光伏发电系统内容PPT

1、光伏发电系统光伏发电系统 太阳能光伏发电系统序言太阳能光伏发电系统序言 通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能 转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统 (又称太阳能光伏发电系统)。太阳能光伏发电目前 工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池， 生产工艺技术成熟，已进人大规模产业化生产。截 止到2002年底，世界太阳能光伏发电系统的总装机 容量约达2200MW，应用于工业、农业、科技、文教、 国防和人民生活的各个领域。 20022002年世界太阳能电池年产量超过年世界太阳能电池年产量超过559.3MW559.3MW， 较上年增长较上年增长39.3439.34。预计21世纪中叶，太阳能

2、光 伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续发 展的能源结构中占有较大的比例。 2000年日本太阳光电池产量远超美国，年日本太阳光电池产量远超美国， 成为世界第一太阳光发电大国。成为世界第一太阳光发电大国。 日本的太阳能发电事业，起始于上世纪日本的太阳能发电事业，起始于上世纪 第第1次石油危机后的次石油危机后的1974年。这一年日本提年。这一年日本提 出以开发新能源为目的的出以开发新能源为目的的“阳光计划阳光计划”， 从此开始太阳能发电的研究与开发。从此开始太阳能发电的研究与开发。1993 年年“阳光计划阳光计划”与日本通产省提出的以节与日本通产省提出的以节 能开发为目的的能开发为目的的“月

3、光计划月光计划”合二而一，合二而一， 组成组成“新阳光计划新阳光计划”，同时推进新能源和，同时推进新能源和 节能的研发与利用。节能的研发与利用。 太阳光发电普及的关键之一是降低成本太阳光发电普及的关键之一是降低成本。通过。通过 “新阳光计划新阳光计划”，日本太阳光结晶系电池成本已从，日本太阳光结晶系电池成本已从 当初的当初的23万日元万日元W，降低到了，降低到了600650日元日元 W。到太阳光发电研发第一期计划终了的。到太阳光发电研发第一期计划终了的2000年底，年底， 太阳电池组件的制造成本为太阳电池组件的制造成本为300日元日元W左右。为了左右。为了 进一步降低造价，日本太阳光发电技术研

4、究所负责进一步降低造价，日本太阳光发电技术研究所负责 人表示，到人表示，到2010年第二期研发成果转化为批量生产年第二期研发成果转化为批量生产 的时候，力争太阳电池组件的成本降低到的时候，力争太阳电池组件的成本降低到100日元日元 W以下；发电成本大约是以下；发电成本大约是25日元日元kWh。该负责人。该负责人 表示，进一步展望到表示，进一步展望到2020年，希望太阳光发电成本年，希望太阳光发电成本 降到降到1015日元日元kWh；2030年降低到年降低到510日元日元 kWh。如果实现的话，太阳光发电的成本就可以。如果实现的话，太阳光发电的成本就可以 与一般的与一般的火电或核电相提并论火电或

5、核电相提并论了。了。 美国美国1997年年6月提出的月提出的“百万太阳能屋顶百万太阳能屋顶 计划计划”。该计划从。该计划从1997年开始至年开始至2010年止，年止， 要在全国的住宅、学校、商业建筑和政府要在全国的住宅、学校、商业建筑和政府 机关办公楼等建筑物的屋顶上，安装机关办公楼等建筑物的屋顶上，安装100万万 套太阳能发电装置，发电总容量达套太阳能发电装置，发电总容量达3 025 MW，并力争使太阳光发电的成本，从，并力争使太阳光发电的成本，从 1997年的年的22美分美分kWh降低到降低到2010年的年的 6美分美分kWh。 1 国务院国务院2005年年14号文件号文件, 国家替代能源

6、发展计国家替代能源发展计 划将逐步实施划将逐步实施 ; 2006年年3月月,国家国家十一五规划十一五规划 的建议的建议中明确提出，中明确提出，“加快发展加快发展风能、太阳风能、太阳 能、生物质能能、生物质能等可再生能源等可再生能源”。 2 保定保定天威保变天威保变太阳能电池生产线太阳能电池生产线 一期一期3兆瓦，二期兆瓦，二期24兆瓦，三期兆瓦，三期48兆瓦；世界第兆瓦；世界第3 去年产值去年产值954万，今年万，今年3.6亿，亿，2007年达到年达到19亿亿 3 上海筹建更大规模此类企业上海筹建更大规模此类企业. 如何降低成本是今后关键如何降低成本是今后关键.目前光伏目前光伏发电成本比火发电

