太阳能光伏技术的基础培训

1、2010 主要内容主要内容 太阳能电池的基本原理及其分类 太阳能电池的电学特性 太阳能电池的主要技术参数 薄膜太阳能电池 电池板的连接与封装 太阳能光伏系统的基本概述 光伏系统的设计 提高太阳能组件效率的措施 2010 太阳能电池的基本原理及其分类 半导体物理基本概念 PN结与光电效应 光生伏特效应的基本原理 用于太阳能电池的标准光源 太阳能电池的光谱特性和温度特性 太阳能电池的测量 满带：满带：填满电子的能带。填满电子的能带。 空带：空带：没有电子占据的能带。没有电子占据的能带。 不满带：不满带：未填满电子的能带。未填满电子的能带。 禁带：禁带：不能填充电子的能区。不能填充电子的能区。 价带

2、：价带：和价电子能级相应的能带，和价电子能级相应的能带， 对半导体，价带通常是满带。对半导体，价带通常是满带。 即最高的充有电子的能带。即最高的充有电子的能带。 几个概念几个概念 满带满带 E 不满带不满带 禁带禁带 禁带禁带 价带价带 空带空带 不满带或满带以上最低的空带，不满带或满带以上最低的空带， 称为导带。称为导带。 能带中电子的导电性能带中电子的导电性 满带不导电：满带不导电： 电子交换能态电子交换能态并不并不 改变能量状态，所以改变能量状态，所以 满带不导电。满带不导电。 电子在电场作用下作定向运动，电子在电场作用下作定向运动， 得到附加能量得到附加能量，电子能量发生变化。电子能量

3、发生变化。 导带导电：导带导电： 导带中电子导带中电子才才能能改变能量。改变能量。 导电性导电性 ： E p 价带价带(满带满带) 空带空带(导带导带) 不满带不满带(导带导带) E E p m p E 2 2 导带导电：导带导电： 导体和绝缘体导体和绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的它们的导电性能不同，是因为它们的 能带结构不同。能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为 导体导体 m10 8 半导体半导体 m1010 74 绝缘体绝缘体 m108 导体的能带结构导体的能带结构 空带空带 导带导带 E 某些一价某些一价 金属，金属， 如如:Li 满带满带

4、空带空带 E 某些二价金属，某些二价金属， 如如:Be, Ca, Mg, Zn, Ba 导带导带 空带空带 E 如如:Na, K, Cu, Al, Ag 导体导体在外电场的作用下，大量共有化电子在外电场的作用下，大量共有化电子 从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。 E 很易获得能量，集体定向流动形成电流。很易获得能量，集体定向流动形成电流。 绝缘体的能带结构绝缘体的能带结构 E 空带空带 空带空带 满带满带 禁带禁带 Eg=36eV 从能级图来看，从能级图来看，是因为满带是因为满带 绝缘体绝缘体在外电

5、场的作用下，在外电场的作用下， 当当外电场足够强外电场足够强时，共有化电子还是能越过时，共有化电子还是能越过 共有化电子很难从低能级共有化电子很难从低能级 （满带）跃迁到高能级（空带）上去。（满带）跃迁到高能级（空带）上去。 的能量，的能量，所以形不成电流。所以形不成电流。 （ Eg ：36 eV），）， 与空带间有一个与空带间有一个较宽较宽的禁带的禁带 禁带跃迁到上面的空带中，使禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿绝缘体被击穿 。 共有化电子很难接受外电场共有化电子很难接受外电场 半导体的导电机构半导体的导电机构 一一. 本征半导体本征半导体（semiconductor） 本征半导体是指本

6、征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。 1.本征本征半导体半导体的能带结构的能带结构 Eg=0.1 2eV E 空带（导带）空带（导带） 满带满带 禁带禁带 本征半导体本征半导体 所以加热、光照、加电场所以加热、光照、加电场 都能把电子从满带激到发都能把电子从满带激到发 空带中去，同时在满带中空带中去，同时在满带中 形成形成 “空穴空穴”（hole）。）。 半导体半导体的的禁带宽度禁带宽度Eg 很很窄窄（0.1 2eV），）， 例如半导体例如半导体 Cd S： 满满 带带 空空 带带 h Eg=2.42eV 满

