 0 0 ) 及多片电池阴影遮挡的太阳电池组件输出 的i v 伏安特性以及p v ( 功率与电压) 曲线。结果表明，有无二极管情况下，组件单片 电池被遮挡1 1 0 ，对整个组件与系统输出功率影响不大，最大功率p m a x 下降比例 均不超过2 ，同一串电池片之间可以允许存在小的功率差异或表面辐照强度差异 ( 5 ) 。同组件多个电池遮挡实验显示，电池出现热斑效应时会被反向击穿，击穿电压 在1 5 v 左右，因此，组件中应对少于1 5 0 6 = 2 5 片串联电池并联一个旁通二极管，否 则使用中会出现热斑损坏组件现象。 最后，本文提出怎样利用散射与直接辐射资料配置离网型聚光系统容量，及根据气 象资料情况优化设计混合互补型聚光系统的方法，并对一具体通信基站用风光互补系统 进行分析与评估。计算数据显示，不同地区聚光系统聚光效率差距很大，在广州在2 倍 聚光情况下，考虑太阳跟踪对组件表面辐照的增益，全年组件表面总辐照量平均增加比 约4 0 - - 5 0 ，而同样聚光条件，在拉萨的增加效果可达到9 0 1 0 0 。对于离网型 供电系统，拉萨在辐照总量、季节辐照分布均匀性、连续低辐照天数方面都优于广州， 摘要 太阳组件聚光后进一步扩大了这一差距。通过对气象资料数据及实际工程案例分析表 明，与风力发电结合后，在一些地区，跟普通组件相比，聚光太阳组件与风力发电表现 出更好的互补性。 关键词：光伏；线性聚光；热斑效应；太阳跟踪，光衰减。 i i i a b s t r a e t s t u d yo fk e yt e c h n i c a li s s u e so ns o l a rm o d u l ea n d l o w - r a t i ol i n e a rc o n c e n t r a t i v ep h o t o v o l t a i cs y s t e m m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：z h e n z h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f r u i x i a nc a i ，p r o f h u is h e n a bs t r a c t i ti so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n ta p p r o a c h e st or e s o l v ee n v i r o n m e n ta n de n e r g yp r o b l e m s b yu t i l i z i n gs o l a re n e r g ye f f e c t i v e l y p h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o ni sap r i m er e s e a r c hf i e l dt h a t d e v e l o p sr a p i d l y a sap o t e n t i a lr o u t et or e d u c et h ec o s to fs o l a r - g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y ， c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cs y s t e mi st h ef o c u so fr e s e a r c ha l l a l o n g i nh i g h - r a t i o ( t e n so r h u n d r e d so ft i m e s ) c o n c e n t r a t o rs y s t e m ，w ea l w a y sa d o p tm u l t i - j u n c t i o na n dh i g i le f f i c i e n c y s o l a rc e l l s c o r r e s p o n d i n g l y ，i nl o w - r a t i o ( 2 - 1 0t i m e s ) c o n c e n t r a t o rs y s t e m ，i ti sn o tn e c e s s a r y t oe m p l o yh i g hp r e c i s es t i l lt r a c k e r ，s p e c i a lc e l l so rm o d u l e s ，h i g he f f i c i e n c yc e l l - c o o l e r w i t h a d v a n t a g eo fh i g h r e l i a b i l i t y ，l o w - r a t i oc o n c e n t r a t o rs y s t e mh a sp r o m i s i n gm a r k e tp o t e n t i a l i nt h i sp a p e r , l o w - r a t i ol i n e a rr e f l e c t i v ea n dr e f r a c t i v ec o n c e n t r a t o ra n dc o r r e l a t i v es o l a r m o d u l ed e s i g n e db ya u t h o ra r ee x p a t i a t e da n da n a l y z e d a n dt h ep r o p o s a lo fc o n c e n t r a t o r , t r a c k e ri n t e g r a t e ds o l a rm o d u l ei sb r o u g h tf o r w a r d sf o rt h ef i r s tt i m e ，s o f t w a r es i m u l a t i o ni s c a r d e do u tf o rt h en o v e ls t r u c t u r e s u n t r a c k i n gi ss i g n i f i c a n tf