光伏电池特性研究.doc

本文由头发的距离贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 华北电力大学（保定） 硕士学位论文 光伏电池特性研究 姓名：张利 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：张建成;高志勇 20080512 华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘 要 太阳能是一种无污染且又取之不尽、用之不竭的绿色能源，其主要利用方式是太阳 能光伏发电。光伏电池是太阳能发电的核心部分，对光伏电池输出特性进行深入广 泛的研究具有重要意义。在分析太阳能光伏发电的基本原理基础上，研究了太阳能电池 的特性、照度特性和温度特性，推导出光伏电池的等值电路，然后对光伏实验系 统进行了相关的测试。最后对多晶硅光伏电池在不同情况下的运行特性进行了实 验研究，比较光伏电池在不同倾角下、不同负载及不同气温条件下对太阳能光伏发电系 统发电效率的影响，实验数据确定最佳方位角和倾斜角，并分析了阴影对光伏电池的影 响，数据表明当阴影遮盖面积超过后光伏电池输出功率降到原来的。 关键词：太阳能，光伏电池，输出特性，实验，阴影 印 删） 缸， 缸 弱 允 ， ， ， ， 硎 脓 嘶 酉 伍 仃打， ， 枞 百 咖 ， （ ） ： ， ， ， 华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘 要 太阳能是一种无污染且又取之不尽、用之不竭的绿色能源，其主要利用方式是太阳 能光伏发电。光伏电池是太阳能发电的核心部分，对光伏电池输出特性进行深入广 泛的研究具有重要意义。在分析太阳能光伏发电的基本原理基础上，研究了太阳能电池 的特性、照度特性和温度特性，推导出光伏电池的等值电路，然后对光伏实验系 统进行了相关的测试。最后对多晶硅光伏电池在不同情况下的运行特性进行了实 验研究，比较光伏电池在不同倾角下、不同负载及不同气温条件下对太阳能光伏发电系 统发电效率的影响，实验数据确定最佳方位角和倾斜角，并分析了阴影对光伏电池的影 响，数据表明当阴影遮盖面积超过后光伏电池输出功率降到原来的。 关键词：太阳能，光伏电池，输出特性，实验，阴影 印 删） 缸， 缸 弱 允 ， ， ， ， 硎 脓 嘶 酉 伍 仃打， ， 枞 百 咖 ， （ ） ： ， ， ， 声 户口 明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光伏电池特性研究，是本人在 华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盈趟 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 （涉密的学位论文在解密后遵守此规定） 作者签名：冽 日 导师签名： 期： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 太阳能资源 在大多数人的心目中，电力是一种清洁的能源，当使用电灯、电视、电冰箱、 空调等电器时，并没有意识到电力对环境造成的破坏，实际上燃煤发电对环境的破 坏是很大的。中国现在是世界上第二号温室气体的排放大国，常规电力生产使用煤、 石油、天然气发电，已经成为中国二氧化碳等温室气体的主要排放源之一，而且燃 煤还大量排放二氧化硫等有害气体。世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发 展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己成为全球热点 问题。而能源问题将更为突出，能源短缺使世界上大部分国家能源供应不足，不能 满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到年， 天然气也只能延续到年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大 气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨， 严重污染水土。化石能源的利用会产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球 气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，有关国际组织已召开多次会议，限制 各国等温室气体的排放量。 