（热能工程专业论文）太阳电池组件的水冷冷却流动传热特征及方法研究.pdf

摘要 摘要 晶体硅太阳电池的光电转换效率随着自身温度的升高而减小，温度每提高1 ， 功率输出减少0 4 n o 6 6 不等，因而在太阳电池工作时对其采取一定的冷却降温措 施，对于提高其发电效率十分有效。 本论文对太阳电池冷却降温的流动传热特性及方法进行了研究。冷却降温方法 的总体思路是采用水冷，具体措施有两种方法，一是蓄水冷却降温方法，承接导师 前期研究过的课题“蓄冷降温式太阳电池组件”，二是自来水冷却降温方法，命名为 “自来水冷却式太阳电池组件”。两套组件对于太阳电池部分的模型设定是相同的， 最大的区别在于换热方式：前者的冷却设备是蓄冷水箱，通过水箱内蓄水实现太阳 电池背板的冷却过程，后者的冷却设备是容纳流动的自来水的管道，通过水的对流 换热及管翅片的导热实现太阳电池背板的冷却过程。 本文第二章进行太阳电池组件冷却负荷的研究。首先利用v i s u a lb a s i c 编程语言 编写出了一个简易的计算软件，将太阳辐射测试数据转化成组件平面所接受到的太 阳辐照数据；然后建立了组件的分层结构模型，列出了各层之间能量传递的方程组， 并且提供了使用m a p l e l 2 软件结合其他相应软件求解该方程组的方案思路，为后续 的冷却系统设计提供了依据。 第三章研究的是蓄冷降温式太阳电池组件的对流换热系数问题。蓄水箱内太阳 电池背板与水之间的换热是一种热面在上的自然对流换热，是最为复杂的传热过程 之一。本文作者提出了使用f l u e n t 软件求出组件水箱内部蓄冷工质自然对流换热 系数h 值的“反馈修正”法。运用这种方法，得出了标准测试条件( s t c ) 下、以及实 际气象条件下代入具体气象参数后，对流换热系数h 值随时间变化的数值表，为太阳 电池组件冷却负荷的计算提供了基础。本章后部，将已有蓄冷降温式太阳电池组件 的实验测定数据同软件模拟数据进行了对照，确认了软件模拟方法的准确性。 第四章进行了自来水冷却降温方法的研究。为了得到换热最好、电池温度最低、 流动阻力最小的换热截面形状，建立了1 5 套不同截面的三维网格模型，并且给定热 流密度，通过代入3 种不同的自来水流量值，通过f l u e n t 软件进行模拟，从而得到 各模型与电池连接面上的平均温度、最高温度、最低温度和流速数据表，选出了其 广东- r i l , 大学硕士学位论文 、 中一种流道截面积为1 4 5 4 x 1 0 6 m 2 的弓形流道最优模型，在模型优化的基础上，本文 规划了相应的组件模型实验工作，对自来水冷却式太阳电池组件与建筑相结合的方 案进行了分析，计算了l o k w 太阳能光伏屋顶电站在不同自来水流量下的降温效果。 为了获得应用于水冷太阳电池组件背板的传热性能和持久性最合适的材料，作 者对四种不同的铝合金材料，进行了1 0 0 0 d 、, 时加速腐蚀实验，期间对它们的热扩散 系数、反射率、吸收率等进行了测定，掌握了铝合金材料在长期使用条件下其性能 的变化规律。 最后，本文对于太阳电池组件冷却使用的低温热源也进行了比较分析，收集不 同地点的自来水温、地表水温及循环使用的水温，并在广州大学城进行了实测，得 到了水温变化的一手资料，分析比较了用于太阳电池冷却的可能性及其优缺点。 通过以上理论和实验研究，本文得出以下结论：内部自然对流换热系数对蓄冷 降温式太阳电池组件的效率具有重大影响，通过软件模拟方法得出其在按照不同时 间段及相应辐照强度在7 2 5 至u 7 8 1 1 删研的之间变化，而采用自来水冷却降温方法 的效果则取决于建筑供应自来水的温度，包括不同时间内自来水温度的变化速率， 以及建筑内自来水的使用量，以及冷却结构的选择及优化。研究表明，l o k w 屋顶电 站使用自来水冷却降温方法在标准测试条件下运行，可使电站的实际发电量由 8 3 9 k w 提高到9 9 1 k w 。本课题后期应制造样机进行进一步实验验证。 关键词：太阳电池，水冷冷却，传热过程，效率，数值模拟 i i a bs t r a c t c r y s t a l s i l i c o ns o l a rc e l l sp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y f a l l sw h e ni t s t e m p e r a t u r er i s e s ，t h eo u t p u tp o w e rm a yd e c r e a s eb y0 4 - 一0 6 6 p e rc e n t i g r a d e ，s o t a k i n gm e a s u r e st oc o o ld o w nt h es o l a rc e l l s t e m p e r a t u r ei sm e a n i n g f u lw h e nt h e ya r e w o r k i n gd u r i n gt h ed a y t i m e t h ep a p e rr e s e a r c h e do nt h eh e a t - t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t h o d so fs o l a r p h o t o v o l t a i cm o d u l e sw a t e rc o o l i n g i t u s e sw a t e ra st h es o l a rc e l l s c o o l a n t ，a n d p r e s e n t st w om e t h o d st o r e a l i z e ：o n ei st os t o r ew a t e r ，w h i c hi n h e r i t st h ef o r m e r t o p i c ”c o o l s t o r a g es o l a rp h o t o v o l t a i em o