o rc o n c e n t r a t o rp vs y s t e m g e n e r a l l y , i nc o n c e n t r a t o rs y s t e m , s u nr a d i a t i o nc a nd i s t r i b u t es y m m e t r i c a l l yo ns o l a rm o d u l es u r f a c eo n l yi fs u n - t r a c k e ri su s e d t h ei n t e r - a r r a ys p a c i n g ( l ) d e p e n d so nt h ew i d t h ( a ) o f a r r a y a n di tw i l le n h a n c et h et r a c k i n g e f f i c i e n c yi nt h ee a r l ym o r n i n ga n de v e n i n gb yi n c r e a s i n gi n t e r - a r r a ys p a c i n g i nt h ee a r l y m o r n i n ga n de v e n i n g ，t h er a d i a t i o nn e e dt op a s st h r o u g hl o n gd i s t a n c eo fa i rl a y e rt or e a c ht h e a r r a ys u r f a c e ，s oi ti sw e a k e n e ds e v e r e l yb e c a u s eo fa i ra b s o r p t i o n i nt h i ss t a g e ，t h er a d i a t i o n o nt h ea r r a yc a nb ei n c r e a s e db ya b s o l u t es u n - t r a c k i n gb yl a r g ep e r c e n t a g e ，b u tt h eq u a n t i t yo f i n c r e a s i n g r a d i a t i o ni sl i t t l e t h ei n f l u e n c eo fi n t e r - a r r a y s p a c i n g ( l ) o ns u n t r a c k i n g e f f i c i e n c yi se v a l u a t e db a s i n go ns u nr a d i a t i o nc a l c u l a t i n gm o d e l a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e d r e s u l t , t h et r a c k i n ge f f i c i e n c yi n c r e a s es l o w l yw i t ht h ei n c r e a s i n go f i n t e r - a r r a ys p a c i n gw h e n t h ev a l u eo fl ai sb i g g e rt h a n2 5 i ti sr e c o m m e n d e dt h a ti n t e r - a r r a ys p a c i n gi s1 5 2t i m e s c o n c e n t r a t o ra n ds u n - t r a c k i n ga p p l i c a t i o na r et h es i g n i f i c a n tm e t h o d st oi m p r o v ep o w e r o u t p u to fp vs y s t e m ，w h i l ep o w e r d e g r a d a t i o n ，c e l lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dr e a l i a b i l i t ya r e c l o s e l yr e l a t i o n a lt oe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o no fp vs y s t e m t h e n ，i nt h i sp a p e r , s t u d yo n d e g r a d a t i o np r i n c i p i u ma n dc o n s i d e r a t i o no fr a t i o n a ls o l a rc e l la n dm o d u l em a t e r i a ls e l e c t i o n a r ep r e s e n t e db ya n a l y z i n gd a t ao fa g i n ge x p e r i m e n t st h a td e s i g n e db a s i n go nt w of a c t o ro f c a u s a t i o n sf o rs o l a rm o d u l ep o w e rd e g r a d a t i o n f i r s t l y , s o l a rc e l l sa n dm o u d l e sw e r ea g i n g e d b yx e n o n ，s o d i u ma n ds u n l i g h tr a d i a t i o n e x t e n ta n ds p e e do fs a m p l e sw e r et e s t e da n d c o m p a r e d t h ee f f c to fi g h ti n t e n s i t y , s p e c t r u ma n dt e m p e r a t u r eo np o w e rd e g r a d a t i o nw e r e a n a l y z e d s e c o n d l y , 10 0 0h o u r su va g i n gt e s tw e r ec a r r i e do u to ne v af i l m sw i t l ld i f f e r e n t c o m p o n e n t s t h ep e r f o r m a n c ec h a n g e so nm e c h a n i c a ls t r e n g t h ，t r a n s i m i t t a n c ea n dy e l l o w i n d e xo ft h es a m p l e sw e r ea n a l y z e da f t e ra g i n g t h ec h a n g eo f i vp e r f o r m a n c ea n d a p p e a r a n c eo fm i n im o d u l ee n c a p s u l a t e db yt h e s ee v aw a sr e s e a r c h e d s o l a rc e l lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i n gm o d u l ei sv a l u a b l ef o rd e s i g n i n gs o l a r m o d u l eh e a ts i n k ，h o w e v e ri ti g n o r et h ee f f e c t so fc e l l s r e s i s t a n c eo nh e a tg e n e r a t i o nw h i c h m a k et h ep r e c i s es i m u l a t i o no fo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei m p o s s i b l e i ni e c61215 ，n o c t ( n o m i n a lo p e r a t i n gc e l lt e m p e r a t u r e ) i sm e a s u r e e di no p e nc i r c u i ts t a t e t h e r ei sn oc u r r e n t p a s st h r o u g ht h em o d u l e s ot h ed i f f e r e n c eo fc e l l sp e r f o r m a n c ec a n n o tb ee m b o d i e db yc e l l s t e m p e r a t u r e t oc o m p l e t e l yc o m p a r ea n da n a l y s e st h ec e l lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fs o l a rm o d u l e ，a n dr e f l e c tc a u s a t i o no ft e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ，t h o r o u g h l ys t u d yw a s p r o c e e d e di nt h i sp a p e rb yc a r r y i n go u te x t e n s i v er e s e a r c ho nc e l lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e f o rc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rm o d u l e ，s h a d i n g ，a s y m m e t r yo fr a d i a t i o na n dc e l l sm i s m a t c h a r et h em a i nc a u s a t i o no fo u t p u tp o w e rd e g r a d a t i o n b a s i n go nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t sf o rs h a d i n gt e s to fm o d u l ew e r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r i v ( c u r r e n ta n d v o l t a g e ) a n dp v ( p o w e ra n dv o l t a g e ) c h a r a c t e r i s t i c so fm o d u l e sw e r et e s t e da n da n a l y z e d w h e no n eo rm u l t ic e l l sa r es h a d e db yl o wp e r c e n t a g e s h a d i n g ( 1 - - - 10 ) a n dl a r g e v a b s t r a c t p e r c e n t a g e0 o o - lo o ) i nw h i c hb y p a s sd i o d e sb ed e s i g n e do rn o t a c c o r d i n gt ot h et e s t r e s u l t , t h eo m p mp o w e r ( p m a x ) o fs o l a rm o d u l ed e c r e a s e ds l i g h t l y ( 1 e s st h a n2 ) w h i l eo n e o f c e l l sw a ss h a d e db y1 - - - 1 0 i nt h em o d u l e s os l i g h t l yd i f f e r e n c ea m o n gp o w e ro f c e l l so r a s y m m e t r i c a lr