7、带上的一个电满带上的一个电 子跃迁到空带后，子跃迁到空带后， 满带中出现一个满带中出现一个带带 正电的正电的空位，称为空位，称为 “空穴空穴”。 电子和空穴总是电子和空穴总是 成对出现的。成对出现的。 电子和空穴叫电子和空穴叫本征载流子，本征载流子，它们形成半导它们形成半导 体的体的本征导电性。本征导电性。 当光照当光照 h Eg 时，时， 可可 发发 生生本征吸收本征吸收，形成形成本征光电导。本征光电导。 2. 两种导电机构两种导电机构 （1）电子导电）电子导电 半导体的主要载流子是电子半导体的主要载流子是电子 解解 max min hc hEg nm514 106 . 142. 2 103

8、1063. 6 19 834 max g E hc 【例例】要使半导体要使半导体 CdS产生产生本征光电导本征光电导，求求 激发电子的光波的波长最大多长？激发电子的光波的波长最大多长？ 在外电场作用在外电场作用 下，电子可以跃下，电子可以跃 迁到空穴上来，迁到空穴上来， 这相当于这相当于 空穴反空穴反 向跃迁。向跃迁。 空穴跃迁也形空穴跃迁也形 成电流，成电流， 这称这称 为为空穴导电。空穴导电。 空带空带 满带满带 Eg （2） 空穴导电空穴导电 半导体的主要载流子是空穴半导体的主要载流子是空穴 当当外电场足够强时，外电场足够强时，共有化电子还是能越共有化电子还是能越 半导体半导体导体导体

9、击穿击穿 过禁带跃迁到上面的空带中，使过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿。半导体击穿。 杂质杂质（impurity）半导体半导体 1. n型半导体型半导体 又称又称 n 型半导体。型半导体。 量子力学表明，量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能这种掺杂后多余的电子的能 级在禁带中紧靠空带处，级在禁带中紧靠空带处， ED10-2eV，极易，极易 形成电子导电。形成电子导电。 本征半导体本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四等的四个价电子，与另四 个原子形成共价结合，个原子形成共价结合，当掺入少量五价的当掺入少量五价的杂质杂质 元素（如元素（如P、As等）时，等）时， 就形成了就形成了电

10、子型半导体，电子型半导体， n 型半导体型半导体 空空 带带 满满 带带 施主能级施主能级 ED Eg SiSiSiSi Si Si Si P 这种靠近空带的附加能级称为这种靠近空带的附加能级称为施主施主（donor） 能级。能级。如下图示：如下图示： 2. p型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等掺入少量三等掺入少量三 价的价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、In等）时，就等）时，就 形成形成空穴型半导体，空穴型半导体，又称又称 p 型半导体。型半导体。 量子力学表明，量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能这种掺杂后多余的空穴能 级在禁带中紧靠满带处，级在禁带中紧靠满带

11、处， EA 10 -1eV，极，极 易产生空穴导电。易产生空穴导电。 p -n 结结 p - n 结的形成结的形成 在在 n 型型半导体基片的一侧半导体基片的一侧掺入较高浓度的掺入较高浓度的 面附近面附近产生了一个产生了一个内建内建 内内 E 。 内内 E 阻止电子和空穴进一步扩散。阻止电子和空穴进一步扩散。 内内 E 电子和空穴的扩散，电子和空穴的扩散， 在在p型和型和n型半导体型半导体交界交界 p型半导体型半导体(补偿作用补偿作用)。 受主杂质受主杂质， （电）场（电）场 该区就成为该区就成为 n型型p型型 内建场大到一定内建场大到一定 程度，不再有净电程度，不再有净电 荷的流动，达到了荷

12、的流动，达到了 新的平衡。新的平衡。 在在p型和型和 n型交界面附近形成的这种特殊结型交界面附近形成的这种特殊结 构称为构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约结（阻挡层，耗尽层），其厚度约 为为0.1 m。 p-n结结 内内 E p型型n型型 U0 0 eU 电势电势 电子电势能电子电势能 p-n结结 np 由于由于p-n结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑进势的能量应考虑进势 这使电子能带出现弯曲：这使电子能带出现弯曲： 空带空带 空带空带 p-n结结 0 eU 施主能级施主能级 受主能级受主能级 满带满带 满带满带 垒带来的垒带来的附加势能附加势能。 p - n结的单向导电性结的单

