太阳能电池原理与应用毕业论文.doc

南昌航空毕业 论文 设计 太阳能电池原理与应用毕业论文太阳能电池原理与应用毕业论文 目录目录 第一章 太阳能电池 1 1 1 1 太阳能的发展史 1 1 2 太阳能的特点 4 1 3 太阳能电池 5 第二章 太阳能电池的工作原理 8 8 2 1 半导体原理 8 2 1 1 能级 8 2 1 2 能带 8 2 1 3 本征半导体和掺杂半导体 10 第三章 太阳能电池材料与工艺 1313 3 1 太阳电池材料 13 3 1 1 材料提纯 14 3 1 2 拉单晶 15 3 1 3 切片 16 3 2 太阳电池工艺 16 3 2 1 硅片的表面准备 17 3 2 2 制结 17 3 2 3 除去背结 18 3 2 4 制作上 下电极 18 3 2 5 腐蚀周边 18 3 2 6 制减反射膜 19 3 2 7 检验测试 19 3 3 太阳电池组件 19 3 4 太阳电池发电系统 21 1 3 4 1 系统分类 21 3 4 2 系统构成 24 第四章 太阳能的应用 2626 4 1 太阳能热水器 26 4 2 太阳能与建筑一体化 28 4 3 太阳能干燥 38 第五章 总结与展望 3131 5 1 三大目标 3131 5 2 2010 年第四届世界太阳城大会 31 5 3 太阳能与建筑一体化 31 5 4 农村推广 31 5 5 公共建筑 32 5 6 税收扶持政策 32 总结 3333 参考文献 3434 谢辞 3535 南昌航空毕业 论文 设计 1 第一章第一章 太阳能电池太阳能电池 1 1 1 1 太阳能的发展史太阳能的发展史 人类主动利用太阳的历史大致可分为四个阶段 1 雏幼阶段 1920 这一阶段 太阳能利用表现为在某些特殊场合 特定条件下作为动力装置的应用 如 可追溯到公元前 11 世纪 距今 3000 多年 前 我们祖先发明了 阳隧取火 技术 所谓阳燧就是一种金屑的凹面镜 它能 汇聚阳光燃艾绒之类而取得火种 公元前 1 世纪 埃及的亚历山大城利用太阳能将空气加热膨胀而把水由尼罗 河抽到较高处 供农地灌溉用 1700 年 意大利人利用太阳热能熔解钻石 智利 的拉斯萨利纳斯地区 水的含盐量高达 14 若用蒸气锅炉谈化水则成本很高 这样要大量供给动物和人的饮用泼水便成了问题 1872 年 智利政府在离海岩约 110 km 的内陆地区建造了世界上第一个最大的太阳能蒸馏系统 占地面积约 4738m2 的太阳能蒸馏厂 把咸水变成谈水供给硝石矿用 该厂生产淡水可达 27t d 1882 年 8 月 6 日 A 皮佛雷在法国巴黎的马温尼印刷所用 3 5m 直径的一 面镜子反射阳光 使一台小型垂直蒸气机运转 虽然当天天空上有些云 但为节 日特地编辑的太阳杂志 按平均 500 本 h 的速度印 在下午 l 时至 5 时就印完了 1902 1908 年 H E 威尔西和约翰 博伊尔在美国加利福尼亚的圣路易斯 和尼翘尔斯造了 4 台太阳能蒸汽机 其中一台 4 5kw 和一台 15kw 的蒸汽机是靠 水和二氧化疏驱动的 1913 年 在埃及开罗以南建成由 5 个抛物槽组成的太阳朗水泵 每个长 62 5m 宽 4m 总采光面积达 1250m2 输出功率 75kW 第一次世界大战后 因 燃料便宜而末再使用 2 发育阶段 1920 一 1973 这一阶段 太阳能的利用途径 材料和 理论研究都得到了发展并且已渗透到了诸多项域 其产品的工业化 市场化有了 一定的进展 如 南昌航空毕业 论文 设计 2 1920 年 美国加州开始大量使用太阳能热水韶 1938 年 世界第一座实验用太阳屋完成 1940 年 太阳电池作为日照计使用 1949 年 在法国建造完成可产生 3500 C 高温的太阳炉 1954 年 由美国贝尔研究所的 Chapin 和 Pearson 试制成功了效率为 6 的 实用型硅太阳电池 为太阳能光伏发电大规模应用奠定了基础 同年 世界各国开始重视太阳能利用 成立了应用太阳能协会 AASE 每年 开一次会议 1955 年 俄国人 V B Baum 完成第一部太阳能吸收式冷冻机 一 天可制冰约 285kg 全世界第一次太阳能应用研讨会 1955 年在美国亚利桑那州召开 共 37 个因 家的 3 万人参加 1957 年 前苏联第 颗人造卫星 Spurmk 利用太阳电池作卫星电源 1958 年 美国发射的 先锋 1 号 人九地球卫星是以太阳电池做通信电源 为了防止因宇宙射线的影响而降低电池的发电能力 人们开始了深入的研究 可 以说 宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发 宇宙用太阳电池必需具有效率高 和重量轻的特点 同年中国开始研究太阳能电池 1960 年 世界上第 套太阳能氨 水吸收式空调系统在美国建成 制冷能力 为 5 冷吨 1961 年 一台带有石英窗的斯特林发动机问世 1971 年 中国一四 八所研制的硅太阳电池成功装备了中国卫星实践 2 号 1972 年 美国开始生产地面用太阳能光伏发电系统 电池组件价相 500 Wp 3 成熟阶段 1973 一 1996 这一阶段 太阳能光热 光伏两大主流 利用技术都已成熟 太阳能产业初步建成 其产品实现商业化 市场已培育起来 为下 阶段的飞跃奠定了基础 1973 年 美国成立了太阳能开发银行 促进太阳能产品的商业化 同时低价 格化的太阳电池开发成为研究的重点之一 1974 年 日本开始执行 阳光计划 1979 