d u l e ”，t h eo t h e r i st ou s et a pw a t e r ，n a m e d “t a p w a t e rc o o l i n gs o l a rp h o t o v o l t a i em o d u l e ”b o t ho ft h e mh a v et h es a m es o l a rc e l l s m o d e l ， t h em a i nd i f f e r e n c eo ft h e mi st h eh e a te x c h a n g i n gw a y ：t h ef o r m e ru s e sa c o o ls t o r a g e t a n ka st h ec o o l i n ge q u i p m e n tt or e a l i z et h ec o o l i n gf o rt h es o l a rc e l l sw h i l et h el a t t e r u s e sp i p e sw h i c hc o n t a i nt a pw a t e ra n dw i n g s h e a tt r a n s f e r r i n gt od os o c h a p t e r2r e s e a r c h e dt h es o l a rp h o t o v o l t a i em o d u l e sc o o l i n gl o a d f i r s tt h ep a p e r p r o g r a m m e das i m p l ec a l c u l a t i o ns o f t w a r eb yv i s u a lb a s i c ，t r a n s f o r m e dt h eo b s e r v e d c l i m a t ed a t at ot h em o d u l e sr e c e i v e dr a d i a t i o nd a t a ，n e x tm a d eam o d e lo ft h em o d u l e s l a y e r s ，l i s t e de n e r g ye q u a t i o n sf o ri t ，t h e np r e s e n t sm e t h o d ss u c ha su s i n gm a p l e l2t o s o l v et h e m c h a p t e r3r e s e a r c h e do nt h ec o o l - s t o r a g es o l a rp h o t o v o l t a i em o d u l e i nt h ew a t e r t a n k ，o n eo ft h em o s tc o m p l e xh e a rt r a n s f e rp r o c e s si st h ep r o c e s sb e t w e e nm o d u l e s b a c k p l a n ea n dw a t e r t h ea u t h o rp r e s e n t st h e “f e e d b a c ka n dm o d i f y m e t h o db yu s i n g t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n ti no r d e rt oa q u i r et h ec o o l - s t o r a g et a n k sw a t e r s n a t u r a lc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n th ，a n dg o tt h eh sc h a n g i n gb yt i m ev a l u e t a b l e su n d e rs t a n d a r dt e s tc o n d i t i o na n da c t u a lc l i m a t ec o n d i t i o n s w h a t sm o r e ，t h e p a p e rc o m p a r e dt h es i m u l a t e dd a t aw i t he x p e r i m e n td a t a i no r d e rt ov a l i d a t et h e a c c u r a c y c h a p t e r4 r e s e a r c h e do nt h em e t h o do fc o o l i n gb yt a pw a t e r i no r d e rt oa c q u i r et h e b e s th e a tt r a n s f e r ，l o w e s tt e m p e r a t u r ea n dl e a s tr e s i s t a n c y s e c t i o ns h a p e ，t h ep a p e r i i i 广东工业大学硕士学位论文 p r e s e n t st h er e f i n i n gm e t h o d ，m a d e15d i f f e r e n t3 dm e s hm o d e l s ，a n ds i m u l a t e db yu s i n g f l u e n tb yo n eh e a tf l u xa n d3f l o wr a t e s ，g e te a c hm o d e l sf i a tf a c e sa v e r a g e ， m a x i m u m ，m i n i m u