a d i a t i o n ( 5 ) o nc e l l s s u r f a c ei no n e m o d u l ei sa c c e p t a b l e i tw a ss h o w ni n t h em u l t i c e l ls h a d i n gt e s tt h a tc e l lw o u l db ed e s t r u c t e db yr e v e r s ec u r r e n tw h i l et h er e v e r s e v o l t a g er e a c h e s15 vw h e nh o ts p o te m e r g e d s oi ti sn e c e s s a r yt oc o n n e c ta tl e a s to n eb y p a s s d i o d et ot h es t r i n ga st h ep i e c e so f c e l l si sl e s st h a no f 2 5 ( 1 5 0 6 = 2 5 ) l a s t l y , o p t i m i z e dd e s i g np r o c e d u r eo fo f f - g r i dc o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i co rh y b r i ds y s t e m w a sp r e s e n t e db yu t i l i z i n gw e a t h e rd a t ao fd i f f u s ea n db e a mr a d i a t i o n aw i n d p vh y b r i d p o w e rs u p p l ys y s t e mf o rt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a t i o na sas t u d yi n s t a n c ei sa n a l y z e da n d e v a l u a t e d a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i n gd a t a , t h ec o n c e n t r a t i n ge f f i c i e n c i e sw e r em u c hd i v e r s e w h e ns y s t e m sw e r ei n s t a l l e di nd i f f e r e n ta r e a s f o r2t i m e sc o n c e n t r a t o rs y s t e m ，c o n s i d e r i n g t h ec o n t r i b u t i o no fr a d i a t i o no nm o d u l e s s u r f a c eb ys u n t r a c k i n g ，t h er a d i a t i o no nm o d u l e s s u r f a c ew i l li n c r e a s e4 0 , - - 5 0 i ng u a n g z h o u , w h i l et h a tw i l lb e9 0 10 0 i nl h a s a c o m p a r i n gt og u a n g z h o uw e a t h e rc o n d i t i o n si nl h a s aa r eb e t t e ri na s p e c t so fg l o b a l r a d i a t i o n ，u n i f o r m i t yo fs e a s o n a lr m i a t i o nd i s t r i b u t i n ga n dc o n s e c u t i v el o wr a d i a t i o nd a y so f w h i c ht h ed i v e r s i t yw i l lb ee n l a r g e dw h e nc o n c e n t r a t o rw a sa p p l i e d b yc o m p a r i n gr a d i a t i o n d a t aa n ds t u d ya c t u a lp r o j e c t , i ns o m ep l a c e ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tc o m p a r i n gt og e n e r a lp v s y s t e m ，c o n c e n t r a t i v eo n eh a v em o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c et oc o m b i n e 谢t hw i n dp o w e r s u p p l ys y s t e m k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c ；l i n e a rc o n c e n t r a t o r ；h o ts p o t ；s u nt r a c k i n g ；u va g i n g 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。教缓 日期：芦培年i z - ) 寻7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质 版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：多漩 日期：砂g 年l z 月7 日 导师签名： 日期础年朋7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成 的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权 法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由 导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任 何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明 的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：动暖 日期江带年f 之月 第一章绪论 1 1 太阳光伏发展形势 第一章绪论 能源危机和环境污染是人类社会发展过程中面临的两大挑战。