年 中国太阳能学会在西安成立 1986 年 美国建成 6 5MW 太阳电池电站 1987 年 单晶硅电池效率达 22 砷化镓电池达 24 非晶硅电池达 南昌航空毕业 论文 设计 3 14 8 带硅 多晶硅电池效率达 13 14 单晶硅组件效率达 16 1988 年 中国从加拿大引进铜铝复合太阳条带生产线 1988 年 美国用砷化镓 单晶硅复合结太阳电池在 100 多倍聚光条件下获得 32 高效率复合结电池 世界太阳电池年产量达 30MW 1990 年 美国高效砷化镓 单晶硅复合结太阳电池在 200 300 倍聚光条件下 效率达 37 多晶硅太阳电池效率达 18 世界太阳年产量达 46MW 组件价格 4 5 Wp 1995 年 世界太阳能电他产量达到 84 2MW 美国达到 34 8MW 美国太阳 能电池商业化组件的转换效率水平 单晶硅 多晶硅 非晶硅分别达到 14 0 13 0 和 6 0 1996 年在海拔 4500 米以上的世界屋脊西藏阿里地区 由我国研制的 1000Wp 太阳能光伏水泵系统投入运行 解决了人畜用水问题 4 飞跃阶段 1996 2050 这一阶段 太阳能的利用出现飞跃性发展 在这一阶段中 人类遇到了三大压力 能源消耗需求的增长 环保 可持续发展 近几年政府 科技 行业 市场的表现证实了这阶段的性质是属于飞跃性的 政府 1996 年 联合国在津巴布韦召开 世界高峰太阳能会议 会后发表了 哈 拉雷太阳能与持续发展宣言 会上讨论了 世界太阳能 10 年行动计划 1996 2005 国际太阳能公约 世界太阳能战略规划 等重要文件 1997 年 6 月 美国总统克林顿宣布到 2010 年实现 百万太阳能屋顶计划 1997 年 日本政府宣布实施 7 万屋顶计划 1997 年 12 月 印度政府宣布在 2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶计划 1998 年 意大利政府开始实行 全国太阳能屋顶计划 量 50MWp 1998 年德国提出 10 万屋顶计划 中国政府制定了 新能源和可再生能源发展纲要 1996 2010 科技 1998 年 美国太阳能飞机飞上高空 2000 年 美国 Vlonment 航空公司宣称 未来的通讯可能将不再依赖昂贵的卫星 转而依靠更廉价的太阳能遥控飞艇 正 在开发新飞艇 太阳神 赫利俄斯 号预计将于 2003 年问世 该公司在美国 国家航空航天局的帮助下 已研制开发出 百夫长 太阳能遥控飞艇 并在美 国国家航空航天局德赖登飞行研究中心成功地进行了试飞 百夫长 可携带 272 南昌航空毕业 论文 设计 4 千克有效荷载 与一颗普通卫星的有效荷载相同 它可作为现在广泛应用于商业 军事 环保 科研 尤其是远程通信太空卫星的取代品 现在发射一颗卫星的费 用至少需要 1 亿美元 而配置一艘太阳能飞艇只需 500 万一 1000 万美元 而且 一位领航员能同时遥控好几架飞艇 其有效荷载易于升级 2000 年 6 月 在澳洲 研制和建造的世界第一艘太阳能和风力发电的双体船 星期日 25 日 在悉尼港启 航 市场 太阳能光伏发电 见表 1 1 表 1 1 近年世界光伏组件销售量 MWP a 时间19951996199719981999 售量81 088 5122 0157 4200 增幅 9 337 92927 1 太阳能热水器 据不完全统计 1992 年中国太阳能热水器销售量超过 50 万 m2 1997 年达 350 万 m2 1998 年销售量增长 20 多 工业发达国家太阳能利用的普及率达 20 左右 而中国及绝大多效发展中国 家的普及率不足 1 其发展空间可想而知 窥一斑而可知全貌 近来 世界上一些著名分析预测研究机构 跨国公司 太阳能专家和国家政 府纷纷预测 认为 2l 世纪中叶即 2050 年前后 太阳能 含风能 生物质能 在世 界能源构成中将占 50 的份额 那时太阳能将成为世界可持续发展的基础能源 1 1 2 2 太阳能的特点太阳能的特点 随着社会的发展和人类文明进步 太阳能将会扮演愈来愈重要的角色 之所 以如此 是因为它有许多独到之处 太阳辐射能与常规能源及核能相比有下列几 个特点 1 1 太阳能的广泛性 太阳能的广泛性 太阳辐射到处皆是 就地可用 无需运输或输送 可算是取之不尽 用之不 竭的巨大的源 这对于山区 沙漠 海岛等落后的偏僻边远地区更显示出它的优 越性 用户只要一次投资建造好太阳能系统之后 平时的维持费用远比其它任何 能源都小得多 2 2 太阳能的清洁性 太阳能的清洁性 南昌航空毕业 论文 设计 5 矿物燃料在燃烧时会放出大量的各种气体 核燃料工作时要排出放射性废料 它们都会使环境受到污染 利用太阳能可以大大减少环境污染 因此称太阳能为 清洁能源 3 3 太阳能的间歇性 太阳能的间歇性 太阳能高度角一日及一年内在不断变化 且与地面的纬度有关 即使没有气 象的变化 太阳辐射的变化也相当大 就一地而论 一天 24 小时内太阳辐照度 变化很大 再加上气象变化如阴雨天日照更少 因此太阳能的可用量是很不稳定 的 也就是说随机性性很大 当利用太阳能发电时 一般配备相当容量的储能设 备 如蓄电池组等 这不仅增加设备及维持费用 而且也限制了功率的规模和降 低了整个系统的效率 4 4 太阳能的永久性 太阳能的永久性 太阳辐射已经进行了几十亿年 据估计太阳的寿命大约仍有 5 109年 因此 相对而言可以认为它是 个永久性能源 总的来说 