mt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yt a b l e s ，a n ds e l e c tt h eb e s tm o d e lw h i c h h a st h e1 4 5 4 x1 0 击m 2s e c t i o na r e a b a s i n go nt h ea b o v e ，t h ep a p e rp l a n n e de x p e r i m e n t s ， a n a l y z e dt h ep r e c e p to ft a pw a t e rc o o l i n gs o l a rp h o t o v o l t a i cm o d u l ec o m b i n e dw i t h b u i l d i n g s ，a n dc a l c u l a t e d10 k wp h o t o v o l t a i vr o o ft o pp o w e rp l a n t sc o o l i n ge f f e c t si n d i f f e r e n tw a t e rf l o wr a t e s i no r d e rt of i n dt h eb e s th e a tc h a r a c t e ra n da n t i c o r r o s i o nm a t e r i a lu s e df o rw a t e r c o o l i n gs o l a rc e l l s ，4a l u m i n i u ma l l o y sw e r eu s e df o ra c c e l e r a t ec o r r u p t i o n ，a c c e l e r a t e c o r r u p t i o n ，t h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，r e f l e c t i v i t ya n da b s o r p t i v i t yt e s t s ，f i n a l l yt h e b e s tw a sc h o s e n ，a n dt h ea l u m i n i u ma l l o y s c h a n g i n gp r i n c i p l eu n d e rl o n g - t i m eu s i n g w a sh e l d f i n a l l y ，t h ep a p e ra n a l y z e dd i f f e r e n tc o o l i n gr e s o u r s e sa n dc o m p l e t e dt h er e l a t e d e x p e r i m e n t s ，c o l l e c t e dd i f f e r e n tp l a c e s w a t e rt e m p e r a t u r ei nt a pw a t e r ，s u r f a c ew a t e ra n d c r i c u l a t i o nw a t e ri ng u a n g z h o uu n i v e r s i t ym e g ac e n t r e ，t h e nc o m p a r e da n da n a l y z e d t h e i rf e a s i b i l i t y ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s d u r i n gt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ，t h ec o n c l u s i o ns h o w st h ew a t e r s t o r a g em e t h o d se f f i c i e n c yc l o s e l yd u et ot h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，w h i c h m a yb eb e t w e e n7 2 5a n d7 8 11 ，a n dt h et a pw a t e rm e t h o dd u et ot h et a pw a t e r s t e m p e r a t u r e ，t h ef l o wr a t ei ni t sb u i l d i n g ，a n dt h ep i p e s s e c t i o ns h a p e r e s u l t ss h o wt h e 1 0 k wp h o t o v o l t a i vr o o ft o pp o w e r p l a n t sp o w e rm a yr i s ef r o m8 3 9 k wt o9 9 1 k w i n f u t u r e ，t h i ss u b j e c ts h o u l dd op r o t o t y p et e s t st ot e s ta n dv e r i f yt h ep a p e r k e y w o r d s ：s o l a rc e l l s ，w a t e rc o o l i n g ，h e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，e f f i c i e n t ，n u m e r a l s i m u l a t i o n i v ，太阳辐射强度 符号说明 w m 2 口吸收率 电池表面接受的总辐射强度口g 玻璃盖板的吸收率 形m 2 i r 法向直射辐射强度 l 水平散射辐射强度 矽 8 纬度 集热面倾斜角 p 地面反射率 缈 时角 形朋2 w m 2 口三1 上层e v a 胶膜的吸收率 口p y 太阳电池片的吸收率 口e ： 下层e v a 胶膜的吸收率 f透过率 r g 玻璃盖板的透过率 f e i 上层e v a 胶膜的透过率 f p y 太阳电池片的透过率 f ，下层e v a 胶膜的透过率 秒太阳入射角 。 