目前，全球总能耗的 7 4 来自煤、石油、天然气等化石能源。随着能源需求的逐步扩大，化石能源被无节制 的开采，能源危机越来越严重。据估计，全球的煤炭可开采年限是2 0 0 年，石油、天然 气的开采年限分别是4 0 年和6 0 年。由于使用化石能源所排放的温室气体和有毒物质使地 球的生态环境急剧恶化。针对这个事关全人类的问题，1 9 9 7 年1 2 月由联合国1 5 0 多个国 家的代表签署了关于气候变化的框架协定，要求世界各国调整能源政策，逐步改变能源 的利用方式，从化石能源逐渐转为可再生能源，从而彻底根除人类发展和能源危机与环 境污染之间的矛盾【l ，2 】。因此，开发可持续发展的能源形式逐步替代化石能源已成为一 项全球性的重大课题。 太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，全球年能耗量的总和只有太阳4 0 分钟内 投射到地球表面的能量。所以，合理开发利用太阳能成为世界各国政府可持续发展能源 的战略决策。阳光发电是大规模利用太阳能的重要手段。如果能实现大规模的光伏并网 发电，不但可以缓解能源危机，优化能源结构，还可以改善生态环境，达到绿色环保的 目的 3 ，4 】。 太阳电池的研究已有很长的历史。早在1 9 世纪8 0 年代便出现了第一块薄膜硒电池。 然而，这些早期的器件和1 9 3 0 年流行的氧化亚铜器件一样，没有足够的发电效率，只能 用于大面积的光电探测。直到2 0 世纪5 0 年代，随着单晶硅技术的发展才使得太阳近电池 在能量转换领域的应用成为可能。二十几年来，世界各国对太阳电池的研发投入了大量 的人力、物力、财力，对单晶硅、多晶硅、非晶硅、g a a s 、c d t e 等不同材料和m i s 、p i - n 、 叠层等不同结构的电池进行了深入的研究，使太阳电池领域的研究与应用得到了快速的 发展 5 】。特别是2 0 0 0 年以来，世界光伏产业更是向着在未来能源结构中的战略地位飞速 前进 6 】。 1 2 太阳电池基本原理 1 2 1 光与半导体的相互作用 ( 1 ) 光吸收 中山大学博士学位论文 光在半导体中的吸收过程可以分为本征吸收和非本征吸收两类【7 】。 本征吸收是指入射光子能量h 大于材料的禁带宽度e g 时，使价带的一个电子吸收光 子的能量后越过禁带进入导带，在价带留下一个空穴，形成电子空穴对的吸收。 刚好能产生本征吸收的光的频率v o 和波长知称为频率吸收限和波长吸收限，这意味 着，当入射光v e g 的光子能在半导体中产生一个电子空穴对，多余 能量( h e g ) 以热的形式散发掉。 除本征吸收外，半导体对光的吸收还包括激子吸收，杂质吸收、自由载流子吸收和 晶格振动吸收等非本征吸收。本征吸收发生在波长吸收限h 以内，非本征吸收发生于 之外。就硅材料而言，本征吸收系数比其他非本征吸收系数大几十倍到几万倍，所以在 一般照射条件下只考虑本征吸收就可以了。 光子能量大于等于禁带宽度时，能产生本征吸收，但并不意味着进入半导体内部可 以立即产生吸收。如图1 1 所示，当一强度为i o 的光垂直表面进入半导体后不断被吸收， 在半导体内距表面x 处的光强i x 遵守吸收定律： i j = i o e 一 ( 1 2 ) 其中口是吸收系数，它的值随光波长而改变。 0xw 图1 1 半导体的光吸收【7 】 f i g 1 - 1l i g h ta b s o r p t i o ni ns e m i c o n d u c t o r ( 2 ) p n 结的光生伏特效应 如果用包含h v 芝e g 的光子辐射照射到具有p n 结的半导体表面，只要结深在光的透入 深度范围内，就会在结的两端产生电压，这个效应称为光生伏特效应。 2 第一章绪论 入射光能在其透入深度范围内激发电子空穴对，在距离势垒边界约一个扩散长度范 围内产生的少子，将被势垒区的强电场抽取到对方，如图1 - 2 ( b ) 。空穴向p 区运动，电子 向n 区运动，从而在内部构成自n 区流向p 区的光生电流，使得p 区电势升高，n 区电势降 低，于是在p n 结两端形成光生电压。这个电压的方向是使p n 结正向偏置。如果将包含 负载的回路与p n 结相连，光生电压可以引起回路内产生电流，从而向负载输出一定的功 率。 1 2 2 同质结太阳电池原理 图1 2 光生伏特原理【7 】 f i g 1 - 2p h o t o v o l t a i cp d n e i p l e 太阳电池有许多种类，结构也各不相同，一般认为有同质结、异质结和肖特基结三 类太阳电池。最常见也是最基本的是同质结太阳电池。 同质结太阳电池如图1 3 所示。它是在p 型硅衬底上形成一个n 型层，构成一个p n 结， 光由正表面入射。正面的金属栅欧姆接触，称为正电极，背面的大面积欧姆接触，称为 背电极。高效电池还有反射层、表面钝化层等结构【8 】。 电池及负载系统用等效电路表示，如图l _ 4 所示。电流源i l 是太阳光辐射激发产生的 光电流。光照恒定时，光电池的光电流不随工作状态而变化，可看作恒流源。同时，光 生电压使p n 结处于正向偏置，存在一个二极管电流i d ，这是一个与光电流方向相反的暗 电流。r l 为负载电阻，v 为负载端压，i 为电路电流【8 ，9 】。 3 中山大学博士学位论文 张臻 图卜3 晶体硅太阳电池结构【9 】 图l - 4 电池等效电路【9 】 f i g 1 - 3s t r u c n l r eo fc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l f i g 1 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fs o l a rc e l l 电池的理想伏安特性为： 业 i = i 一i d = i 工一i s ( p x r 一1 ) 其中，i s - - 极管饱和电流。 