利用太阳能有其巨大的优点 但也有严重的缺点 因此在考虑太 阳能利用时 不仅废从技长方面考虑 还应从经济 环境保护 生态 居民福利 特别是国家建设的整体方针来全面考虑研究 1 1 3 3 太阳能电池太阳能电池 太阳能电池是一种利用光电转换效应把光能转变为电能的器件 也称光伏器 件 一般来说 这种效应是指吸收光能 产生电动势的现象 太阳能光伏发电系 统包括太阳能电池 组件 蓄电池 控制器和逆变器 其中又以太阳能电池 组件 最为重要 图 1 1 图 1 2 是太阳能电池的外形和结构示意图 南昌航空毕业 论文 设计 6 图 1 1 太阳能电 南昌航空毕业 论文 设计 7 图 1 2 太阳能电池结构示意图池 南昌航空毕业 论文 设计 8 第二章第二章 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理 太阳电池的原理 是光电转换效应 一般来说 这种效应是指吸收光能 产 生电动势的现象 不仅是固体 在液体 气体中也常常可以观察到 但是从产生 能量观点来看 光电转换效应 有效的只是固体 特别是半导体 因此这里以半 导体为例说明太阳电池的工作原理 2 2 1 1 半导体原理半导体原理 理论上讲 无论是固体 液体还是气体都有一定的将光转换为电的能力 但 转换能力的差别极其大 可能差几个 几十个或几百个数量级 在固体中 尤其 在半导体内 其光电转换的效率相当高 人们把太阳辐射光直接转换为电能的器 件称为太阳电池 太阳电池是一固态半导体器件 它完全依靠内部的固体结构实 现光转换为电的 没有任河活动部件 2 1 12 1 1 能级能级 从 物理学 中我们知道原子的结构是以壳层形式按 定规律分布的 原子 的中心是一个带正电荷的核 核外存在着一系列不连续的 由电子运动轨道构成 的壳层 电子只能在壳层里绕核转动 在稳定状态 每个壳层里运动的电子具有 定的能量状态 所以一个壳层相当于一个能量等级 称为能级 一个能极亦表 示电子的一种运动状态 所以能态 状态和能级的含义相同 原子中电子的运动 状态 能级 由四个量子数来确定 分别是主量子数 n 副 角 量子数 l 磁量子 数 m 和自旋量子数 ms 2 1 22 1 2 能带能带 固体中原子的能级结构和孤立原子的不同 形成所谓 能带 能带的形成 是固体中原子相互影响的结果 从量子力学的观点来看 原子中电子本无确定的 轨道 之所以使用轨道一词 实际上是指电子出现几率较大之处 所谓内层轨道 是指在原子核附近电子出现几率较大之处 而外层轨道则指在原子核外围电子出 现几率较大之处 电子在原子中的运动状态是由 n l m ms 决定的 并且可以用能级来描 绘电子所可能的运动状态 例如 锗原子中电子的分布情况可以用 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2来描述 如图 2 1 所示 最内的电子 壳层 n 1 l 0 有 2 个电子 第二个电子壳层有两个分层 n 2 l 0 1 分别有 2 个和 6 个电子 依次类推 能级如图 2 2 所示 对于不同的电子壳层 南昌航空毕业 论文 设计 9 能级之间的能量差值较大 而相应于同一电子壳层的不同分层 能级之间的能量 差值较小 在锗原子中 第一 第二和第三电子壳层是填满的 与原子核距离较 近 结合也较牢固 称为内 层 电子 而第四 电子壳层是未填满的 距离原子核较远 结合也最弱 未填满电子的最外壳层中的电子数决定这一元素的化学性质 这些电子称为 价电子 价电子所处的基态能级叫做价级 价电子经激发后 可以跃迁到价级以 上的空能级中去 这些空能级称做激发能级 相应于激发层轨道 为简单起见 在图 2 2 中价级只画一条横线来表示 图中最上方是游离级 表示电子可以自 由运动的游离状态 在晶体中 如果认为各个原子是完全孤立的 那么 各个原 子的相应能级的能量应完全相等 换句话说 相应的能级重叠在 起 成为简并 能级 但事实上当原子结合为晶体时 每一原子中的价电子除受本身原子核及内 层电子的作用外 还受到其它原子的作用 当原子相互接近形成晶体时 不同原 子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠 相邻原子最外壳层交叠最多 内 壳层交叠较少 原子组成晶体后 由于电子壳层的交叠 电子不再完全局限在某 一个原子上 可以由一个原子转移到相邻的原子上去 因而 电子将可以在整个 晶体中运动 这种运动称为电子的共有化运动 应该指出 因为各原子中相似壳 层上的电子才有相同的能量 电子只能在相似壳层间转移 所以共有化运动是指 不同原子中的相似轨道上的电子的转移 例如 2p 支壳层的交叠 3s 支壳层的交 叠 如图 2 3 所示 也可以说 结合成晶体后 每一个原子能引起 与之相应 的共有化运动 例如 3s 能级引起 3s 的共有化运动 2p 能级引起 2p 的共 有化运动等等 由于内外壳层交叠程度差异较大 所以 只有最外层电子的共有 化运动才显 由于电子共有化运动 当 N 个原子相接近形成晶体时 原来单个原子中每个 能级分裂成 N 个与原来能级很接近的新能级 而电子则具有某一新能级的能量 在晶体点阵的周期性场中运动 在实际晶体中 原子数目 N 非常大 同时新能级又与原来能级非常接近 所 以两个相邻的新能级间能量差非常小 其数量级是 10 22eV 几乎可以认为是连续 的 这 N 个新能级具有一定的能量范围 故称为能带 可见 能带是能级分裂的 