7、成本比火 电高很多电高很多，但前景广阔。，但前景广阔。 专家预测，到2050年，全世界消耗电量的消耗电量的1/4将将 是太阳电，到是太阳电，到21世纪末，可能会达到世纪末，可能会达到50以上以上。 到那时候，人类居住的房屋将发展成金字塔型金字塔型，因 为外壁用“非晶硅太阳能砖非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住砌成的这种形状的住 宅宅，可用最大面积采光发电，并用高效的贮电装置 贮存起来供人们使用。 由于宇宙空间没有昼夜四季之分，也没有乌云和阴宇宙空间没有昼夜四季之分，也没有乌云和阴 影，辐射能量十分稳定影，辐射能量十分稳定，传统的火力发电系统将退 出历史舞台，卫星上的电能将通过微波输送设备， 源

8、源不断地送回地球，人类再不必因传统能源枯竭 和污染问题发愁，我们共有的的家园将更加美好。 在本世纪上半叶的某个午夜里，当人们仰望星空 时，将会惊讶地发现有一簇“星星”格外明亮，原 来，这个无名”星座”是由多颗太阳能发电卫星所 组成的。 将太阳能发电站建在人造同步地球卫星上，就叫太太 阳能发电卫星或称宇宙发电站。阳能发电卫星或称宇宙发电站。 这种卫星始终处在地球的某一固定地点的上空，并 保持一定的高度，以便于地面接收它所供能量。电 站可利用光电转换装置(光电池)，把太阳能变成电能， 再借助卫星上的微波发生器把电能变成微波发到地微波发生器把电能变成微波发到地 面接收站面接收站。地面接收站再将微波转

9、换成电能后，就 可以用电线供用户使用。 上述设想之新颖，如同将要辉映夜空的太阳能卫 星一样，闪耀着富有创见的智慧之光，这个设想是 美国工程师格拉泽于美国工程师格拉泽于1968年提出年提出的。太阳光无处不 在，为什么要劳师远征、偏去高踞地面3万多公里的 地球静止轨道上去建造太阳能电站呢? 因为在茫茫太空中，日照强度相当于地球上阳光最 强烈的沙漠的6倍，且太空既无昼夜交替无昼夜交替，也没有太 阳射角偏低的问题，太阳能集热器可以始终直接对 准太阳，同时，太空中没有云层，太阳无遮无拦， 稳定而最强，庞大的太阳能收集器也不占地球1寸土 地，而高悬于天庭，永葆洁净无需维护。 太阳能卫星的设想经过多方论证多

10、方论证后，逐步 形成了以发电到输电的一整套方案。先把 巨大的太阳能电池板太阳能电池板“化整为零化整为零”，分期分期 分批分批地利用航天飞机等空天运载工具，送 到离地面几万公里高的低地球轨道上低地球轨道上，然 后组装成卫星，利用其上的推进器，驱动 卫星再爬升到地球同步轨道上。 卫星上的太阳能收集器硕大无比，长10公 里，宽5公里，其上覆盖有几十亿片几十亿片太阳能 电池片。平板的一端装有直径达1000米的 微波发射天线，可以转动，永远指向地球。 太阳能电池发出的电最后汇聚在母线上，发出的电最后汇聚在母线上， 送入微波发生器送入微波发生器，产生的微波通过波导管 从天线射出，传向地球。 移相器使微波能

11、聚焦成一束密集的波束， 从太阳能卫星巨大的天线发出的微波，如从太阳能卫星巨大的天线发出的微波，如 同同手电筒的光柱手电筒的光柱一样射向地球一样射向地球，到达地球 时“光柱”已是如此粗大，能覆盖地球数 十公里的面积。地面上接收天线的尺寸更 大，为10 x 13平方公里的椭圆形，由无数 半波偶极子天线组成。 天线接收到从太空射来的微波后，经过二接收到从太空射来的微波后，经过二 极管整流变换为高压的直流电极管整流变换为高压的直流电或50兆赫的 交流电后，再通过高压输电网供给用户 有人担心如此强大的微波传送到地面，会 对人和环境造成危害，对此，科学家将通过 地面信号精确控制卫星的微波发射天线，使 微波

12、束始终对准地面的接收天线，仅在地面 天线的中心区域，微波照射量超过国际上可 容许微波照射量的10倍，而在边沿区域则只 为此数的1/10。 当前，建造太阳能卫星建造太阳能卫星尚存资金及一 些技术问题，但不久有望解决这些问题， 届时人们将实现九天之上取能源的梦想。 宇宙发电站的各项技术均可分步实现, 而把卫星送入太空是我们国家的成熟技 术,美国、日本等国也正在进行此项工作， 相信太阳能发电卫星不久的将来即可梦 想成真。 中国第一座300kW并网太阳能示范发电站太阳能示范发电站于2004年 在北京开工，并称此举将使2008年北京奥运会办成 一届真正的“绿色奥运会”。 据介绍，经过近5年的技术攻关，中

