光伏应用技术ppt课件

光伏能源先进技术发展和关键技术应用,2017.8,1,主要内容,一、光伏发电原理,二、光伏电池的分类,三、硅系光伏电池片的制造工艺介绍,五、光伏发电应用技术介绍,四、高性能光伏电池及工艺介绍,六、光伏检测设备介绍,2,太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成电能,能将光能转换成电能的能量转换器之一，就是光伏电池。光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积PN结，以及非平衡少数载流子在PN结内电场作用下形成的漂移电流。,一、光伏发电原理,3,太阳光照射到由P、N型两种不同半导体材料构成的太阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。,一、光伏发电原理,4,一、光伏发电原理,被吸收的光能激发被束缚的电子，产生“电子-空穴”对，在PN结内电场作用下，电子、空穴相互运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过。当光线一直照射时，负载上源源不断地有电流流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。标准光照条件下，额定输出电压为0.5V左右。,5,一、光伏电池的基本原理,光谱响应太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光子数目也不相同。因此，光伏电池接受光照射所产生的光子的数目也就不相同。光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在0.41.2um,最大灵敏度在0.80.95um之间。,6,二、光伏电池分类,7,8,单晶硅太阳电池实验室最高效率：24.7%商业化批量生产效率：17%,多晶硅太阳电池实验室最高效率：20.3%商业化批量生产效率：16%,常规晶体硅太阳电池,二、光伏电池分类,8,9,CIGS薄膜太阳电池，最高效率19.9%，商业化12%。,CdTe太阳电池最高效率：16.9%商业化：9-11%,非晶硅薄膜太阳电池，最高效率：12.8%（稳定）商业化：6-8%,下一代薄膜太阳电池,薄膜太阳电池,二、光伏电池分类,9,晶硅电池产业链,三、硅系太阳能电池的工艺介绍,10,石英砂,焦炭,粗硅,石英砂为二氧化硅，中国储量丰富冶炼过程简单，技术难度低，国内大量生产粗硅纯度为9599,可用于合金掺杂，如变压器上的矽钢片,多晶硅的提纯,三、硅系太阳能电池的工艺介绍,11,高纯硅,粗硅,98,99.999999999,Purify（精炼）,提纯方法三氯氢硅氢还原法（SiHCl3，改良西门子法）硅烷法（SiH4）四氯化硅氢还原法（SiCl4）二氯二氢硅还原法（SiH2Cl2）冶金法锌还原法、钠还原法从粗硅到高纯硅，价格涨幅近100倍,多晶硅的提纯,三、硅系太阳能电池的工艺介绍,12,1.单晶硅棒直拉法,2.多晶硅锭铸造法,注：硅的熔点是1420,多晶硅的铸锭与单晶硅棒的拉直：粉末状的多晶硅被生产出来之后需要经过铸锭炉或单晶炉进行重新熔融，通过对加热温度、冷却时间等参数的控制制成所需要的多晶硅锭和单晶硅棒；,拉晶、铸锭工艺,三、硅系太阳能电池的工艺介绍,13,三、硅系太阳能电池的工艺介绍,将金属硅在真空环境下加热熔化，利用电子束去除掉P（磷）。然后在Ar（氩）气体中熔化后用等离子焊枪（PlasmaTorch）去除B（硼），凝固后提炼。应用普通金属提炼工序可将金属杂质的浓度降至0.1ppmw以下。,冶金法工艺,14,四、高性能光伏电池及工艺介绍,PERL电池高效晶体硅电池PESC、PERC、PERL电池是新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列，前两个子母PE（PassivatedEmitter）代表前表面的钝化（选择性扩散），后两个子母代表后表面的扩散和接触情况。其中PERL衍生了南京中电的SE电池与尚德的PLUTO电池。PESC（钝化发射极背接触）电池1985年问世,可以做到大于83的填充因子和20.8（AM1.5）的效率。PERC（钝化发射极背场点接触）电池，用背面点接触来代替PESC电池的整个背面铝合金接触，这种电池达到了大约700mV的开路电压和223的效率。PERL（钝化发射极背部局域扩散）（PassivatedEmitterandRearLocally-diffused）电池是钝化发射极、背面定域扩光伏电池的简称。1990年，新南威尔士大学的J.ZHAO在PERC电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，如图所示。2001年，PERL电池效率达到24.7，接近理论值，是迄今为止的最高记录。,15,四、高性能光伏电池及工艺介绍,16,四、高性能光伏电池及工艺介绍,HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThin-laye）高效异质结太阳电池早在1992年，MakotoTanaka等人在三洋公司第一次制备出HIT电池，当时转换效率达18.1%。