结果 如图 2 4 所示 能级分裂形成的能带有两个特点 1 能带内电子的能量是连续变化的 或者说电子的能态是连续分布的 在孤 立原子内 核外电子绕核运动 受原子核束缚 电子只能取一系列不连续的能量 南昌航空毕业 论文 设计 10 状态 形成一系列分立的能级 量子化 原因是作用于电子的粒子数很多 且 又分布在它的四周空间 2 原来的一个能级分裂成一个能带 不同的能级分裂成不同的能带 价电子共有化运动形成一个能带 使其处于价级分裂后的这些能级上 价电 子这样的能带 叫做价带 价带的宽度约为几个电子伏特 eV 如果价带中所有 的能级都按泡利不相容原理填满了电子 则成为满带 激发能级也同样分裂成为能带 一般地讲 激发能带中没有电子 所以称做 空带 但是价电子有可能经激发后跃迁到空带中而参与导电 所以空带亦称导带 或自由带 在两个相邻的能带之间 如满带与导带之间 可能有一个不被允许的 的量间隔 此间不存在能级 这个间隔称为禁带 电子不具有禁带范围内的能量 需指出 许多实际晶体的能带与孤立原子能级间的对应关系并不都象上述的 那样简单 因为一个能带不一定同孤立原子的某个能级相当 即不一定能区分 s 能级和 p 能级所过渡的能带 例如有时两个分立的能级会互相交杂 或变为互相 叠合的能带而禁带消失 或分裂为另外两组能带 这种过程称为轨道的杂化 许 多实际晶体存在轨道杂化现象 2 1 32 1 3 本征半导体和掺杂半导体本征半导体和掺杂半导体 本征半导体纯净半导体的禁带一般都比较窄 在绝对温度零度时 能带结构 如图 2 5a 所示 满带中填满电子 而导带中没有电子 在外电场作用下 如果 满带仍然是填满电子的 外电场不能改变满带中电子的量子状态 也就是不能增 加电子的能量和动量 因而不能产生电子的定向运动 不会产生电流 如果加强 电场 或者利用热或光的激发 使满带中的电子获得足够的能量 大于其禁带宽 度 Eg 而跃迁到导带中去如图 2 5b 这样 半导体则可导电 需要说明 不但 在导带中构成了导电的条件 同时在满带中也构成了导电条件 在导带中 由于 自由电子的存在而引起的导电性 称为电子导电性 在满带中 导电虽然是由于 电子运动而引起的 但是性质与电子导电的情况有所不同 它是 空穴 空穴 只有在基本上填满了的满带中才有意义 的反方向运动导电的 满带中的这种导 电性 称为空穴导电性 对于纯净的半导体 在电子导电的同时 必然也有空穴导电 这两种导电机构所给出的电流都在外电场的方向上 这种半导体具有电子在 导带中和空穴在满带中相互并存的导电机构 称为本征导电 具有本征导电的半 南昌航空毕业 论文 设计 11 导体称为本征半导体 简单地说 绝对纯净的且没有缺陷的半导体称为本征半导 体 如硅 锗 研等都是这一类的半导体 非常纯的硅是本征硅 在本征硅中 导电的电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的 这时的电子浓度 n 等于空穴浓 度 p 这个浓度称为本征载流子浓度 n1 n1随温度升高而增加 随禁带宽度的增 加而减小 在室温时硅的 n1约为 1010 cm3 掺杂半导体 根据需要可以在纯净半导体晶体点阵里 用扩散的方法掺入少 量的其他元素的原子 所掺入的原子 对半导体基体而言 叫做杂质 掺有杂质 的半导体 称为掺杂半导体 掺杂半导体一般可以分为两类 第一类是在四价元素如硅或锗半导体中掺入少量的五价元素如磷 锑或砷等 杂质 四价元素的原子具有四个价电子 而所掺入的杂质原子将在晶体中替代硅 或锗原子的位置 构成与硅或锗相同的四电子结构 结果杂质原子成为具有净正 电荷 e 的离子 所多余的一个电子在杂质离子的电场范围内运动 理论计算证 明这种多余的价电子的能级将在禁带中 而靠近导带的边缘 因此 这种能级又 称为局部能级 这种掺杂半导体的能带与局部能级如图 2 6a 所示 靠近导带的 短细线表示杂质的多余电子在禁带中所形成的掺杂局部能级 杂质价电子在局部 能级中 并不参与导电 但是 在受到热激发时 很容易跃迁到导带中去 所以 这些局部能级又叫做施主能级 用 ED表示 半导体施主能级与导带底 Ec 之间的 能量差值 ED 显然比禁带宽度 Eg 小得多 根据实验的结果 ED的量值一般 仅为百分之几的电子伏特 温度不必很高 施主能级中的电子就可被激发而跃迁 到导带中去 因此 这种半导体中杂质原子的数目虽然并不多 但是在常温下导 带中的自由电子浓度 却比同一温度下纯净半导体导带中的自由电子浓度要大好 几倍 这就大大地减小了半导体的电阻 这种半导体的导电机构是由杂质中多余 电子经激发后跃迁到导带中去而形成的 这种掺杂半导体通常称做电子型 n 型 半导体 例如在硅中加入 V 族元素 如磷 以后 见图 2 7a 在硅的晶格中的一 个磷原子的四个电子与周围四个硅原子的电子形成共价键 还剩一个价电子不能 被安排在硅晶格正规价键结构中 因此游离而使磷原子电离 这样磷在硅中的电 离能比硅的禁带宽度小很多 只有 0 044eV 室温下硅原子的热运动动能已足以 使它电离 除非在高搀杂情况 浓度 1019 cm3 硅中的 V 族元素在室温下全部 电离而提供同等数量的导电电子 这种提供电子的杂质称为施主 在室温下可以 认为电子浓度 n ND ND为施主浓度 南昌航空毕业 论文 设计 12 第二类掺杂半导体是在硅或锗的纯净晶体中 掺人少量的三价元素如硼或铟 的杂质原子 在硅中加进 族元素 如硼 以后 一个硼原子在晶格中与周围四个 