13、国已经开发出 具有自主知识产权的太阳能发电技术。即将建造的 太阳能发电站的方案是：将奥运场馆的奥运场馆的屋顶或外墙屋顶或外墙 上安装太阳能光电板上安装太阳能光电板，只要有光照、有能见度，光，只要有光照、有能见度，光 电板就能将光线转化为电能电板就能将光线转化为电能。 北京拥有较为丰富的太阳能、地热能和生物质能 等新能源及可再生能源。目前，北京已经开始为新 能源的开发和利用制定发展规划，并将建设一批示 范项目： 北京能源集团在内蒙风力发电项目北京能源集团在内蒙风力发电项目 10万千瓦，为2008年奥运会专用，绿色奥运承 诺（当时目标5万千瓦，解决20%用电） 未来的奥林匹克公园内也将充分利用这些

14、新能未来的奥林匹克公园内也将充分利用这些新能 源，实现源，实现20的奥运场馆用电为风力发电；的奥运场馆用电为风力发电； 利用利用地热和热泵技术为地热和热泵技术为40万平方米的建筑提供万平方米的建筑提供 采暖和制冷采暖和制冷；奥运场馆周围；奥运场馆周围8090的路灯的路灯 将利用太阳能光伏发电技术将利用太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太；采用全玻璃真空太 阳能集热技术，供应奥运会阳能集热技术，供应奥运会90的洗浴热水的洗浴热水，使，使 2008年北京奥运会真正成为绿色奥运会。年北京奥运会真正成为绿色奥运会。 用太阳能发电的平板玻璃 与平板玻璃有关的太阳能发电系统有2类。 第一类，是在单体建筑物

15、的屋顶和幕墙上安装屋顶和幕墙上安装 的光伏发电系统的光伏发电系统。它是利用硅光电池、硒光电 池、碲光电池等在阳光照射下能产生一定向电 动势（即光伏效应)的半导体元件，拼接粘合 在超透明平板玻璃上成为光电板，将光能转换 成电能并经整流、升压后供建筑物内部直接使 用。 用太阳能发电的平板玻璃 第二类是大面积集热式太阳能发电系统大面积集热式太阳能发电系统。 由以色列索来尔公司开发成功的以太阳能 作为热源带动传统的大型蒸汽涡轮发电机 发电的新型太阳能技术，就是以数座通体 透明的大型玻璃建筑物作为集热装置的。 还有用太阳能发电的太阳瓦太阳瓦。 太阳能光伏发电系统的运行方式主要可分 为离网运行和联网运行离

16、网运行和联网运行两大类。 未与公共电网相联接的太阳能光伏发电 系统称为离网太阳能光伏发电系统离网太阳能光伏发电系统，又称为 独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离 公共电网的无电地区和一些特殊处所，如为 公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、 海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看 电视、听广播等的基本生活用电，为通信中 继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极 保护、气象台站、公路道班以及边防哨所等 特殊处所提供电源。 与公共电网相联接的太阳能光伏发电系 统称为联网太阳能光伏发电系统联网太阳能光伏发电系统，它是太阳 能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成 为电力工业组成部分之一的重要方向，是当

17、 今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 特别是其中的光伏电池与建筑相结合的联网 屋顶太阳能光伏发电系统，是众多发达国家 竟相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前 景诱人。 为给农村不通电乡镇及村落广大农牧民解 决基本生活用电和为特殊处所提供基本工作电 源，经过30来年的努力，离网太阳能光伏发电 系统在我国已有一定的发展，20022002年底全国总年底全国总 装机容量约达装机容量约达40 MW 40 MW 左右，并将继续快速发展。 但联网太阳能光伏发电系统在我国却处于试验 示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日 本等发达国家。为此，本章除介绍独立太阳能 光伏发电系统外，还将介绍联网太阳能光伏

18、 6.1 6.1 太阳能电池及太阳能电池方阵太阳能电池及太阳能电池方阵 6.1.1 6.1.1 太阳能电池及其分类太阳能电池及其分类 太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转 变为电能的器件，又叫光伏器件。物质吸收光 能产生电动势的现象，称为光生伏打效应。这 种现象在液体和固体物质中都会发生。但是， 只有在固体中，尤其是在半导体中，才有较高 的能量转换效率。所以，人们又常常把太阳能 电池称为半导体太阳能电池。 半导体 自然界中的物质，按照它们导电能 力的强弱，可分为3类： 导电能力强的物体叫导体，如银、铜、 铝等； 导电能力弱或基本上不导电的物体叫 绝缘体，如橡胶、塑料等； 导电能力介于导体和