在这样背景下，年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会，会议通过 了里约热内卢环境与发展宣言，世纪议程和联合国气候变化框架公约 等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这 次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合 在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政 府对环境与发展十分重视，提出条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推 广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源，制定了中国世 纪议程，进一步明确了太阳能重点发展项目。年国家计委、国家科委和国家 经贸委制定了新能源和可再生能源发展纲要（），明确提出我国在 年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些 文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。年，联合 国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议，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年行动计划（），国际太阳能 公约，世界太阳能战略规划等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界 各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。年以 华北电力大学工程硕士学位论文 后，世界太阳能利用又进入一个发展期。 太阳每秒钟放射的能量大约是，一年内到达地球表面的太阳能总量 折合标准煤共约千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对 于常规能源的有限性，太阳能储量巨大，取之不尽，用之不竭。太阳能对于地球上 绝大多数地区不存在地域差别，可就地取用，这就为常规能源缺乏的国家和地区解 决能源问题提供了美好前景。 由于太阳距地球约，故有害的放射也不会对地球产生影响。清洁性 太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于 此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源【】。 太阳能利用的形式多种多样，如热利用、照明、电力等。热利用就是将太阳能 转换成热能，供热水器、冷热空调系统等使用。利用太阳光给室内照明，或通过光 导纤维将太阳光引入地下室等进行照明。在电力方面的应用主要是利用太阳的热能 和光能。一种是利用太阳的热能进行发电，这种方法是利用聚光得到高温热能，将 其转换成电能的发电方式。另一种是利用太阳的光能进行发电，即利用光伏电池将 太阳的光能转换成电能的发电方式。其他方面的应用还有：使用太阳的热能和光能， 通过催化作用经过化学反应制造氢能、甲醇等燃料，这种能源直接利用方式的效率 较高。另外，使用光催化的涂料可以分解有害物质。 课题研究意义 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自本世纪年代以 来，能源安全一直面临着挑战，存在着十分危险的潜在危机，能源危机的重要表现 之一便是不断出现的电力紧张。年，全国有个省市发生了拉闸限电，电力 装机缺口万千瓦。年，全国有个省市发生了拉闸限电，电力装机缺口 万千瓦。年，全国有个省市发生了拉闸限电，电力缺口万千瓦。 在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的 可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础 的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿 色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。 光伏电池又称太阳电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能 的半导体器件。光伏电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通 电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没有光时就不发电，如果晚上要用它， 就要与蓄电池配合使用。光伏电池每面积在强阳光下约产生瓦的电，常说 的度电是千瓦小时，也就是这样的电池工作小时能产生度电。 华北电力大学工程硕士学位论文 光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术，具有许多优 点：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料， 无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随 意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式 所不及的。 