k导热率 删 的 斜面上的太阳直射辐射强度 厶： 天空散射辐射强度 厶 水平直射辐射强度 形聊2 w m 2 w m 2 k g 玻璃盖板的导热率 v c ( m 的 k 。 上层e v a 胶膜的导热率 w 觚酗 ，r ， 斜面上的地面散射辐射强度 k e y 太阳电池片的导热率脚的 e b 辐射力 口黑体辐射常数 形m 2 w m 2 w ( m2 k 4 ) v k e 2下层e v a 胶膜的导热率w ( m 的 铝背板的导热率删均 k r t p t 背板的导热率 w ( m 的 万 厚度 & 玻璃盖板的厚度 以。 上层e v a 胶膜的厚度 露， 太阳电池片的厚度 疋：下层e v a 胶膜的厚度 以铝背板的厚度 m m f扩散系数 m m 见热膨胀系数 t o n i g m m q 重力加速度 热流密度 r l f l n l q 吸热量 l l l n lc 比热容 1 i k 胧2 s 矽i m 2 形 ”k 魄x 、) 磊t p t 背板的厚度 n l l n c 才水的比热容t a ( k g 足) 丁 温度 死玻璃盖板温度 l环境空气温度 疋。上层e v a 胶膜的温度 耳y太阳电池片的温度 2下层e v a 胶膜的温度 瓦铝背板温度 写t p t 背板温度 水温 厅 p f 矿 铝板与冷却水间的热阻值 g r格拉晓夫数 r e 雷诺数 ”流速 y运动粘度 d当量直径 f局部阻力系数 以 沿程阻力水头损失 7 l ， 局部阻力水头损失 对流换热系数 聊的 工 管道总长 单位面积输出功率 时间 p流体的密度 w m 2 热扩散系数 h 姆聊3 v i m | s 扰2i s 肌 m 珑 m m 蠢f s k 足 k 足 足 k k k k c o n t e n t c o n t e n t 摘要i a b s t r a c t i i i n o m e n c l a t u r e c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 川川 i i l 1 1e n e r g yc r i s i sa n ds o l a re n e r g y su t i l i z a t i o np r o s p e c t 1 1 2s o l a rc e l l s p r i n c i p l ea n dt h ee f f i c i e n c y st e m p e r a t u r ee f f e c t 2 1 2 1s o l a rc e l l s p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o np r i n c i p l e 2 1 2 2t h et e m p e r a t u r ee f f e c to f t h es o l a rc e l l s e f f i c i e n c y 5 1 2 3h o wd o e st h i se f f e c th a p p e n 6 1 3t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dr e s e a r c hl e v e l so f p vm o d u l e s c o o l i n gh o m ea n da b r o a d7 】【4r e s o u r c e s ，r e s e a r c hp u r p o s e sa n dc h i e f c o n t e n t so f t h i st o p i c 1 1 c h a p t e r2t h es o l a rc e l l s p r i n c i p l ea n dp r o c e s so fw a t e rc o o l i n g 1 2 2 1c a l c u l a t i o no f s o l a rr a d i a t i o no nl e a n i n gp l a n e 1 2 2 2s o l a rc e l l s l a y e r ss t r u c t u r ea n dh e a tt r a n s f e re q u a t i o 璐14 2 3s o l a rc e l l s l a y e r sh e a tt r a n s f e re q u a t i o n s s o l v i n g 2 0 c h a p t e r3r e s e a r c h e so nc o o l - s t o r a g ep vm o d u l e si n n e r f l o wa n dh e a tt r a n s f e r 2 4 3 1c o o l s t o r a g em o d ep h o t o v o l t a i cm o d u l e sw o r k i n gp r o c e s s 2 4 3 2t 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c o o l i n gm o d ep v m o d u l e sb a c k p l a n em a t e r i a l s 5 4 5 1t h es e l e s t i o no ft h em o d u l e sb a c k p l a n em a t e r i a l 5 4 5 2t h et e s to fa c c e l e r a t ec o r r u p t i o n 5 5 5 3t h et e s to ft h e r m a ld i f f u s i o nc o e f 矗c i e n t 5 7 5 4t h et e s to f r e f l e c t i v i t ya n da b s o r p t i v i t y 。