19、绝缘体之间的物 体，就叫做半导体。 半导体的主要特点，不仅仅在于其电阻率在 数值上与导体和绝缘体不同，而且还在于它的导 电性上具有如下两个显著的特点： 电阻率的变化受杂质含量的影响极大。例如， 硅中只要掺人百万分之一的硼，电阻率就会从 2.14X10103.m减小到0.004.m左右。如果所含杂 质的类型不同，导电类型也不同； 电阻率受光和热等外界条件的影响很大。温 度升高或光照射时，均可使电阻率迅速下降。例 如，锗的温度从200升高到300，电阻率就要 降低一半左右。一些特殊的半导体，在电场和磁 场的作用下，电阻率也会发生变化。 半导体材料的种类很多，按其化学成分，可 分为元素半导体和化合物

20、半导体； 按其是否有杂质分为本征半导体和杂质半导 体 ；按其导电类型，分为n型半导体和p型 半导体。 此外，根据其物理特性，还有磁性半导体、 压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半 导体、气敏半导体等。目前获得广泛应用的半导 体材料有锗、硅、硒、砷化镓、磷化镓、锑化铟 等，其中以锗、硅材料的半导体生产技术最为成 熟，应用得最多。 太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今， 业已种类繁多，形式各样。 (1)(1)按照结构分类按照结构分类 按照结构的不同可分为如下几类。 同质结太阳能电池。由同一种半导体材料 构成一个或多个p-n结的太阳能电池。如硅太阳 能电池、砷化镓太阳能电池等。 异质结太阳能

21、电池。用两种不同禁带宽度 的半导体材料在相接的界面上构成一个异质p-n 结的太阳能电池。如氧化铟锡硅太阳能电池、 硫化亚铜 硫化镉太阳能电池等。如果两种异质材料的晶格 结构相近，界面处的晶格匹配较好，则称为异质 面太阳能电池。如砷化铝镓砷化镓异质面太阳 能电池等。 肖特基太阳能电池。用金属和半导体 接触组成一个“肖特基势垒”的太阳能电池， 也叫做MS太阳能电池。其原理是基于金属- 半导体接触时在一定条件下可产生整流接触 的肖特基效应。 目前已发展成为金属-氧化物-半导体太 阳能电池，即MOS太阳能电池；金属-绝缘体 -半导体太阳能电池，即MIS太阳能电池。如 铂-硅肖特基太阳能电池、铝-硅肖特

22、基太阳 能电池等。 (2)(2)按照材料分类按照材料分类 按照材料的不同可分为如下几类。 硅太阳能电池。以硅材料作为基体 的太阳能电池。如单晶硅太阳能电池、多晶 硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。制作 多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的 太阳级硅即可。而太阳级硅由冶金级硅用简 单的工艺就可加工制成。多晶硅材料又有带 状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种。用它们 制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。 硫化镉太阳能电池。以硫化镉单晶或 多晶为基体材料的太阳能电池。如硫化亚 铜硫化镉太阳能电池、碲化镉硫化镉太 阳能电池、硒铟铜硫化镉太阳能电池等。 砷化镓太阳能电池。以砷化镓为基体 材料的太阳能电池。如同

23、质结砷化镓太阳能 电池、异质结砷化镓太阳能电池等。 按照太阳能电池的结构来分类，其物理 意义比较明确，因而被作为太阳能电池命名 方法的依据。 6.1.2 6.1.2 太阳能电池的工作原理、特性及制太阳能电池的工作原理、特性及制 造方法造方法 (1)太阳能电池的工作原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于 能量转换器才能变换成为电能。这个把光 能变换成电能的能量转换器，就是太阳能 电池。太阳能电池是如何把光能转换成电 能的?下面以单晶硅太阳能电池为例做一简 单介绍。 太阳能电池工作原理的基础，是半导体 p-n结的光生伏打效应。 所谓光生伏打效应，简言之，就是当物体 受到光照时，物体内的电荷分布状态

24、发生变 化而产生电动势和电流的一种效应。 当太阳光或其他光照射半导体p-n结 时，就会在p-n结的两边出现电压，叫 做光生电压。这种现象，就是著名的光生 伏打效应。 把把p-np-n结短路，就会产生电流。结短路，就会产生电流。 众所周知，物质的原子是由原子核和电子组 成的。原子核带正电，电子带负电。电子就像行 星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道围绕着原 子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列 的。硅原子的外层电子壳层中有4个电子， 如图11-1所示。 每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原 子核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太 阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由 电子，并同