目前国际上大量使用的光伏电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三种，这三种 电池约各占的市场。中国目前有个光伏电池生产线，主要是生产单晶硅及多 晶硅光伏电池，非晶硅光伏电池也有少量生产。我国生产单晶硅光伏电池的效率在 ，多晶硅光伏电池在，非晶硅光伏电池在。晶体硅光伏电池在研 究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。 光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载 情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压， 但是只有在某个输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。光伏发电装 置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出 功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。所以除设备故障因素以外，发电 装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。 因此，对光伏电池的特性特别是输出特性进行研究非常必要【】【】【。 国内外研究现状 据记载，人类利用太阳能已有多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力 加以利用，只有多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未 来能源结构的基础，则是最近的事。特别是世纪年代以来，太阳能科技突飞 猛进，太阳能利用日新月异。 年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，年美国贝尔实验室的三位科学家 首次制成实用的单晶硅光伏电池，次年便被用做电信装置的电源，年又被美国 首次应用于“先锋号人造卫星，宇宙开发极大地促进了光伏电池的开发。与此 同时，地面用光伏电池的研究也在不断开展，特别是年的能源危机，又大大加 速了地面光伏电池的发展。许多国家为开发、利用光伏电池，为阳光发电的研究投 入了相当数量的资金。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近 五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应 用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光 伏技术都是新能源中的佼佼者。 我国于年开始研究光伏电池，年首次成功地将光伏电池应用于我国发 华北电力大学工程硕学位论文 射的东方红二号卫星上。经过多年积累，我国在光伏发电技术研发工作上先后通过 计划、科技攻关计划的安排，开展了晶体硅高效电池、非晶硅薄膜电池、碲化 镉和铜铟硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池以及应用系统的关键技术的研究。特别是“十 五期间，国家通过科技攻关和计划安排支持了一批提高现有装备生产能力的 项目，大幅度提高了光伏发电技术和产业的水平，大大缩短了光伏发电制造业与国 际水平的差距。特别是无锡尚德，通过国家“十五”科技攻关和产业化扶持，年 的生产能力达到了，跻身世界五强，其组件效率达到以上，也处于世界 先进水平。通过国家“十五”科技攻关计划，还支持了深圳拓日等企业进行非晶硅薄 膜电池的规模化生产，生产能力达到了，使得我国成为世界非晶硅薄膜电池 主要供应商之一。中国光伏产业正以每年的速度增长，年中国光伏电池生 产总量达到，较年猛增了，年达到，从而超过美国成 为全球第三大生产国，产能则达到惊人的。以年产量增长倍，产能增加 倍而成为全球发展最快的国家。 在应用技术方面，国家“十五期间安排了屋顶并网发电技术、高压并网发电 技术科技攻关，建成一批的屋顶系统，分别在深圳建成了级低压并 网光伏发电站一座和拉萨建成了的高压并网发电站一座，在光伏发电并网技 术方有了坚实的技术积累，为年和年屋顶光伏并网发电技术和沙漠电站技 术的规模化发展积累了经验。在产业化方面，目前国内光伏发电的主要产品是晶硅 电池及非晶硅电池，其中晶硅光伏电池早中期基本是单晶硅，近年来新建立的多数 是多晶硅光伏电池生产线。到年底，我国已建成 多个一定规模的光伏电池 专业生产厂，光伏电池组件的年生产能力超过。尤其是晶体硅光伏电池组件 的封装能力大大加强，规模及以上的光伏电池封装技术及其配套装备已经成 为商业化的工业装备。“十五期间，仅在我国的河北、江苏、上海和浙江等地， 就形成了上百光伏电池组件的封装能力。