5 8 5 5c o n c l u s i o n 5 9 c h a p t e r6r e s e a r c h e so ns o l a rs e l l s c o o l i n gr e s o u r c e s 6 0 6 1t h ei n f l u e n c e so f c o o l i n gm e t h o d sa n dm e d i a sf o rs o l a rc e l l s 6 0 6 2c l a s s i f i c a t i o n sa n de o m p a r i s i o n so fc o o l i n gr e s o u r c e s 6 0 6 3t e s t sa n dc o m p a r i s o n so f c o o l i n gr e s o u r c e si ng u a n g z h o u 6 2 6 4c o n c l u s i o n j 6 4 s u m m a r yo ft h ef u l lt e x ta n d o u t l o o k r e f e r e n c e s 6 8 p u b l i s h e dp a p e r s d u r i n gt h es t u d yp e r i o d a c k n o w l e d g e m e n t x 7 1 7 3 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 能源问题与太阳能的利用前景 由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭，同时新的能源生产供应体系 又未能建立而在交通运输、金融业、工商业等方面造成的一系列问题，统称能源危机。 能源危机是当前全世界特别是中国正在面临的一项重大问题，以石油为例，根据经济 学家和科学家的普遍估计，到本世纪中叶，也即2 0 5 0 年左右，石油资源将会开采殆尽， 有报告显示，2 0 1 0 年底全球石油总计探明储量共计1 3 8 3 2 亿桶，日平均产量共计8 2 0 9 5 千桶，日均消费量累计达到8 7 3 8 2 千桶，按照这一速度计算，则2 0 1 0 年所探明的全球 石油储量将在4 3 3 年用尽。尤其在中国，2 0 1 0 年中国的已探明石油储量为1 4 8 亿桶， 日均消费量达到9 0 5 7 千桶，根据该报告对各种不同的能源所作出的统计，中国2 0 1 0 年所探明的石油、煤炭和天然气剩余储量可开采年限分别是9 9 年、3 5 年和2 9 年。【1 l 为了克服这一问题，目前美国、加拿大、日本、欧盟等国都在积极开发如太阳能、 风能、海洋能( 包括潮汐能和波浪能) 等可再生新能源，或者将注意力转向海底可燃 冰( 水合天然气) 等新的化石能源。其中太阳能成为可再生新能源中的重要部分，太 阳能的开发和利用是当前世界各国为应对能源危机所开展的一项重要课题【2 】【3 1 。 太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球 大气层，是地球上光和热的源泉。广义的太阳能包括地球上的风能、水能、海洋温差 能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能，因为它们都是来源于太阳；即使是地球上的 化石燃料( 如煤、石油、天然气等) 从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所 以广义的太阳能所包括的范围非常大，而狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光 电和光化学的直接转换。 太阳能的优点有： ( 1 ) 普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿， 都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。 ( 2 ) 无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越 来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 ( 3 ) 巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于1 3 0 万亿吨煤，其总量属 现今世界上可以开发的最大能源。 广东工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而 地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 太阳能的缺点有： ( 1 ) 分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。 ( 2 ) 不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以 及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的， 又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。 ( 3 ) 效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的， 技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说， 经济性还不能与常规能源相竞争。 