硅原子构成共价健时 缺少一个价电子 因而很容易从别处夺来一个价电子自身 电离成负离子 如图 2 7b 所示 那么也就可以认为硼原子带着一个很易电离的 空穴 电离能为 0 045eV 这种杂质局部能级接近于价带顶 Ev 价带与杂质局部能级之间的能 量差值 EA 根据实验结果 一般也不到 0 1eV 热运动动能就可使空穴跳至价 带 在室温下硅中的 族元素原子将全部电离 而向价带提供了同等数量的空穴 在半导体中 从半导体接受电子的杂质称为受主 与之相应的能级称为受主能 级 用 EA表示 这种杂质半导体的导电机构基本上决定于价带中空穴的运动 所 以称为空穴型 p 型 半导体 p 型半导体中空穴浓度较纯净晶体中空穴浓度增加 几倍 所以也大大地减小了半导体的电阻 全部电离时 空穴浓度 p NA NA为 受主浓度 实际半导体中 不同的杂质和缺陷都可能在禁带中产生附加的能级 价带中 的电子先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去 比电子从价带直接跃迁到导 带去来得容易 因而虽然有少量杂质存在 却会显著地改变导带中的电子数和价 带中的空穴数 从而显著地影响半导体的电导率 适当的杂质可使我们得到需要 的导电类型 但是 不适当的杂质也可以使半导体成为废物 因而在掺杂之前必 须将半导体提纯 南昌航空毕业 论文 设计 13 第三章第三章 太阳能电池材料与工艺太阳能电池材料与工艺 太阳电池是 1954 年由 D M 查平 C S 富勒和 G L 皮尔逊发明的 在 此之前 就有铜 氧化铜等光电池 但是 其光电转换效率还不到 1 太阳电 池发明初期主要作为电源用在太空卫星上 由于地球上矿物能源有限 并日趋枯 竭 引起了人们对在地面上应用太阳电池的浓厚兴趣 由于光电系统不必将能转 变成热能再转变成动能因而不受卡诺循环限制 并且 这种只靠阳光照射直接产 生电能的装置还可利用太阳漫射辐射 本身重量经 无活动元件 使用安全 天 热无气无放射性 单位质量有相当大的功率输出 适宜大型或小型发电 转换效 率与电池大小无关等等 所以 尽管目前价格还比较贵 但随着生产技术和效率 的改进 元件的成本将不断下降 已有越来越多的专家们正在努力尝试将太阳电 池应用于太阳光发电 不少国家都制定了各种研究计划 近年来也有不少进展 它很可能成为人类未来的主要电力来源 3 3 1 1 太阳电池材料太阳电池材料 笼统地讲只要能以较高的光伏转换效率且可以保持较低的生产成本的材料都 可考虑用作太阳电池材料 而在考虑了材料的储量 工艺性等一系列因素后 目 前用于作为太阳电池材料的元素并不多 因此 相应的太阳电池主要有 硅 Si GaAs Cds Cu2S Cds CdTe CdS InP CdTe Cu2Te 无机 有机等 太阳电池 在太阳能光伏发电应用中 硅太阳电池占了绝大部分 甚至可认为是 一统天下 硅太阳电池又进一步分为单晶硅 多晶硅和非晶硅太阳电池 所谓单晶硅是 指硅电池材料的结构为单 晶体 一块晶体从头至尾晶格都按一种排列重复 而 由许多微小单晶颗粒杂乱地排列在一起的称为多晶硅 非晶硅则其材料内部结构 无规则 因此 非晶硅也常称为无定形硅 在当前太阳电池的实际应用中 单晶硅电池是最成熟 工业化程度最高 应 用面最广和产量最大的太阳电池 因此 对单晶硅太阳电池的材料制作及生产工 艺作一介绍以期达到触类旁通的效果 图 3 l 是硅太阳电池生产全过程 南昌航空毕业 论文 设计 14 a 硅片工序 b 电池制造工序 图 3 1 硅太阳电池生产全过程 3 1 13 1 1 材料提纯材料提纯 硅是地球外壳第二丰富的元素 其含量占地球的 27 提炼硅的原始材料是 SiO2 也是砂子的主要成分 然而 在目前工业提炼工艺中 采用的是 SiO2的结 晶态即石英岩 优质石英砂 也称硅砂 我国的山东 江苏 湖北 云南 内蒙 海南等地都有分布 其工艺流程如下 南昌航空毕业 论文 设计 15 用电弧妒冶炼出冶金硅 其反应式 世界上每年生产上百万吨冶金硅 主要用于炼钢和炼铝工业 所以冶金硅亦 称工业硅 其纯度通常为 95 一 99 2 半导体级硅 用于太阳电池或其他半导体器件的硅 其纯度级比冶金级 更高 提纯硅的方法采用西门子工艺 冶金级硅被转变为挥发性的化合物 接着 采用分馏方法将其冷凝并提纯 然后从这种精练产品中提取超纯硅 其过程 用 HCl 把细碎的冶金级硅颗粒变成流体 用铜催化剂加速反应进行 释放出的气体通过冷凝器 所得到的液体经过多级分溜得到半导体级 SiHCl3 三氯氢硅 这是硅酮工业的原材料 为了提取半导体级硅 可加热混合气体 使半导体级的 SiHCl3被 H2还原 在此过程中 硅以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上 其反应式 用上述方法可以获得较高纯度的多晶硅 它是当前制备电路级硅的主要方法 此过程不仅需要消耗大量的能量 而且产生率较低 约为 37 这就是生产半导 体级硅比生产冶金级硅所需耗能量增加很多的主要原因 在这个转化过程中 成 本增加则更大 因此 更有效地提纯冶金级硅一直是改进工艺的主要目标 高纯多晶硅需要进行掺杂才能得到所需导电类型和电阻率的硅材料 选择掺 杂剂要考虑以下几点 1 杂质导电类型 2 固溶度 3 分布性 4 与晶格匹配度 5 电离度 为了防止掺杂剂在掺过程中大量升华损失 往往事先将掺杂剂做成含量稳定 的母合金再行熔化 3 1 23 1 2 拉单晶拉单晶 