目前中国太阳能光伏电池生产成本已 大幅下降，光伏电池的价格逐渐从年的元瓦降到年的元瓦，年 已经降到元瓦【】【。 世界光伏组件在过去年平均增长率约。世纪年代后期，发展更加 迅速，年光伏组件生产达到。商品化电池效率从提高到 ，生产规模从年发展到年，并正在向甚至 扩大。光伏组件的生产成本降到美元瓦以下。近几年，全世界光伏电池 的生产量平均每年增长近，年全世界生产总量更达。据年 数据分析，各种光伏电池中硅基光伏电池占总产量的，晶体硅光伏电池占总 产量的，多晶硅光伏电池占总量的。年，世界光伏电池总产量 ，其中同本仍居首位，占世界总产量的：欧洲为， 华北电力大学工程硕士学位论文 占总产量的；美国，占总产量的；其他，占总产量的。 年，世界光伏市场安装量，比年增长，其中德国安装最多， 为，比年增长，占世界总安装量的；欧洲为，占总 世界安装量的，日本安装量，增幅为，占世界总安装量的； 美国安装量为，占世界总安装量的，其他安装量为，占世界总 安装量的。据统计，年世界光伏电池平均年增长率在。 发展中国家印度处于领先地位，目前有多家公司从事与光伏发电技术有关 的制造业，其中有个光伏电池制造厂和个组件生产厂，年生产组件 ， 累计装机容量约。本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了发展包括光伏电池 在内的可再生能源计划。光伏电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。 美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发计 划，如到年，美国计划累积安装（含百万屋顶计划）。据日本相关机构 统计数据显示，到年年底，日本太阳能光伏发电累计使用量达万千瓦，占 世界市场的。日本太阳能光伏电池的发展目标是：到年，太阳能光伏电 池总容量达到万千瓦【】【】【。 本文所做工作 光伏电池是太阳能发电的核心部分，具有将太阳能转换为电能的功效。但是由 于器件本身的复杂特性，迄今为止光伏电池的转换效率仍然很低。而且。光伏电池 的输出特性具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度、温度、负载等） 以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，使得光伏电池的输出功率发生变化，其 实际转换效率受到了进一步的限制。因此，对光伏电池输出特性的研究成为了一个 重要课题。 本课题对光伏电池进行运行特性研究，主要通过搭建光伏实验系统来测量光伏 电池的运行特性。本文的主要研究内容包括： 建立光伏电池实验系统； 进行光伏电池输出特性实验； 将实验数据和厂家提供的数据进行对比，找出影响光伏电池特性的主要参数， 为以后大规模光伏发电系统模型的建立提供参考。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章 光伏电池的基本特性 光伏电池的发电原理 光伏电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如图 所示。图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 弋彬 一 裔一粥 、 一一 蹴，。国 时。 中，。 时。；。 嘭，。 一 图半导体主要结构 当硅晶体中掺入其它的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着 一个空穴，它的形成可以参照图，其中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕 在硅原子旁边的四个电子。而灰色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有个 电子，所以就会产生图中所示的黑色空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定， 容易吸收电子而中和，形成型半导体。 嘭 一一 一一 彤。 一一 ，。， 中。 时。；。， 嘭，。 。一国 图 型半导体 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非 常活跃，形成型半导体。灰色的为磷原子核，黑色的为多余的电子。 台。磅艳一一一南一 。 嘞时一警一睁”燃划嘭 ， 印一一。孝一 图 型半导体 中审一乒一眵单一叩 国一一锄?一一 型半导体中含有较多的空穴，而型半导体中含有较多的电子，这样，当 华北电力大学丁程硕士学位论文 型和型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是结。 室穴 电子 溅半导体 移 园 慰半导体 图 结示意图 当晶片受光后，结中型半导体的空穴往型区移动，而型区中的电子 往型区移动，从而形成从型区到型区的电流。然后在结中形成电势差， 这就形成了电源。