太阳能的利用有光热利用和光电利用两种方式，尤其是太阳能发电，作为一种新兴 的可再生能源，正在日趋受到关注和重视。 1 2 太阳电池原理及效率的温度效应 1 2 1 太阳电池的光电转换原理 太阳电池是基于半导体的光生伏特效应( 光伏效应) 而制造出来的电力发生装置【4 1 。 典型的半导体元素是硅( s i ) ，它的原子核有1 4 个正电荷，核周围有1 4 个电子， 不同轨道电子离原子核的距离不同，所受引力不同，因而能量也不同，离原子核越近， 电子受到的约束力越强，电子自身具有的能量越小；而最外层电子受约束力最弱，电 子容易受到外界作用挣脱原子核的约束而成为自由电子。一般元素的最外层电子有8 个量子态，但由于硅的最外层只有4 个电子，因而还有4 个空量子态( 空能级) ，一 旦内层电子得到能量就可能跃迁到这些空能级当中去。 从晶体能带可见，由于晶体中原子的电子轨道的交叠和电子的共有化运动，使孤立 原子的n 个相同能级在晶体中分裂成n 个能量略有差别的不同能级，从而形成能带。 各个能带与单个原子的各个能级相对应，能量较低的常常被电子填满，凡是被电子填 满的能带称为满带，满带中能量最高的，即价电子填满的能带称为价带，空带中能量 最低的，即离价带最近的能带称为导带，各能带间的能带区域称为禁带。 2 第一章绪论 通常所说的禁带是指导带底与价带顶间的能量间隔，它们的能量差称为禁带宽度 ( e ，) ，简称带隙，它反映了使电子从价带激发到导带所需要的能量。从能带理论来 看，金属的禁带很窄或价带与导带重叠，绝缘材料的禁带很宽，一般在5 e v 以上，而 常用的半导体材料的禁带一般在5 e v 以下。 纯硅的导电率很低，而通过加入硼、磷等进行有控制的掺杂，就可达到改变纯硅 导电性的目的。如一个磷( p ) 原子对应一百万个硅原子的比例关系进行掺杂，由于磷 原子最外层电子数为5 ，但它与硅晶体结合仅需4 个电子，故而多出来的一个电子是准 自由的，在晶体中可以移动，从而形成电流。因为这种掺杂硅的载流子为负的 ( n e g a t i v e ) ，故而用磷或其他的5 价原子掺杂的硅被称为n 型硅。 类似的，硅片的另一面应当用硼( b ) 来掺杂。由于硼原子最外层电子数为3 ，硼 原子在硅晶格中缺少一个电子来与第四个相邻的硅原予结合，这个空缺被称为“空穴” 或“缺陷电子”。空穴在晶体中的移动( 其本质实为一个电子从相邻键合处跳到空穴处， 在其原来的位置形成一个空穴) 便形成了电流。因为这种掺杂硅的载流子为正的 ( p o s i t i v e ) ，故而这种掺杂硅被称为p 型硅。将p 型硅与n 型硅结合在一起就形成了 p - n 结”，p - n 结是半导体器件，也是太阳电池的核心。以上所述的电子以及空穴被称为载 流子。 根据太阳光谱实现光电转换的要求，由理论分析可以得出，一般太阳电池最常用 的半导体材料带隙在1 2 e v 之间，而在1 4 e v 左右可以获得最高的光电转换效率。半 一 导体材料分为直接带隙和间接带隙，直接带隙的半导体材料光吸收系数大，而间接带 隙的光吸收系数小，也就是说，吸收同样多的太阳光，间接带隙的半导体材料厚度要 比直接带隙厚得多。晶体硅材料是间接带隙材料，带隙的宽度为1 1 2 e v ，这个宽度与 1 4 e v 的最优值有着较大的差距，严格地说它并不是最理想的太阳电池材料，但是，由 于硅在地壳表层的含量极高，主要是以沙子和石英的形式存在，易于开采提炼，尤其 是随着近几十年来半导体产业的发展，晶体硅的生长、加工技术日趋成熟，晶体硅成 为太阳电池的主要材料。 光伏效应最早是由法国科学家e b e c q u e r e l 于1 8 3 9 年发现的，但是直至1 9 5 4 年， 美国贝尔实验室才制作出了具有实用价值的单晶硅太阳电池。 光伏效应的原理如图1 1 所示，当p 型硅和n 型硅相接时，将会在晶体中p 型与n 型材料之间形成界面，即一个p n 结，此时在界面层的n 型材料的自由电子与p 型材 3 广东工业大学硕士学位论文 料的空穴相对应，由于正负电荷间的吸引力，在界面附近的自由电子扩散到p 型材料 中，并且将在原子力的允许范围内，与p 型材料的电子缺乏实现平衡。与此相反，空 穴扩散到n 型材料中与自由电子复合，这样在界面层的周围形成一个无电荷区域，在 此之前，p 型材料和n 型材料是电中性的，这样通过界面层周野的电荷交换形成两个带 电区：通过电子到p 型材料的迁移在n 型区形成一个正空间电荷区，在p 型区形成一 个负空间电荷区。 图l 一1 晶体硅太阳电池原理示意 f i g u r e1 1s i n g l ec r y s t a ls i l i c o ns o l a rc e l l sp r i n c i p l e 当太阳电池接收光线照射时，具有足够能量的光子在p 型硅和n 型硅中将电子从共 价键中激发，以致产生电子空穴对，界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空 间电荷的电场作用而被相互分离，电子向带正电的n 区和空穴向带负电的p 区运动， 通过界面层的电荷分离，将在p 区和n 区之间产生一个向外的可测电压，此时可在硅 片的两边加上电极并接入电压表，对晶体硅电池来说，其开路电压的典型数值为 0 5 o 6 v 。另外，对于太阳电池而言，光电转换的过程只是在界面层附近才有效，因而 太阳电池光线入射的一面应该相应做得薄一些，以使光线能够几乎毫无衰减地到达乔 面层。 总之，在太阳辐照时，光子必须具有足够能量进入p n 结附近才能产生电子空穴 对，对晶体硅太阳电池来说，太阳光谱中波长小于1 1 9 m 的光线都可产生光伏效应， 对不同材料的太阳电池来说，尽管光谱响应的范围不同，但光电转换的原理却是一致 的。 4 第一章绪论 基于前述硅的光伏效应而制作成的太阳电池片，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太 阳电池等，图1 2 为单晶硅太阳电池单