对于太阳电池制造或半导体电子工业 硅不仅要很纯 而且应是晶体结构中 南昌航空毕业 论文 设计 16 基本上没有缺陷的单晶硅形式 几十年来制造高纯单晶硅的方法几乎没有理大突 破 工业生产普遍使用的只有两种方法 直拉工艺 Cz 法 Czochralski process 切克劳斯基法 和区熔工艺 1 直拉法 将多晶硅在石英坩埚中加热熔化 用一小块称作籽晶的单晶体 结晶源 硅与熔融硅接触 然后一面旋转一面从熔体中拉出 使液体硅沿籽晶这 个结晶中心和结晶方向生长出完整的单晶体 经改进的工艺方法用图 3 2 示意 它可使结晶大口径化 并能连续拉出数 条单晶锭 图 3 2 利用熔融液输送法连续拉单晶 2 区熔法 利用分凝现象 在没有坩埚盛装的情况下 高频感应加热多晶 硅棒的局部产生一个熔区 并使这个熔区定向移动 由此提纯 掺杂 并获得单 晶硅 区熔法特点是能提高纯度 减少含氧量及晶体缺陷 3 1 33 1 3 切片切片 用直拉法或区熔法制成的单晶硅锭要切成薄片 主要切片方法有 a 外圆 切割 b 内圆切割 c 多线切割 d 激光切割等 因为硅的硬度为 7 所以除 激光切割外 其它切割工具都要有金刚砂刀口或作为切割添加剂 精度较高 的为内圆切割 激光切割一般用于解高纯硅 单晶或多晶硅片一般厚度为 0 3 0 5mm 切片损失约 50 为了使薄片厚度尽量变薄 并减少切割时的材料损失提高材料利用率 国际 先进水平采用多线切割 3 3 2 2 太阳电池工艺太阳电池工艺 太阳电池 按照其用途分为两大类 一类是空间用太阳电池 另一类是地面 南昌航空毕业 论文 设计 17 用太阳电池 图 3 3 是这两类太阳电池的构造 空间太阳电池的特点是重量轻 单位面积效率高 同时 太阳电池在宇宙空间必须经受比地面上强得多的辐射 因此空间用太阳电池必须具有很好的防辐射性能 另外 对于发向宇宙空间的人 造卫星来说 要在使用中进行修理是十分困难的 因此 要求有非常高的可靠性 图 3 3 a 的形状和构这是满足这些要求的结构 地面用太阳电池 最主要是价格低 因此 生产过程要尽可能简单化 材料 损失少 因此 地面用太阳电池多做成圆形 a 宇宙用太阳电池 b 地面用太阳电池 图 3 3 太阳电池构造 以单晶硅太阳电池生产工艺为例作一介绍 3 2 13 2 1 硅片的表面准备硅片的表面准备 在切片 研磨和抛光过程中 均使晶片表面产生一层损伤层 尤其在切片和 研磨过程中 晶片表面形成一个晶格高度扭曲层和一个较深的弹性变形层 它将 对电池性能造成不良影响 硅片的表面准备主要包括 1 1 硅片的化学清洗硅片的化学清洗 以除去沾污在硅片上的各种杂质 2 2 表面腐蚀表面腐蚀 除去硅表面的切割损伤 获得适合制结要求的硅表面 3 3 绒面制备绒面制备 绒面状的硅表面是利用硅的各向异性腐蚀 在每平方厘米硅 表面形成几百万个四面方锥体 如图 3 4 所示 由于入射光在表面的多次反射 和折射 增加了光的吸收 提高电池的短路电流和转换效率 这种表面的反射率 很低 故绒面电池也称为黑电池或无反射电池 制结前硅表面的性质和状态对结特性影响很大 从而影响成品太阳电池的性 能 故应十分重视 3 2 23 2 2 制结制结 制做 p n 结的过程就是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层 它是 南昌航空毕业 论文 设计 18 电池制造过程中的关键工序之一 制 p n 结的方法有许多种 加热扩散 离子注 入 外延 激光及高频电注入法等 图 3 4 绒面硅表面 3 2 33 2 3 除去背结除去背结 在掺杂制结过程中 往往在电池侧面及背面也形成了 p n 结 所以在其以后 的工序中 要除去电池的侧面 背面的结 及表面的氧化层 除去背结常用的有 三种方法 化学腐蚀 磨砂 或喷砂 和蒸铝烧结法 3 2 43 2 4 制作上 下电极制作上 下电极 制作电极也是制造太阳电池的关键工序之一 为了使硅太阳电池产生的电能 可以输出 必须在电池上制作正 负两个电极 以便其产生的电能可汇集流出 在常规 p n 结电池中 电极与半导体之间必须是欧姆接触 这样才能有较高的导 电率 与 p 型区接触的电极是电流输出的正极 与 n 型区接触的电极是电流输出 的负极 习惯上把制作在电池光照面的电极称为上电极 把制作在电池背面的电 极称为下电极或背电极 上电极通常制成窄细的栅线状以克服扩散层的电阻 并 由一条较宽的母线来收集电流 下电极则布满电池背面的全部或者绝大部分 以 减小电池的串联电阻 3 2 53 2 5 腐蚀周边腐蚀周边 经过扩散的硅片 在硅片的周边表面也可能有不同程度的掺杂 形成扩散层 南昌航空毕业 论文 设计 19 周边扩散层若不去掉 将会使电池的上 下电极形成短路环 必须除去它 这个 工序对电池制作特别重要 周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻 下降 以至成为废品 并联电阻下降还可能是由于 p n 结的其它局部微小短路 在制造电池的工艺流程中 通常都在制得电极后腐蚀周边 上电极和下电极 都是真空蒸镀的 在钎焊焊锡后腐蚀周边 否则在腐蚀周边之后才钎焊 有的周 边扩散层已在腐蚀除去背结的同时一起除去 一般可以省去这一工序 少数有局 部短路现象的电池仍需要腐蚀周边以恢复输出特性 腐蚀周边的方法比较简单 只要将硅片的两面掩蔽好 在硝酸 氢氟酸和醋 酸组成的腐蚀液中腐蚀半分钟至一分钟 腐蚀后用水洗净 