晶片受光过程中带正电的空穴往型区移动，带负电的电子往 型区移动；晶片受光后负电子从区负电极流出，空穴从区正电极流出。如图 和所示。 ：型 图 晶片受光过程中电荷移动 图晶片受光后电流的形成 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程， 通常叫做“光生伏打效应”，光伏电池就是利用这种效应制成的【】【。当太阳光照射 到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收 的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产 生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能、如果半导体 内存在结，则在型和型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向区， 空穴驱向区，从而使得区有过剩的电子，区有过剩的空穴，在结附近形 成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使 型层带正电，型层带负电，在区与区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。 若分别在型层和型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此 形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输 华北电力大学工程硕士学位论文 出功率。 巍日圜日、厣 图光伏电池发电过程 光伏电池的种类 至今光伏电池已经发展到了第代。第代光伏电池包括单晶硅和多晶硅种， 工业化产品效率一般为，目前可工业化生产、可获得利润的光伏电池 就是指第代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第 代光伏电池是薄膜光伏电池，其成本低于第代，可大幅度增加电池扳制造面积， 但是效率不如第代。在将来的第代光伏电池应该具有以下特征：薄膜化、高效率、 原材料丰富和无毒性。可望实现的第代电池效率的途径包括：叠层电池、多带光 伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等【 光伏电池材料主要包括：产生光伏效应的半导体材料、薄膜用村底材料、减反 射膜材料、电极与导线材料、组件封装材料等。其中用来制作光伏电池所用的半导 体材料有元素半导体、化合物半导体和各种固体溶体。从半导体材料使用的形态来 看有晶片、薄膜、外延片。按化学组成及产生电力的方式，光伏电池可分为无机 光伏电池、有机光伏电池和光化学电池大类。按形态分可以分成块状光伏电池和 薄膜光伏电池大类卅】 光伏电池的制造方法各异，但根据其使用的材料主要有以下几种类型：单晶 硅电池”、多晶硅电池【”、非晶硅电池【”、碲化镉电池【”、铟硒铜电池忙】等， 其分类情况如图所示。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以 及有机电池等。 酣 帆 士 音梅一 一膏一（籼）、许化一 一化罐?）、磷化悃删 图光伏电池分类 华北电力大学工程硕士学位论文 但实际应用的主要还是硅电池，特别是晶体硅电池。 单晶硅电池 单晶硅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。作为原料的高纯单晶硅片多是从电子工业半导 体器件加工中退出的产品，以往在市场上可大量以较便宜的价格得到，因此单晶硅 电池能够以相对较有利的成本来生产。 单晶硅电池曾经长时期占领最大的市场份额，只是在年后才退居多晶硅 电池之后，位于第二位。由于近几年电池工业高速发展，导致高纯多晶硅原料紧缺， 在年单晶硅电池又略有上升。在以后的若干年内，单晶硅电池仍会继续发展， 并保持较高的市场份额。最新的动向是单晶硅电池向超薄、高效发展，不久的将来， 可有甚至更薄的单晶硅电池问世。德国的研究已经证实微米厚的单晶硅电池的 效率可达到，有可能借助改进的生产工艺实现超薄单晶硅电池的工业化生产， 并可能达到已在实验室获得的效率的数值。 单晶硅电池的基本结构多为型，多以型单晶硅片为基片，其电阻率范 围一般为?，厚度一般是微米。由于单晶硅材料大都来自半导体 工业退下的废次品，因而，一些厂家利用的硅片厚度达到，由于这些硅 片的质量完全满足电池的要求，用来制作电池可得到很好的效果，一般很容易使效 率达到以上。单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，其次与多晶硅 不同的是所用的减反膜主要为或薄膜。制备和薄膜通常采用热 氧化或常压化学气相沉积工艺。 单晶硅电池主要用于光伏电站，特别是通讯电站，也可用于航空器电源，或 用于聚焦光伏发电系统。像单晶硅的结晶是非常完美一样，单晶硅电池的光学、电 学和力学性能均匀一致，电池的颜色多为黑色或深色，特别适合切割成小片制作小 型消费产品，如太阳能庭院灯等。 