25、时在它原来的地方留出一个空位，即 半导体物理学中所谓的“空穴”。由于电子带负 电，空穴就表现为带正电。 电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电 荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的 数目是相等的。 如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、 铝、镓或铟等杂质元素，那么它就成了空穴空穴 型半导体，简称型半导体，简称p p型半导体型半导体。如果在硅晶体中 掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素， 那么它就成了电子型的半导体，简称电子型的半导体，简称n n型半导型半导 体体。 若把这两种半导体结合在一起，由若把这两种半导体结合在一起，由 于电子和空穴的扩散，在交界面处便于电子和空穴的扩散，在交界面处便 会形

26、成会形成p-n结，并在结的两边形成内建结，并在结的两边形成内建 电场，又称势垒电场。电场，又称势垒电场。 由于此处的电阻特别高，所以也称由于此处的电阻特别高，所以也称 为阻挡层。为阻挡层。 当太阳光照射太阳光照射p-np-n结时，在半导体内的电结时，在半导体内的电 子由于获得了光能而释放电子，相应地便产子由于获得了光能而释放电子，相应地便产 生了电子生了电子空穴对空穴对，并在势垒电场的作用下， 电子被驱向n型区，空穴被驱向p型区，从而 使n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴；于 是，就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向 相反的光生电场(如图112所示)。 光生电场的一部分抵销势垒电场，其余部

27、分使p型区带正电、n型区带负电；于是，就 使得在在n n区与区与p p区之间的薄层产生了电动区之间的薄层产生了电动 势，即光生伏打电动势势，即光生伏打电动势。 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理 当接通外电路时便有电能输出。这当接通外电路时便有电能输出。这 就是就是p-n结接触型单晶硅太阳能电池发结接触型单晶硅太阳能电池发 电的基本原理。电的基本原理。 若把几十个、数百个太阳能电池单若把几十个、数百个太阳能电池单 体串联、并联起来，组成体串联、并联起来，组成太阳能电池太阳能电池 组件组件，在太阳光的照射下，便可获得，在太阳光的照射下，便可获得 相当可观的输出功率的电能相当可观的输出功率的

28、电能。 本征半导体本征半导体 电子型的半导体，简称电子型的半导体，简称n型半导体型半导体 空穴型半导体，简称空穴型半导体，简称p型半导体型半导体 多数载流子；少数载流子多数载流子；少数载流子 p-n结的形成结的形成 光生载流子光生载流子-少数载流子起主要作用少数载流子起主要作用 光、伏电池原理光、伏电池原理 为便于对上面的介绍加以理解，这里将介绍中 涉及到的几个半导体物理学的术语作一简介。 能带能带 固体量子理论中用来描述晶体中电 子状态的一个重要物理概念。在一个孤立的原子中， 电子只能在一些特定的轨道上运动，不同轨道的电 子能量不同。所以，原子中的电子只能容许取一些 特定的值，其中每个能量称

29、为一个能级。晶体是由 大量原子有规则的排列组成的，其中各个原子相同 能量的能级，由于相互作用，在晶体中变成了能量 略有差异的能级，看上去像一条带子，所以称为能 带。原子的外层电子在晶体中处于较高能带，内层 电子则处于低能带中。能带中的电子已不是围绕各 自的原子核做闭合轨道运动，而是为各原子所共有， 在整个晶体中运动。 载流子载流子 指的是运载电流的粒子指的是运载电流的粒子。无论是导体还是半导 体，其导电作用都是通过带电粒子在电场的作 用下定向运动(形成电流)来实现的，这种带电 粒子就叫作载流子。导体中的载流子是自由电 子。半导体中的载流子有两种，即带负电的电 子和带正电的空穴。如果半导体中的电

30、子数目 比空穴大得多，对导电起重要作用的是电子， 则把电子称为多数载流子，空穴称为少数载流 子。反之，便把空穴称为多数载流子，电子称 为少数载流子。 空穴空穴 半导体中的一种载流子。它与电子的电荷 量相等，但极性相反。晶体中完全被电子占据的能带 叫满带或价带，没有被电子占满的能带叫空带或导带， 导带和价带之间的空隙，称为能隙或禁带。如果由于 外界作用(例如热、光等)，使价带中的电子获得能量 而跳到了能量较高的导带中去，就出现了很有趣的效 应，即这个电子离开后，便在价带中留下一个空位。 根据电中性原理，这个空位应带正电，其电量与电子 相等。当空位附近的电子移动过来填充这个空位时， 就相当于空位向

