太阳能光伏电池.ppt

太阳能光伏电池,苏波,主要内容：一、序言二、太阳能光伏电池的工作原理与结构三、太阳能光伏电池的生产流程四、太阳能光伏电池的分类五、太阳能光伏电池元件的阵列结构六、太阳能光伏电池的应用七、太阳能电池市场状况及趋势,一、序言,1、地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。2、包括风能、海洋能等，都是太阳能的子孙、都是太阳能转换而成。3、太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。,简史(世界)1839年-法国Becquerel报道在光照电极插入电解质的系统中产生光伏效应光电化学系统；1876年英国W.G.Adams发现晶体硒在光照下能产生电流固体光伏现象；1884年，美国人CharlesFritts制造成第一个1硒电池；1954年贝尔实验室G.Pearson和D.Charpin研制成功6的第一个有实用价值的硅太阳电池；,纽约时报把这一突破性的成果称为“最终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始”，现代太阳电池的先驱；1958年硅太阳电池第一次在空间应用；20世纪60年代初，空间电池的设计趋于稳定，70年代在空间开始大量应用，地面应用开始，70年代末地面用太阳电池的生产量已经大大超过空间电池。,世界太阳能电池发展的主要节点1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为61955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。1975非晶硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为14.5，GaAs为22.51986美国建成6.5MW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池,(我国)1959年第一个有实用价值的太阳电池诞生1971年3月太阳电池首次应用于我国第二颗人造卫星实践1号上；1973年太阳电池首次应用于浮标灯上；1979年开始用半导体工业废次单晶、半导体器件工艺生产单晶硅电池；80“年代中后期引进国外关键设备或成套生产线我国太阳电池制造产业初步形成。,办公楼与玻璃幕墙一体化的PV,太阳能屋顶系统,二、太阳能光伏电池的工作原理与结构,太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理,太阳能电池的结构,三、太阳能光伏电池的生产流程,导电玻璃膜切割清洗检测镀铝电极沉积PN结老化检测封装成品检测,太阳能电池组件生产工艺,封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。流程：1、电池检测2、正面焊接并检验3、背面串接并检验4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）5、层压6、去毛边（去边、清洗）7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）8、焊接接线盒9、高压测试10、组件测试外观检验11、包装入库,工艺简介,电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。,背面串接：背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。,组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为25分钟。固化温度为150。修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。,焊接接线盒：在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。高压测试：高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。组件测试：测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。,四、太阳能光伏电池的分类,太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。,太阳能电池分类,按照材料分类:,1、硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）2、化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池(硫化镉、砷化稼、碲化镉、硒铟铜、磷化铟)3、有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的碳碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池(分子晶体、电荷转移络合物、高聚物),单晶硅太阳电池,特点：硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，技术也最成熟，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本居高不下，严重影响了其广泛应用。,多晶硅太阳电池特点：单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。,单晶、多晶与非晶的区别单晶：长程有序（整体有序），宏观尺度，通常包含了整块固体材料。多晶：短程有序（团体有序），成百上千个原子尺度，通常是在微米的量级；非晶：局部有序（个体有序），微观尺度，几个原子、分子尺度，一般只有十几埃至几十埃的范围；尽管多晶硅材料由于存在晶粒间界而不利于太阳能电池转换效率的提高。但因为制备多晶硅材料比制备单晶硅材料要便宜得多，所以研究人员正致力于减少颗粒间界的影响以期得到低成本多晶硅太阳能电池。,非晶硅太阳电池,非晶硅太阳能电池的优点：1、非晶硅具有较高的光吸收系数，这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100300C。4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底。,5、易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）6、多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造，方便地制作出适合不同需求的多品种产品。7、易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成。8、制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。,非晶硅太阳能电池的缺点：1、与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实验室中电池的稳定最高光电转换效率只有13左右。在实际生产线中，非晶硅薄膜太阳电池的效率也不超过10；2、非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减，到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄膜太阳电池主要应用于计算器、手表、玩具等小功耗器件中。,发展趋势：作为非常有希望的低成本太阳能电池，开发新结构，提高效率和稳定性，将会使非晶硅太阳能电池在民用及独立电源系统中获得广泛应用。,化合物半导体太阳能电池：GaAs太阳电池化合物半导体材料大多是直接带隙半导体材料，光吸收系数较高，因此，仅需要数微米厚的材料就可以制备成高效率的太阳电池。而且，化合物半导体材料的禁带宽度一般较大，其太阳电池的抗辐射性能明显高于硅太阳电池。由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长，导致生产成本高，难以与硅太阳电池相比，所以仅用于部分不计成本的空间太阳电池上。与太阳光谱匹配良好，具有高的光电转换效率，是很好的高效太阳电池材料。由于禁带宽度相对较大，可在较高温度下工作。,GaAs材料对可见光的光吸收系数高，使大部分的可见光在材料表面2m以内就被吸收，电池可采用薄层结构，相对节约材料。高能粒子辐射产生的缺陷对GaAs中的光生电子空穴复合的影响较小，因此电池的抗辐射能力较强。较高的电子迁移率使得在相同的掺杂浓度下，材料的电阻率比Si的电阻率小，因此由电池体电阻引起的功率损耗较小。p-n结自建电场较高，因此光照下太阳电池的开路电压较高。,有机太阳电池：优点：1、化学可变性大，原料来源广泛；2、有多种途径，可改变和提高材料光谱吸收能力、扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传送能力；3、加工容易可大面积成膜，可采用旋转法成膜，可进行拉伸取向使极性分子规整排列，采用L.B膜技术可在分子水平控制膜的厚度；4、易进行物理改性如采用高能离子注入掺杂或辐照处理以提高载流子的传导能力，减小电阻损耗提高短路电流；5、电池制作可多样化；6、价格便宜，有机染料高分子半导体等的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业化生产，因而成本低廉。,缺陷及原因：与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：半导体表面和前电极的光反射；禁带越宽没有吸收的光传播越大；由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合；有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。,五、太阳能光伏电池元件的阵列结构,太阳电池组件是将太阳光能直接转变为直流电能的阳光发电装置。多个组件经串联和并联可组成发电方阵，提供较大的电功率。太阳电池组件具有单个组件功率大，可靠性高的特点，可单只或组成阵列使用。整个太阳能电池由高转换效率的单片太阳电池、抗老化EVA胶膜、高透光率、高机械强度的钢化玻璃和由氟塑料、涤纶复合而成的Tedlar(TPT)背膜组成。这些元件在真空下加热层压成为一个整体，最后经安装阳极化防腐铝合金边框和接线盒，成为组件成品。具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性。,太阳能光伏电池阵列结构,六、太阳能电池的应用,上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。如：太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。,用户太阳能电源1.小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等太阳能电源太阳能逆变器,2.3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉,交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,石油、海洋、气象领域石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等风云三号气象卫星的太阳能电池,海洋气象监测标,家庭灯具电源如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。,光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。,七、太阳能电池市场状况及趋势,太阳能电池的市场状况1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。CdTe电池从20世纪80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。CIS电池的产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。,太阳电池的发展趋势,1、商业化趋势1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一；CIS电池的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素；Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发