单晶硅电池在实验室实现的转换效率可达到，为澳大利亚新南威尔士大 学创造并保持。代表性的单晶硅电池商品主要有荷兰 、西班牙、 印度等厂家。单晶硅电池是目前除了以外效率最高的电池产品。与 不同，高效单晶硅电池实现了规模化生产，欧洲一工厂的小批量生产的高效 电池产品，效率达到左右。高效硅电池的主要代表性商品为以型硅基片的美 国和日本 的转换效率的电池，其中美国正在建 设年产量达到电池的生产厂。 多晶硅电池 华北电力大学工程硕士学位论文 在制作多晶硅电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成 正方形的硅锭，然后像加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的电池加工。从多晶硅 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，在这样结晶区域（晶 粒）里的光电转换机制完全同单晶硅电池。由于硅片由多个不同大小、不同取向的 晶粒组成，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 电池的基本结构都为型，都用型单晶硅片，电阻率?，厚度 微米，有些厂家正在向微米甚至更薄发展，以节约昂贵的高纯硅材料。 制作过程的主要特点是以氮化硅为减反射薄膜，商业化电池的效率多为 ，主要特点是多晶硅电池是正方片，在制作电池组件时有很高的填充率。由于 多晶硅的生产工艺简单，可大规模生产，所以多晶硅电池的产量和市场占有率为最 大。多晶硅电池与单晶硅相同，性能稳定，也主要用于光伏电站建设，作为光伏建 筑材料，如光伏幕墙和屋顶光伏系统。多晶结构在阳光作用下，由于不同晶面散射 强度不同，可呈现不同色彩。此外，通过控制氮化硅减反射薄膜的厚度，可使电池 具备各种各样的颜色，如金色、绿色等，因而多晶硅电池具有良好的装饰效果。 非晶硅电池 非晶硅电池的原子排列呈现无规则状态，转换效率的理论值为，但实际产 品的转换效率为左右。这种电池早期存在劣化特性，即在太阳光的照射下，初 期存在转换效率下降的现象。 非晶硅电池是在玻璃板上使用蒸镀非晶硅的方法，在薄膜状态（厚度为数微米） 下制作而成。与结晶硅光伏电池相比，可大大减少制作电池所需的材料，大量生产 时成本较低。 尽管非晶硅光伏电池的转换效率不高，但由于非晶硅光伏电池具有制造工艺简 单，易大量生产，制造所需能源、使用材料较少（厚度微米以下，单晶硅微 米）、大面积化容易、可方便地制成各种曲面形状以及可以做成成本较低的薄膜电 池等特点，所以有广阔的应用前景。目前，非晶硅电池在计算机、钟表等行业已被 广泛应用。 此外，薄膜型电池所需材料少，除硅外还可用砷化镓等化合物代替，它有一个 突出的优势，即可用于宇宙光伏电池。因宇宙中放射线环境恶劣，比起来， 耐放射性能高。目前，在通信卫星和科学考察卫星上，光伏电池已实用化。 华北电力大学工程硕士学位论文 表硅系光伏电池的特点 光伏电池 转换效率 特点 特性稳定，效率高，厚度为朋，质硬，不可卷曲， 单晶硅 投资回收时间三年，黑色 特性稳定，效率高，厚度为朋，质硬，不可卷曲， 多晶硅 投资回收时间三年，深蓝色 非晶硅 结晶初期质量不稳定，效率低，最后趋于稳定，厚度为朋， 可卷曲，投资回收时间两年，暗红色 薄膜式（含化合物） 适于大批量生产，对于不同太阳光谱照射均可适应，黑色 光伏电池特性和等值电路 光伏电池的特性一般包括光伏电池的输入输出特性（伏安特性）、照度特性以 及温度特性】【】【。 伏安特性 当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系（伏安特性）可以简单 的用图所示的特性曲线来表示。图中：为开路电压；为短路电流； 为最佳工作电压；】【为最佳工作电流。 图电池的伏安特性曲线 最佳工作点对应电池的最大出力，其最大值由最佳工作电压与最佳工作 电流的乘积得到。实际使用时，电池的工作受负载条件、日照条件的影响，工作点 会偏离最佳工作点。 （）开路电压 光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。 华北电力大学工程硕士学位论文 （）短路电流 光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。 （）曲线因子 实际情况中，结在制造时由于工艺原因而产生缺陷，使光伏电池的漏电 流增加。为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲 率加大，定义曲线因子为 曲线因子是一个无单位的量，是衡量电池性能的一个重要指标。曲线因子 为被视为理想的电池特性。一般地，曲线因子在之间。 （）转换效率， 二 一一 场?物）【 ? ）【 ? 转换效率用来表示照射在电池上的光能量转换成电能的大小，它是衡量电 池性能的另一个重要指标。