31、相反方向移动。其作用很相似于荷正 电粒子的运动，通常称它为正空穴，简称空穴。所以， 在外电场的作用下，半导体中的导电，不仅由于电子 运动，而且也包括空穴运动所做的贡献。 施主施主 凡掺人纯净半导体中的某种杂 质的作用是提供导电电子的，就叫作施主杂 质，简称施主。对硅来说，若掺人磷、砷、 锑等元素，所起的作用就是施主。 受主受主 凡掺人纯净半导体中的某种杂 质的作用是接受电子的，或称提供了空穴的， 就叫作受主杂质，简称受主。对硅来说，如 掺人硼、镓、铝等元素，所起的作用就是受 主。 p-np-n结结 在一块半导体晶片上，通过某些工艺过程，使 一部分呈p p型型( (空穴导电空穴导电) )， 另一

32、部分呈n n型型( (电子导电电子导电)，则该p型和n型界面附 近的区域，就叫作p-n结。p-n结具有单向导电性 能，是晶体二极管的基本结构，是许多半导体器 件的核心。 p-n结的种类很多： 按材料分，有同质结和异质结； 按杂质分，有突变结和缓变结； 按工艺分，有成长结、合金结、扩散结、外延 结和注入结等。 半导体材料吸收光子的能量后，晶体内 的共价键结构遭到破坏，从而产生电子-空 穴对。为了防止这些光生载流子因“复 合”(即电子和空穴重新相遇而湮灭)而消失， 就必须设法把这些新产生的电子和空穴分 开，所以需要外加一个静电场，使这些电 子和空穴沿相反的方向流动。产生这种静 电场的方法很多，其中

33、最普遍采取的方法 就是利用半导体的半导体的p-n结结。 在一块单晶半导体中，如果各个部分的 施主杂质(能“施放”自由电子的杂质，也 就是n型杂质)和受主杂质(能“俘获”自由 电子的杂质，也就是p型杂质)的浓度不同， 使得它的一部分呈n型导电性型导电性(主要载流子 是电子)，而另一部分呈p型导电性型导电性(主要载 流子是空穴)，那么在p型区和n型区的交界交界 面处就会形成面处就会形成p-n结。结。 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。而黄色的表示掺入 的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子， 所以就会产生入图所示的蓝色的空穴蓝色的空穴，这 个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容

34、 易吸收电子而中和，形成P型半导体。 正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边 的四个电子。而的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子黄色的表示掺入的硼原子， 因为硼原子周围只有因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图个电子，所以就会产生入图 所示的所示的蓝色的空穴蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得，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，形成很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体型半导体。 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

35、成就会有一个电子变得非常活跃，形成N型半导体型半导体。黄色黄色 的为磷原子核，红色的为多余的电子。的为磷原子核，红色的为多余的电子。 P型半导体中含有较多的空穴，即P型半导 体中的多数载流子是空穴，少数载流子是 电子；而N型半导体中含有较多的电子，N 型半导体中的多数载流子是电子，少数载 流子是空穴。这样，当P型和N型半导体结 合在一起时，就会在接触面形成电势差， 这就是P-N结。 在p-n结的两边，电子和空穴存在着浓度浓度 差差，所以p型区中的空穴将向n型区扩散， 而n型区中的电子也将向p型区扩散。 原来p型半导体和n型半导体本身都是电 中性的，由于电子和空穴产生了这种扩散扩散 运动，就使得

36、在运动，就使得在p-n结附近形成一个结附近形成一个带电带电的的 区域区域，称为空间电荷区。 它所产生的电场，使得电子和空穴沿相 反的方向进行漂移运动，这种漂移运动正 好抵消了电子和空穴自身的扩散运动。因 此，空间电荷区所产生的电场的作用，就 在于保持了p型区和n型区之间电子和空穴 的相对平衡。 这种电场称为“自建电场”，它表明在p 型区和n型区两部分之间存在着一定的电势 称为接触电势差。 内建场大到一定内建场大到一定 程度程度,不再有净电不再有净电 荷的流动，达到荷的流动，达到 了新的平衡。了新的平衡。 在型在型 n型交界面型交界面 附近形成的这种特附近形成的这种特 殊结构称为殊结构称为P-N

37、结，结， 约约0.1 m厚厚。 P-N结结 阻阻 E n型型 p型型 内建场阻止电子内建场阻止电子 和空穴进一步扩和空穴进一步扩 散，记作散，记作 。 阻阻 E 当在p-n结上加有正向偏压，即p区接电源 正极，n区接电源负极时，外加电压与自建 电场的方向相反，因此减弱了p-n结空间电 荷区中的电场强度，破坏了扩散运动和漂移 运动之间的相对平衡，使载流子的扩散运动 超过漂移运动，从而产生电子从n区向p区以 及空穴从p区向n区的净扩散流，使p区和n区 的电子和空穴都有所增加，这种现象就称为 p-n结的正向注入。 当太阳电池受到光照时，载流子的扩散运动与 漂移运动之间的相对平衡即被破坏，于是就在p