13、向导电性 1. 正向偏压正向偏压 p-n结的结的p型区接电源正极，叫型区接电源正极，叫正向偏压。正向偏压。 向向p区运动，区运动， 阻挡层势垒阻挡层势垒降降 低低、变窄，、变窄， 有利于有利于空穴空穴 向向n区运动，区运动， 也有利于也有利于电子电子 外外 E 内内 E 和和反向，反向， 这些都形成这些都形成正向电流（正向电流（m级）。级）。 外外 E p型型n型型 I 内内 E + 外加正向电压越大，外加正向电压越大， 形成的正向电流也越大，形成的正向电流也越大， 且呈且呈非线性的伏安特性。非线性的伏安特性。 U（伏）（伏） 30 20 10 （毫安）（毫安） 正向正向 0 0.2 1.0

14、I 锗管的伏安特性曲线锗管的伏安特性曲线 2. 反向偏压反向偏压 p-n结的结的p型区接电源负极，叫型区接电源负极，叫反向偏压。反向偏压。 也不利于电也不利于电 阻挡层势垒升阻挡层势垒升 高、变宽，高、变宽， 不利于空穴向不利于空穴向n 区运动，区运动， 外外 E 内内 E 和和同向，同向， 会形成很弱的反向电流，会形成很弱的反向电流，称漏电流（称漏电流（ 级）。级）。 I 无正向电流无正向电流 外外 E p型型n型型 内内 E + 子向子向p区运动。区运动。但是由于少数载流子的存在，但是由于少数载流子的存在， 当外电场很强，反向电压超过某一数值后，当外电场很强，反向电压超过某一数值后， 反向

15、电流会急剧增大反向电流会急剧增大 反向击穿。反向击穿。 V (伏伏) I -10 -20 -30 （微安）（微安） 反向反向 -20-30 用用p n结的结的单向导电性，单向导电性， 击穿电压击穿电压 用用p n结的结的光生伏特效应，光生伏特效应，可制成光可制成光电池。电池。 p - n结的应用：结的应用： 做做整流、开关整流、开关用。用。 加反向偏压时，加反向偏压时， p n结的伏安特性结的伏安特性 曲线如左图。曲线如左图。 可制成可制成晶体二极管晶体二极管（diode），）， 当有适当波长的光照射到这个pn结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 产生了电动势。因而光伏效应是半导体电

16、池 实现光电转换的理论基础，也是某些光电器 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。 太阳能光生伏特效应太阳能光生伏特效应 2010 太阳能电池的基本原理 原理：光生伏特效应（原理：光生伏特效应（内光电效应内光电效应hvEg） VIDIL RL qVD qVD -qV qV hv hv （a）无光照 （b）光照下 太阳能光生伏特效应太阳能光生伏特效应 由于由于pnpn结势垒区内存在较强的内建电场（自结势垒区内存在较强的内建电场（自n n区指向区指向p p区），结两区），结两 边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：边的光生少数载流子受该场的作用，

17、各自向相反方向运动：p p区的电子区的电子 穿过穿过p-np-n结进入结进入n n区；区；n n区的空穴进入区的空穴进入p p区，使区，使p p端电势升高，端电势升高，n n端电势降端电势降 低，于是在低，于是在p-np-n结两端形成了光生电动势，这就是结两端形成了光生电动势，这就是p-np-n结的光生伏特效结的光生伏特效 应。由于光照在应。由于光照在p-np-n结两端产生光生电动势，相当于在结两端产生光生电动势，相当于在p-np-n结两端加正结两端加正 向电压向电压V V，使势垒降低为，使势垒降低为qVqVD D-qV-qV，产生正向电流，产生正向电流I.I. 2010 太阳能电池的基本原理

18、 在在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳结两端建立起稳 定的电势差定的电势差Voc，（，（p区相对于区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将区是正的），这就是光电池的开路电压。如将 pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n 结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。 2010 2010 2010 太阳能电池的分类 1.按照基材分： 单晶硅：单晶硅：16%16%18%18% 多晶

19、硅多晶硅: 15%: 15%17%17% 1 1）硅太阳能电池）硅太阳能电池 非晶硅非晶硅: 5%: 5%8%(21.8%)8%(21.8%) 微晶硅微晶硅: : 尚未商业化（尚未商业化（14%14%） HTCHTC：内禀薄层质结（：内禀薄层质结（21.8%21.8%） 双面太阳能电池双面太阳能电池 单晶化合物太阳能电池（单晶化合物太阳能电池（GaAsGaAs） 2)2)化合物太阳能电池化合物太阳能电池 多晶化合太阳能电池（多晶化合太阳能电池（CdTeCdTe，CIGSCIGS） 2.按照结构 同质结，异质结，肖特基，复合结等 3.按照用途 空间，地面， 光敏 2010 太阳能电池的电学特性