经过不断改进，在100.4cm2大小的硅片上，HIT电池的效率已经达到23%。HIT电池中间为经过制绒的n型衬底硅，光照侧为p型/i型（本征）非晶硅薄膜，背面为n型/i型非晶硅薄膜，前后表面溅射有TCO薄膜，电极制备在TCO薄膜上。HIT电池特点主要有以下几个方面：1p-n结的制备是一个低温沉积过程（250），避免了传统晶体硅太阳电池的高温扩散过程（850）对基体材料的热影响；2在p-n结之间沉积一层本征的非晶硅薄层，可以有效地降低结区复合速率，电池背面的n型非晶硅层同基体形成高低结，同时本征非晶硅层起到背面钝化作用，可以有效降低背面复合，提高电池开路电压；3稳定性良好，不会产生光照衰减；4p-n结通过薄膜沉积的方式实现，基体厚度可以降低到较低水平，有利于降低成本。HIT电池是高效太阳电池中比较成功的一种，2011年Sanyo公司的HIT电池产能达565MW。目前全球虽然有多个机构在研究HIT电池，但都很难重复或者达到Sanyo公司得到的结果，表明该技术有较高的难度。,17,四、高性能光伏电池及工艺介绍,18,四、高性能光伏电池及工艺介绍,IBC电池是背电极接触硅电池IBC电池是背电极接触(InterdigitatedBack-contact)硅光伏电池的简称。由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背后。利用点接触(Point-contactcell，PCC)及丝网印刷技术。这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分复杂，工艺中的难点包括P+扩散、金属电极下重扩散以及激光烧结等。2009年7月SunPower公司上市了转换效率为19.3的光伏电池模块。,19,四、高性能光伏电池及工艺介绍,20,四、高性能光伏电池及工艺介绍,OECO电池是倾斜蒸发金属接触硅电池电池的表面由许多排列整齐的方形沟槽组成，浅发射极n+位于硅片的上表面，在其上有一极薄的氧化隧道层，Al电极倾斜蒸镀于沟槽的侧面，然后利用PECVD蒸镀氮化硅作为钝化层和减反射膜OECO电池有以下特点：（1）电极是蒸镀在沟槽的侧面，有利于提高短路电流；（2）优异的MIS结构设计，可以获得很高的开路电压和填充因子；（3）高质量的蒸镀电极接触；（4）不受接触特性限制的可以被最优化的浅发射极；（5）高质量的低温表面钝化。,21,四、高性能光伏电池及工艺介绍,22,四、高性能光伏电池及工艺介绍,德国Fraunhofer超薄多晶硅高效电池德国Fraunhofer太阳能研究所制备的多晶硅电池刷新了世界多晶硅电池的转化效率记录-20.3%。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的表面织构，光学电学性能好，而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的热氧化钝化电池后表面，在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡点。既保证了钝化效果，又减少了温度对少子寿命的影响，使电池的性能得到最优化。该电池另一个特点是超薄，厚度仅37um,此技术对降低多晶硅用量有重要意义。,23,四、高性能光伏电池及工艺介绍,24,四、高性能光伏电池及工艺介绍,SE高效电池-国产高效硅电池SE高效电池（选择极发射SelectiveEmitter）是一种在现有加工制造工艺设备和P型硅片原料的基础上的单晶硅电池。其转化效率平均达到17.5%,性能更稳定,受主要原材料硅片的材质变化影响小。中电SE电池的工艺特点为：1）利用丝网印刷腐蚀剂来代替传统光刻技术在二氧化硅层上蚀刻电极图形，一般为1025的氟化氢铵浆料。2）经过3次热处理达到先重扩散后轻扩散的目的，仅在重扩散区域印刷电极，即“选择性”发射极。,25,四、高性能光伏电池及工艺介绍,26,四、高性能光伏电池及工艺介绍,石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料石墨烯主要应用于OPSC有机聚合物太阳能电池(Organicpolymersolarcell,OPSC)，OPSC是一种混合异质结电池,光照射OPSC中的电子给体材料产生激子,即电子空穴对,激子会在给体与受体的交界面分离,从而使电子和空穴分别传导到两个电极上形成电流。石墨烯应用于OPSC的工作原理：光入射到给体材料上,给体材料P3HT/P3OT受光激发产生电子空穴对,即产生激子.电子空穴对迁移到给体材料与石墨烯受体材料的界面后,电子转移到石墨烯受体材料的LUMO能级,空穴保留在给体材料的HOMO能级上,从而实现电子和空穴对分离.电子在石墨烯受体材料中迁移,最终传导到Al负极上.电子空穴对分离后,空穴通过导电聚合物聚PEDOT:PSS传输到正电极ITO/FTO表面.