再移去掩蔽 即告完 成 3 2 63 2 6 制减反射膜制减反射膜 硅片经过扩散到腐蚀周边的工序以后 已具备一定的光电转换能力 但是 由于光在硅表面的反射 使光损失约 11 即使是绒面的硅表面 也损失约 1 3 如果在硅表面有一层或多层合适的薄膜 利用薄膜干涉原理 可以使光的 反射大大减少 电池的短路电流和输出就有很大增加 这种膜称为太阳电池的减 反射膜 3 2 73 2 7 检验测试检验测试 经过上述工序制得的电池 需进行检验 测试以取出其质量性能合格者 方 可作为成品入库出厂 在生产中主要测试电池电性能的指标是 电池的伏 安特 性曲线 从它可以得知电池的短路电流 开路电压 最大输出功率 串联电阻及 转换效率等参数 3 3 3 3 太阳电池组件太阳电池组件 太阳电池作为地面电源应用时 原封不动地采用单体电池的情况极其罕见 一般为达到适合电源设计的电压 电流持性 总是预先将若干单体电池串联 并 联或串 并联联接起来 以达到要求 为能经受严酷的自然环境的考验 将它们 组装成由各种封装保护的单元结构 这样的单元结构称作太阳电池组件 1 1 构造组件 构造组件 单体太阳电池不能直接做电源使用 作电源用必须将若干单体电池串 并联 连接和严密封装成组件 其理由 1 单体电池是由硅单晶或多晶材料制成 薄而脆 不能经受较大力的撞击 硅单晶电池片的破坏应力经测量约为 12 102kg cm2 使用时若不加保护则极易 南昌航空毕业 论文 设计 20 破碎 2 太阳电池的电极 尽管在材料和制造工艺上不断改进 使它能耐湿 耐 腐蚀 但还不能长期裸露使用 大气中的水份和腐蚀性气体缓慢地锈蚀电极 逐 渐使电极脱落 使电池寿命终止 为此必须将电池与大气隔绝 3 单体硅太阳电池的最佳工作电压约 0 42 0 43V 远不能满足一般用电 设备的电压要求 这是硅元素本身性质所决定的 单体电池的尺寸受到硅材料尺 寸的限制 输出功率很小 目前实际应用的最大尺寸的单体太阳电池的直径已超 过 15cm 峰值功率超过 2W 2 2 太阳电池组件的结构形式 太阳电池组件的结构形式 1 平板式组件 见图 3 5 2 较璃壳体式组件 见图 3 6 3 底盒式组件 见图 3 7 4 全密封组件 见图 3 8 图 3 5 平板式电池组件 南昌航空毕业 论文 设计 21 图 3 6 玻璃壳式电池组件 图 3 7 底盒式电池组件 图 3 8 全密封式电池组件 3 3 4 4 太阳电池发电系统太阳电池发电系统 太阳光伏发电作为动力使用 因其电特性输出与常规电力差异较大且除供给 常规电负载外 有时还供给适合自身特点的一系列部件 根据不同情况把这些用 电负载或部件与若干太阳电池组件按设计要求组合起来构成了太阳能光伏发电系 统 3 3 4 4 1 1 系统分类系统分类 1 1 按采光方式分类按采光方式分类 它是指太阳电池方阵 或电池板组 获取阳光的方式 南昌航空毕业 论文 设计 22 大致可分为如下两大类 太阳电池组件平板式采光 固定式 包括可调倾角式 单轴跟踪式 全跟踪式 聚光式 组合板跟踪式 转盘式 固定焦点跟踪式 透过型聚光式 反射型聚光式 移动焦点跟踪式 太阳电池组件平板式采光 它不需要聚焦太阳光 而让太阳光直接入射到太 阳电池表面 聚光式采光无论是采用透镜式还是采用反光镜式 目的都是使太阳电池在聚 焦的高能量密度的太阳光下工作 2 2 按发电容量分类 按发电容量分类 1 小规模发电系统 太阳电池方阵的峰值功率约在数 10kWp 以下 主要用作 独立电源 家庭用电等 它们足分散的发电方式 利用现有的建筑物或空地 发 电场所离负载很近 不需要直流输电线 2 大规模发电系统 太阳电池方阵的峰值功率在数 100kWp 以上 主要用于 工厂 村庄和群体集住地等 它们是以集中的发电方式供电的 由于规模大而成 本低 容易维修 系统可靠性高 并且还可与公共电网联网等 3 中规模发电系统 太阳电池方阵的峰值功率约在数 10kWp 至数 100kWp 范 围内 主要用于学校 医院等 它介于小规模与大规模之间 3 3 按安装形式分类按安装形式分类 太阳能光伏发电系统按形式分类类 可分为分散式与 集中式 其各自构成与特点如图 3 9 和表 3 1 所示 南昌航空毕业 论文 设计 23 a 分散式 b 集中式 图 3 9 分散式 a 与集中式 b 发电系统的构成 表 3 1 安装形式的比较 安装形式摘要优点缺点 分散方式 中规模发电 公共设 施 学校 工厂 小规模发电 个人住 宅 不需要直流输电线 土地的利用效率较高 需要较多 DC AC 变 换器和控制器与连接 装置 集中方式 中规模发电 大规模发电 成本较低 容易维护 等 系统可靠性高 土地利用率低 需较长的输电线 效率较低 4 4 按外围设备分类按外围设备分类 太阳能光伏发电系统也可根据图 3 10 所示的蓄电装 置 交直流变换装置以及连接装置的有无进行分类 如表 3 2 所列 南昌航空毕业 论文 设计 24 表 3 2 按外围设备分类 主要用途蓄电池DC AC 变换装置连接公共交流网 直流水泵灌溉系统XXX 无线电中继站 灯塔 路灯等 X 或 X 交流水泵灌溉系统等X X 村庄 岛屿用电源系统等 X 住宅应用的发电系统等X 或 X 或 X 或 考虑独立运转的发电系统等 X 或 X 或 注 表示需要 图 3 10 发电系统的构成实例 3 3 4 4 2 2 系统构成系统构成 1 1 太阳电池方阵太阳电池方阵 它是由若干太阳电池组件根据不同要求按照串联并联方式组合构成的 