38、区和n区产生光生载流子。由于p区(或n区)在 未受光照时未受光照时多数载流子多数载流子的浓度本来就已很高，的浓度本来就已很高， 因此光照所激发的空穴因此光照所激发的空穴(或电子或电子)的作用不大，可的作用不大，可 以忽略不计。以忽略不计。 例如，在p+n型硅太阳电池中，p区空穴的浓 度一般在1020个厘米3左右，而光生载流子的 浓度则不会超过2.8X1017个厘米3。 所以，光照的作用，实际效果上只是光照的作用，实际效果上只是 增加了增加了少数载流子少数载流子的浓度。的浓度。 当晶片受太阳光照射后，不论晶片受太阳光照射后，不论P区区N区区,受受 光激发产生的少数载流子起主要作用光激发产生的少数

39、载流子起主要作用， （因多数载流子数量太大，再增多多少都 无关大局）这些少数载流子在PN结内电场 作用下，N型半导体的空穴往P型区移动， 而P型区中的电子往N型区移动，从而形成 从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形 成电势差，这就形成了新电源。 这些少数载流子朝四面八方运动，其中 一部分被复合掉，另一部分则能到达p-n结。 到达p-n结的少数载流子立即受到自建场的 静电力作用，使p区的电子迅速到达n区， 而n区的空穴则迅速到达p区。 这样，光生少数载流子就被光生少数载流子就被p-n结的自结的自 建场所分离建场所分离，使使p-n结的静电场增强结的静电场增强.如图所 示。同时，这些载流子的运动

40、，还会中和 掉一部分空间电荷。 当晶片受太阳光照射后，晶片受太阳光照射后， 不论不论P区区N区区,受光激发产受光激发产 生的少数载流子起主要作用生的少数载流子起主要作用 原理结构原理结构 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种 器件。它的基本结构就是一个器件。它的基本结构就是一个P-N结。结。 光电池是在光电池是在n（p）型硅基底上扩散）型硅基底上扩散p（n）型杂质并作为受）型杂质并作为受 光面，构成光面，构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和 光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作

41、保护膜（一方面光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（一方面 起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用），即起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用），即 成光电池。成光电池。 n p 二氧化硅二氧化硅 电极电极 太阳能电池原理小结 1. 阳光作用下产生大量的光生少数载流子阳光作用下产生大量的光生少数载流子 2. 光能驱动这些光生少数载流子光能驱动这些光生少数载流子,其中一部其中一部 分被分被被复合掉，另一部分则能到达p-n结。 到达p-n结的少数载流子立即受到自建场的 静电力作用，使p区的电子迅速到达n区， 而n区的空穴则迅速到达p区。 3.光生少数载流子被光生少数载流子被p-n

42、结的自建场所分离结的自建场所分离， 使使p-n结的静电场增强结的静电场增强.形成新电源-太阳能 电池. (2) (2)太阳能电池的基本电学特性太阳能电池的基本电学特性 太阳能电池的极性太阳能电池的极性。太阳能电池一般制 成p+p+n n型型结构或n+n+p p型结构 (见图113)。其中，第一个符号， 即p+或n+，表示太阳能电池正面光照层半导体 材料的导电类型；第二个符号，即n和p，表示 太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。 太阳能电池的电性能与制造电池所用的半 导体材料的特性有关。在太阳光照射时，太阳 能电池输出电压的极性，p型一侧电极正，n型 一侧电极为负 当太阳能电池作为电源与外电

43、路连 接时，太阳能电池在正向状态下工作。 当太阳能电池与其他电源联合使用时， 如果外电源的正极与电池的p电极连接， 负极与电池的n电极连接，则外电源向 太阳能电池提供正向偏压；如果外电源 的正极与电池的n电极连接，负极与p电 极连接，则外电源向太阳能电池提供反 向偏压。 太阳能电池的电流太阳能电池的电流- -电压特性电压特性 太阳能电池的电路及等效电路如图所示。 其中，R为电池的外负载电阻。 当R0时，所测的电流为电池的短路 电流Isc 。 短路电流Isc是将太阳能电池置于标准 光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳 能电池两端的电流，叫作太阳能电池的短路 电流。测量短路电流的方法，是用内阻小