空穴和电子分别被负极和正极收集,产生电势差,实现光生伏特效应.,27,四、高性能光伏电池及工艺介绍,DSSC主要结构包括三个部分:Graphenebasedtransparentconductingelectrodes工作电极;Graphenebasedcounterelectrode对电极;TiO2-graphenecompositesbasedPhotoanodes电解质,28,四、高性能光伏电池及工艺介绍,复合石墨烯材料在光伏玻璃上的应用1、亲水性，使玻璃表面具有自清洁作用；2、增透性，利用石墨烯六边形结构，增加阳光的透射，减少反射和漫射；3、光触媒，在紫外线作用下，石墨烯具有光触媒功能，能够使光伏玻璃表面有机物自分解，有利于玻璃表面清洁。综合以上功能，复合石墨烯材料应用于光伏增透方面，可以提高5-6%的光透率，以利于提高光伏组件效率。,29,光伏并网系统工作原理：在太阳光的辐照下，电池组件发生光电效应产生直流电，所发直流电经过汇流箱连接到各自所属逆变器转变为三相交流电，然后在专属的太阳能交流配电柜内汇流再统一并入电网。,五、光伏发电应用技术介绍,30,独立发电系统：未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统,并网发电系统：与公共电网连接的太阳能光伏发电系统,五、光伏发电应用技术介绍,31,光伏发电系统的组成：单晶硅太阳能组件方阵-提供光伏发电光伏阵列汇流箱-提供电流汇流并网逆变器-提供交直流转换交流配电-提供升压并网,光伏发电系统主要设备,电池组件,逆变器,汇流箱,升压器,五、光伏发电应用技术介绍,32,五、光伏发电应用技术介绍,农光互补光伏系统应用阴阳一体化光伏温室系统，本技术将普通温室设计成阳棚和阴棚两部分，阳棚跨度8m，采用透光性能良好的材料制作，阳棚内种植绿色蔬菜，屋面后半段铺设太阳能电池板，不影响绿色作物生长；阴棚跨度4m,与阳棚之间用保温隔热墙分隔，屋顶全部铺设太阳能电池板，棚内种植菌类或喜阴作物，两棚共用保温隔热墙又相互独立成系统，一棚两用，节省土地和造价、减少能源的消耗，增产增收。,33,阳室绿色作物光合作用阳室是温室主产区，主要是绿色蔬菜,五、光伏发电应用技术介绍,34,阴室食用菌或弱光作物呼吸作用如在菌类子实体形成，旺盛的呼吸作用，对O2的要求也急剧增加，因而必须提供足够的新鲜空气。,五、光伏发电应用技术介绍,35,阴阳一体化温室碳氧自循环示意图,五、光伏发电应用技术介绍,36,五、光伏发电应用技术介绍,37,五、光伏发电应用技术介绍,渔光互补技术简介可调角大跨度钢锁光伏支架系统太阳能光伏组件固定在硬质转轴和调角支撑上，其中硬质转轴支撑太阳能光伏组件重量，调角支撑与两端的从动齿轮连接，可以调整调角支撑高度来调整太阳能光伏组件与水平面夹角，支撑件只占据很少的土地面积，而大面积的光伏组件则是被支架架在空中，受地形限制较少，尤其适合作为鱼塘、等受环境制约的光伏电站的安装载体。另外，支架上固定的光伏组件可以调节角度，根据气候情况调整角度实现以渔业为基础光伏为辅助的新型渔光互补技术，实现系统整体效益最大化，实现不同环境的土地二次利用。,38,39,五、光伏发电应用技术介绍,非逆变光伏与低压直流入户系统随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高，现有交流配电网将面临分布式新能源（电源）接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。风电、光伏发电、燃料电池，以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电（或采用直流电技术），必须通过换流器才能并入交流配电网；众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能；越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。,40,五、光伏发电应用技术介绍,未来采用直流入户，家用电器均为直流负载，逆变器在家庭供电系统中将不再需要，这样能提高电能使用效率。,41,五、光伏发电应用技术介绍,基于多用户集散式光伏云平台系统云计算支持分布式光伏电源的大量接入是智能电网的重要特征，然而分布式光伏电源具有波动性、间隙性的特征，其可控制性、可预测性均低于常规市电电源。大规模分布式光伏电源接入电力系统将给系统调峰调频、并网控制、运行调度、功率预测、供电质量等带来巨大挑战。所以分布式光伏电源监控系统采用的体系结构宜采用分散采集、区域汇集、集中处理和其它应用系统互联，确保系统的可靠性、安全性、实用性和扩展性。实现实时监测、预警保护、智能控制、计量比较、数据挖掘等功能。,42,五、光伏发电应用技术介绍,43,六、光伏检测设备技术简介,44,六、光伏检测设备技术简介,45,六、光伏检测设备技术简介,46,六、光伏检测设备技术简介,47,六、光伏检测设备技术简介,48,六、光伏检测设备技术简介,49,六、光伏检测设备技术简介,50,六、光伏检测设备技术简介,防孤岛测试负载感性，容性，阻性