20、ID IL RP RS V，I 基本参数包括：基本参数包括： 1）伏安特性曲线）伏安特性曲线 R（0 ） 2）最大功率点）最大功率点 3）开路电压）开路电压Voc 4）短路电流）短路电流Isc 5）填充因子）填充因子FF=VmIm/VocIsc 6）转换效率）转换效率=FFIscVoc/Pin 7）电流温度系数）电流温度系数 8）电压温度系数）电压温度系数 9）功率温度系数）功率温度系数 10）串联电阻，并联电阻）串联电阻，并联电阻 11）太阳能电池的光谱特性）太阳能电池的光谱特性 电流， 功率 I L Imp P=UI ISCPmp 光 照 VOC 无光照 2010 太阳能电池的测试条件 太

21、阳能电池光照时候产生的电能的影响因素包括： 1、光源的辐照度 2、电池的温度 3、照射光的光谱分部等 在测试太阳能电池的功率时候，必须规定标准测试 条件。目前国际上统一规定的地面太阳能电池的 标准格式条件为： 光源的辐照度：1000W/m2 测试温度：25 AM1.5地面太阳光谱辐照度 2010 薄膜太阳能电池 近年，薄膜太阳能电池所占市场份额增加，特别是类 似于非晶硅电池的化合物电池以CdTe和CIGS电池为代表的 化合物电池的增量明显增加。 非晶硅/微晶硅太阳能电(单结，双结，三结） 硅系薄膜太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池 硅薄膜/单晶硅太阳能电池 化合物太阳能电池 铜铟（镓）硒（GIG

22、SGIGS，GISGIS） 碲化镉，硫化镉 2010 非晶硅太阳能电池 制造方法：借助于TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）产业 设备技术，提高到7.58.0%，材料结构和工艺工程，处于 积极发展阶段。 主要生产厂商：Uni-Solar（美国）；Kaneka（日本）等 非晶硅太阳电池的基本结构：MIS，SB，PIN（单结） 玻 璃 T C O PI N 太阳光 顶电极 2010 非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池的优点 1、材料用量少 2、制造工艺简单。大面积自动化生产 3、制造过程能量消耗小、 4、基板种类可选择 5、集成互联技术成熟，避免了封装互联引起的可靠性 6、原材料丰富，污染少

23、 7、不同带隙叠层，拓展光谱响应范围，提高光伏特性 8、温度系数低 缺点：缺点：光致衰减 稳定性问题 2010 碲化镉太阳能电池 特点：从碲化镉太阳能能带特点看，非常适合做薄膜太阳能 电池，理论转换效率30%，成本低 制备方法：升华法、电沉积、丝网印刷等简单加工技术，较 低温可沉积出12%以上的CdTe，First Solar、NREl均在 高温真空升华法制得高效CdTe电池 缺点：对潮气敏感，生产过程中Cd对环境和操作者危害 （First Solar领跑者、Solar Fields AVA Tech等，公司） 2010 电池板的连接与封装 太阳能电池板的串并联方式：混合式连接及旁路二极管 要

24、求：工作电压相同，功率相近 防反冲二极管：防止夜间或阴雨天太阳能电池方阵工作电压低于其供电的直流母 线电压，防止蓄电池反过来给太阳能方阵送电，起单项导通作用 旁路二极管：当某一个组件出现故障时候，实现电流旁路，不影响其它正常组件 的发电。 混合式连接及旁路二极管 2010 电池组件的封装 封装材料： 上盖板:超白钢化玻璃34mm，90%的透光率，减反射工艺 处理 粘接剂：EVA胶膜中加入聚合物（紫外吸收剂，热稳定剂）； 90%的透光率，交联度：7010%，玻璃强度：玻璃 /EVA30N/cm； 背面材料，边框等其它材料 2010 电池组件的封装 封装工艺: 激光划片电池分选组合焊接 压层封装安装边框和接线盒性能测试 2010 导体和绝缘体导体和绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的它们的导电性能不同，是因为它们的 能带结构不同。能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为 导体导体 m10 8 半导体半导体 m1010 74 绝缘体绝缘体 m108 2010 绝缘体的能带结构绝缘体的能带结构 E 空带空带 空带空带 满带满带 禁带禁带 Eg=36eV 从能级图来看，从能级图来看，是因为满带是因为满带 绝缘体绝缘体在外电场的作用下，在外电场的作用下， 当当外电场足够强外电场足够强时，共有化电子还是能越过时，共有化电子还是能越过 共有化电子