它还 包括了支架接线盒等 对于千瓦以上的系统 一般太阳电池方阵要分为几个子方 阵 方阵的功能是将捕获到的太阳辐射的光能直接转换成直流电能输出 南昌航空毕业 论文 设计 25 图 3 11 太阳电池发电系统构成框图 2 2 储能装置储能装置 大部分应用系统使用的是铅酸蓄电池及硅胶蓄电池 重要场合 也有用镍镉蓄电池的 一般由几个蓄电池组构成 如果不采用适当的储能调节装 置 就不能期望很好地发挥太阳电池发电系统的效率 作为弥补这种电力需求的 特性曲线与太阳电池发电系统输出特性之间不协调的方法 逗重点开发对象首先 是蓄电池 其次是与将来氢能系统有关的燃料电池 3 3 调控装置调控装置 在不同的太阳电池发电系统中的调节与控制装置亦各不相同 主要由电子元器件 仪表 开关等组成 较简单的装置功能有 防止反冲或隔离 防过冲 防过放 稳压等 复杂些的功能还要有自动监测 控制 转换 电压调 节和频率调节等 在交流负载中蓄电池组与负载之间须配备逆变器 它是将太阳 电池方阵或蓄电池组供给的直流电能逆变成 220V 或 380V 的交流电能以供给负载 的 用于该目的的逆变器一般应满足 电压精度 2 以内 频率精度 1 以内 波形畸变率 3 5 效率 80 噪声 60dB 寿命 10 以上 并且要体积小 重量轻等这些条件 目前 国内 1kW 以下的逆变器已经比较成熟 几十千瓦的正 在研制开发中 4 4 负载负载 笼统地讲就是用电器 由于太阳光发电的成本相对较高 大都希望用电器的 效率较高或节能 如 太阳能直流灯 黑白直流电视机 直流彩电和直流水泵等 等 5 5 连接装置连接装置 为了把太阳电池发电系统连接在各种负载或者公共交流电网 上 就需要通过适当的连接装置连接逆变器的输出端 南昌航空毕业 论文 设计 26 第四章第四章 太阳能的应用太阳能的应用 4 4 1 1 太阳能热水器太阳能热水器 太阳能热水器是太阳能热利用的主要产品之一 它是利用温室原理 将太阳 的能量转变为热能 并向水传递热量 从而获得热水的一种装置 主要由集热器 储热水箱 循环水泵 管道 支架 控制系统及相关附件组成 在世界范围内 太阳能热水器技术已很成熟 并已形成行业 正在以优良的 性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场 国际上 太阳能热水器产品经 历了闷晒式 平板式 全玻璃真空管式的发展阶段 目前其产品的发展方向仍注 重提高集热器的效率 如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层 以减少热量损失 聚酯薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产 太阳能热水 器以其安全 节能 环保 方便的突出特点 日益倍受瞩目 我国太阳能热水器 的发展 经历了四个阶段 闷晒式 平板式 玻璃真空管式 热管真空管式 1 水箱 2 支架 3 集热器 图 4 1 平板式太阳能热水器 南昌航空毕业 论文 设计 27 1 水箱 2 支架 3 管子 4 底托 5 反射板 图 4 2 全玻璃真空热水器 1 水箱 2 支架 3 热管真空管 图 4 3 热管真空管热水器 据有关资料显示 我国太阳能热水器产业年生产量由 340 万平方米增长到 1400 万平方米 总保有量由 1500 万 m2增长到 6000 万 m2 以年均 25 30 的高 速成长 已成为全球可再生能源领域发展最快 规模最大 市场化程度最高的行 业 我国太阳能热水器户均占有率达 7 8 一年替代常规能源 930 万吨标准煤 全行业年总产值近 150 亿元 从业人员 20 万人以上 是全球最在的太阳能热水器使 南昌航空毕业 论文 设计 28 用国和生产国 4 4 2 2 太阳能与建筑一体化太阳能与建筑一体化 太阳能建筑一体化和并网发电系统 是直接将所发的电能并入公共电网 无 须储能系统 避免了蓄电池的二次污染 具有高技术 无污染和自供电的特点 能够强化建筑物的美感和建筑质量 具有多功能和可持续发展的特征 建筑物的 外壳能为光伏系统提供足够的面积 不需要占用土地 省去光伏系统的支撑结构 省支输电费用 光伏阵列可以代替常规建筑材料 从而节省安装和材料费用 太 阳能光伏系统和建筑的完美结全是体现了可持续发展的理想范例 国际社会十分 重视 国际能源组织 IEA 于 1991 年和 1997 年相继两次启动建筑光伏集成计 划 计划的实施对建筑光伏集成起了重要的开拓和推动作用 许多国家相继制定 了本国的屋顶计划 使得建筑光伏集成技术如旭日东升 蓬勃发展 世界各国光伏建筑一体化和并网发电项目 美国 百万屋顶计划 计划从 1997 年开始到 2010 年 将在百万个屋顶 上 安装总容量达到 3025MWP 的光伏系统 并使发电成本降到 6 美分 KWh 德国 十万太阳屋顶计划 德国 1997 年开始实施 十万太阳屋顶计划 至 2004 年 德国实施 购电法 完成了十万个太阳能屋顶的安装计划 日本 新阳光计划 日本自 1992 年启动了 新阳光计划 同时颁 布了新的净电计量法 要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量 并实行补 贴政策 日本居民光伏屋顶系统最近 5 年增长率为 96 7 日本政府计划 2010 年 总计安装 4820 兆瓦 意大利 全国太阳能屋顶计划 意大利 1998 年开始实行 全国太阳能