但是对于同一块电池来说，由于电池的负载的 变化会影响其出力，导致光伏电池的转换效率发生变化。为了统一标准， 一般公称效率来表示电池的转换效率。即对在地面上使用的电池，在太阳 能辐射通量、大气质量、环境温度，与负载条件变化 时的最大电气输出的比的百分数来表示。厂家的说明书中电池转换效率就 是根据上述测量条件得出的。 照度特性 光伏电池的出力随照度（光的强度）而变化。如图所示，短路电流与照度 成正；图所示，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时， 仍保持一定的开路电压。 图短路电流与照度的关系 图开路电压与照度的关系 因此，最大出力）【几乎与照度成比例增加，而曲线因子几乎不受照度的影 响，基本保持一致。 华北电力大学工程硕士学位论文 温度特性 光伏电池的出力随温度的变化而变化，其特性曲线如图所示，随着温度的 上升，短路电流增大，而开路电压减小，转换效率降低。由于温度上升导 致电池的出力下降，因此，有时需要用通风的方法来降低电池板的温度以便提高电 池的转换效率，使出力增加。电池的温度特性一般用温度系数表示。温度系数小说 明即使温度较高，但出力的变化较小。 图电池的温度特性 光伏电池的等值电路 （）等值电路和公式推导 光伏电池本身是一个结，基本特性与二极管类似，其等效电路由光生电流 源及一系列电阻（内部并联电阻妯和串联电阻黜）组成，如图所示。 图光伏电池的等值电路 由光伏电池等效电路可得出公式 ，籼一五一厶 （） 式中，为光伏电池的输出电流（）；为光生电流（）；为流过二极管的电 流（）；为流过内部并联电阻妯的电流（）。 对于有 华北电力大学工程硕士学位论文 警）一? （）中的有 将式（）和（）代入式（），可得光伏电池输出电流表达式为 协， 式中，为二极管反向饱和电流（一般而言，其数量级为）；为输出电压（）； 是玻耳兹曼常数，为。瓜；黜为电阻的电阻（）；是绝对温度（）； 是结的理想因子，当温度时，取值；是电子电荷，为。对式 上曲一 厶：！兰丝！ （） ?， 唧（掣）斗警 协， （）酗和的影响 串联电阻黜的影响 当黜增大时，会引起变换效率降低，短路电流下降，但对开路电压 影响不大。因此，在光伏电池组件实际使用中，少不了组件之间的接线或组 件与电缆连接，可以认为是增大了串联电阻，这方面的影响不可低估。 并联电阻黜的影响 是由结生产制造过程中产生的，与外部参数无关。增大会 使效率降低，但短路电流基本不变，开路电压稍有下降。 （）考虑阴影影响的等值电路 对于给定面积的电池，其输出电流与太阳强度成正比，而几乎与温度无关。所以， 太阳强度增加输出电压和功率都增加，这与温度下降的效果是一样的。温度升高， 晶体硅电池的输出电压就降低大约。因此，方阵的安装位置应当是日照最多的地 方（任何时候都没有阴影），并且尽量保证上面和下面的空气流通以保持尽可能低的温 ，乙 詹【】【】【】 。 光伏电池组件在使用过程中如果有一片光伏电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等， 单独被遮挡的光伏电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个光伏电池组件 损坏。这就是所谓热岛效应。这一点与非晶硅电池是不同的。串联的光伏组件的电流是 一样的，如果部分光伏电池被遮挡，它们就不能产生电流而被反偏。这就意味着被遮挡 的电池把功率以热的方式耗尽，时间过长就导致故障产生。 但是，防止偶尔的阴影也是可能的，可以通过在串联的组件上接旁路二极管实现。 华北电力大学工程硕十学位论文 而且多数商业产品都在接线盒里预置了这种旁路二极管。使用旁路二极管可延长组件的 使用寿命，但它不能阻止由于阴影引起的能量损失。因此安装方阵时一定要检查潜在的 阴影情况。要考虑到不同季节植物的变化和太阳角的改变。安装后，还要进行维护以防 止野草或树枝的阴影。一般是将光伏电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在光伏电 池组件上安装防鸟针。当计及阴影的影响时，需要在组件上加装旁通二极管。此外为了 防止反向电流对电池的破坏，还需加装防反二极管，如图所示。 图一计及阴影的光伏电池的等值电路 光伏电池特性的测量 光伏电池工作在室外实际工况下，进行伏安特性的测定。 室外测量注意事项 由一片单晶硅片构成的光伏电池称为单体；多个光伏电池单体组成的构件称为 光伏模块，也叫组件；多个光伏模块即模块群构成的大型装置称为光伏电池阵列。 每个模块的功率由多瓦到几百瓦不等。这里光伏电池测量是针对组件的测量。 室外测量常会受到自然条件的影响，由于模块面积大，常难以保证受光面积的 均匀。这是自然光测量与工业企业生产条件下用人造光源测量得出的数据会有偏差 的原因。在自然光条件下如何保证光伏电池组件技术数据测量的准确性。 （）选择测试场所的建筑物与树木少，不要有阳光反射和阴影。 （）光伏电池组件应向着太阳。 （）测量的主要项目是伏安特性、组件温度和日照强度。 （）按照国际标准（或国标）组件温度和同照强度对特性的数据 进行修正。 由修正后的