电池的理想伏安曲线及暗特性曲线如图1 5 所示。 ji 、一 酱八曲线 v 图1 - 5 电池伏安特性【9 】 图1 - 6 电池工作点【9 】 ( 1 3 ) f i g 1 5i vc u r v eo fs o l a rc e l l f i g 1 - 6t h el o a do fs o l a rc e l l s 负载电阻的i v 曲线和太阳电池的i v 曲线的交点w 为电池工作点，如图1 6 所示。 v o u t 、l o u t 分别为输出电压、输出电流。电池的工作点是随负载变化而变化的。短路时， v o u t = 0 ，i o u t - - i s c ，i s c 称为短路电流；开路时，l o u t = o ，v o u t = v o c ，v 0 c 称为开路电压。 从( 1 3 ) 式易得： 电池输出功率为： ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) t o w = 沂i o w ( 1 6 ) 图1 6 中i v 曲线的内接矩形面积最大的点为电池的最大功率输出点，最大功率记为 p m 。p m 的值不仅与v 0 c 和i s c 有关，而且与电池i v 曲线的形状有关。 定义填充因子f f 来表征电池i v 曲线“方形”的程度： f f ： 刍 i s c 4 ( 1 - 7 ) d + l b h 吒 坚g = = l 第一章绪论 于是，尸m 可以表示为： 己= i s c f f ( 1 8 ) 因此，对于一定面积的电池，在一定的光照下，为了能获得尽量大的功率输出，就 要获得尽量大的开路电压v o c 、短路电流i s c 和填充因子f f 。 对于各种太阳电池，我们用刀来表征电池的功率转换效率，成为光电转换效率，简 称效率： ，7：鲁：tvoc xi s cxf f(1-9)。 圪圪 其中，只n 为入射到太阳电池表面的光功率。 1 3 提高太阳电池组件可靠性和发电量的方法 由于晶体硅太阳电池易破碎、易被腐蚀等，若将其直接暴露在大其中，其光电转化 效率会很快衰减。因此采用两层透明、耐老化、粘性好的e v a 胶层将硅晶片包封，上层 采用透过率高、耐冲击的低铁钢化玻璃保护，下层再与耐湿抗酸的背板材料，如t p ，i ( 聚 氟乙烯复合膜) 粘为一体，组成太阳能电池组件 1 0 。 在实际工作情况的太阳能电池组件的效率将比组件标准测试条件下的效率低，组件 准测试条件下效率是在标准测试条件( s t c ) 1 1 下给出的，即：电池温度2 5 2 ，光 源辐照度为1 0 0 0 w m 2 ，并具有a m l 5 太阳光谱辐照度分布条件。这是晴朗冬季的太阳电池 工作温度，夏季的太阳辐照度，春季的太阳光谱分布，因此太阳电池组件户外的实际工 作条件与标准测试条件存在很大的差别。因此太阳电池组件的实际工作效率和组件现场 工作功率可能比期望的s t c 情况下低2 0 ，甚至更低 1 2 。太阳电池组件的实际发电量， 受到电池与组件功率衰减、工作温度、到达组件表面的实际辐照强度等决定。 此外，考虑长期发电量，太阳电池组件可靠性至关重要，太阳电池组件的可靠性与 使用寿命直接影响到它的实际发电量，可靠性高的组件实际工作时间长，发电量也就大。 目前在欧洲市场销售太阳电池组件一般需要获得t u v 或v d e 认证( 北美洲为u l 认证) ，获 得认证必须根据i e c6 1 2 1 5 与i e c6 1 7 3 0 两个标准进行测试，其中可靠性测试是最重要部 分 1 3 ，1 4 。如图1 - 7 所示，根据欧洲认证机构t u v 的统计，2 0 0 4 - - - 2 0 0 7 中国制造太阳电 池组件t u v 测试失败主要分布在湿热( d a m p - h e a t ) 老化，热斑( h o ts p o t ) ，高低温循 环( t c 2 0 0 ) 老化部分 1 5 。 5 中山 学博学位论文 1h 崮卜72 0 0 4 2 0 0 7 中国制造太刚电池组什t u v 测试失败比例分布 1 5 f i 9 1 - 7s t a t i s t i c f o r c h i n e s e m o d u l e s ( 2 0 0 4 - 2 0 0 7 ) f a i l u r ef a t e s i ne a c h t e s l - o f t u v 因此，对于太阳电池组件，可以从以下几个方面研究分析以提高其可靠性和实际发 电量。 1 3 1 减少太阳电池的光衰减 太阳电池光衰减会严重的影响组件输出电性能与可靠性，在聚光光伏系统尤为明 显。太阳电池本身的光衰减，即太阳电池或组件的输出功率在刚开始使用的最初儿天内 发生较大幅度的下降，但随后趋丁稳定。导致这一现象发生的主要原因是p 型( 掺硼) 晶体硅片中的硼氧复合体降低了少子寿命 1 6 。掺硼直拉硅( c z s i ) 太阳电池的光衰减 问屈是由f h e r 和p s c h u n d e r 在1 9 7 3 年发现的 1 7 】。图1 7 表示l l 】c m 掺硼c z s i 电池在光照 后的衰减和2 0 0 以上退火处理的恢复情况。可以看出，光照使电池性能不断衰减，虽 后达到饱和值，退火处理又使电池性能得到完全恢复。在相当长一段时间内，c z - s l ( 掺 硼1 电池的这种光衰减和退火恢复的机制一直没有得到解释。7 0 年代曾提出过若干金属 杂质缺陷模型，8 0 年代曾提出非平衡载流子引起的施主一受主对( 如f e b ) 分解模型，即 f e b i 构i 光诱导分解使c z s i 太阳电池受到f e 污染而衰减 1 8 ，1 9 。但这些模型中没有一个能 够完全解释f i s c h e r 和p s c h u n d e r 所观察到的衰减恢复现象。晶硅电池在光伏市场中的主 导地位使c z - s j 的光衰减问题的研究愈来愈受到重视。进入9 0 年代，研究集中于弄清光 衰减的摹本机制，实验证实，硼和间隙氧是引起c z s 汰阳电池光衰减的主要因素。目 前，掺硼p 型硅片是市场的主流产品，为降低太阳电池光衰减可以从以下几个方面作出 改进： 第一章绪论 i r r a d i a t i o n 0 2 h 4 h 2 7 h2 h 图1 - 8 掺硼c z 硅太阳电池的光衰减与恢复【1 7 】 f i g 1 - 8l i g h td e g r a d a t i o na n dc o