44、于 1的电流表接在太阳能电池的两端。 Isc值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大， Isc 值越大。一般来说，1cm2太阳能电池的Isc值约 为1630mA。同一块太阳能电池，其Isc值与入射光 的辐照度成正比；当环境温度升高时， Isc值略有 上升，一般温度每升高1， Isc值约上升78uA。 当RL L时，所测得的电压为电池的开路电压 Uoc,开路电压Uoc是把太阳能电池置于100mWcm2的 光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电 压值，叫作太阳能电池的开路电压。可用高内阻的 直流毫伏计测量。太阳能电池的开路电压，与光谱 辐照度有关，与电池面积的大小无关。 在100mWcm2的太

45、阳光谱辐照度下，单晶 硅太阳能电池的开路电压为450-600mV，最 高可达690mV。当入射光谱辐照度变化时， 太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度 的对数成正比，当环境温度升高时，太阳 能电池的开路电压值将下降，一般温度每 上升1，Uoc值约下将23mV。 ID(二极管电流)为通过p-n结的总扩散电流， 其方向与Isc相反。Rs为串联电阻，它主要 由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻 和电极与硅表面间接触电阻所组成。Rsh为旁 漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内的缺 陷引起的。 一个理想的太阳能电池，很小，而Rsh很大。 由于Rs和及Rsh是分别串联与并联在电路中的， 所以在进行理想电路

46、计算时，它们都可以忽 略不计。此时，流过负载的电流I IL L为 当IL 0时，电压U即为Uoc，可用下式表示 根据以上两式作图，就可得到太阳能电 池的电流电压关系曲线。这个曲线， 简称为I-U曲线，或伏-安曲线，如图11- 5所示。 图11-5中曲线a，是二极管的暗伏 -安特性曲线，即无光照时太阳能电 池的I-U曲线； 曲线b，是电池接受光照后的I-U 曲线，它可由无光照时I-U曲线向第 象限位移Isc量得到。经过坐标变 换，最后即可得到常用的光照I-U曲 线，如图11-6所示。 I Imp为最大负载电流，Ump为最大负载电压。 在此负载条件下，太阳能电池的输出功率最 大，在电流电压坐标系中

47、对应的这一点， 称为最大功率点；对应的负载，称为最大负 载。 评价太阳能电池的输出特性，还有一个 重要参数，叫做填充因子它与开路电压、短 路电流和负载电压、负载电流的关系式为 太阳能电池的光电转换效率太阳能电池的光电转换效率 太阳能电池的光电转换效率用表示，指的是 太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的 入射光的功率之比。 太阳能电池的光电转换效率，主要与它的 结构、结特性、材料性质、电池的工作温度、 放射性粒子辐射损坏和环境变化等有关。计算 表明，在大气质量为AM l.5的条件下测试，目 前硅太阳能电池的理论转换效率的上限值为33 左右；商品单晶硅太阳能电池的转换效率一 般为1215，高效

48、单晶硅太阳能电池的转 换效率为1820。 太阳能电池的光谱响应太阳能电池的光谱响应 太阳光谱中，不同波长的光具有的能量是不 同的，所含的光子的数目也是不同的。因此， 太阳能电池接受光照射所产生的光子的数目也 就不同。为反映太阳能电池的这一特性，引入 了光谱响应这一参量。 太阳能电池在入射光中每一种波长的光能 的作用下，所收集到的光电流与相对于入射到 电池表面的该波长光子数之比，叫做太阳能电 池的光谱响应，又称为光谱灵敏度。 太阳能电池的光谱响应，与太阳能 电池的结构、材料性能、结深、表面 光学特性等因素有关，并且它还随环 境温度、电池厚度和辐射损伤而变化。 几种常用的太阳能电池的光谱响应曲 线

49、如图11-7所示。 3)3)太阳能电池的制造方法太阳能电池的制造方法 太阳能电池的种类很多，目前应用最多的 是单晶硅和多晶硅太阳能电池。它们技术上成 熟，性能稳定可靠，转换效率较高，已产业化 大规模生产。单晶硅太阳能电池的结构如图 11-8所示，实际上，它是一个大面积的半导体 p-n结。上表面为受光面，蒸有铝银材料做成 的栅状电极；背面为镍锡层做成的背电极。上 下电极均焊接银丝作为引线。为了减少硅片表 面对入射光的反射，在电池表面上蒸镀一层二 氧化硅或其他材料的减反射膜。 下面简要地介绍一下单晶硅太阳能电池的一般 制造方法。 硅片的选择硅片的选择 硅片是制造单晶硅太阳 能电池的基本材料（含量纯

50、度要大于99.999%）， 它可以由纯度很高的硅单晶棒切割而成。选择硅 片时，要考虑硅材料的导电类型、电阻率、晶向、位 错、寿命等。硅片通常加工成方形、长方形、圆形或 半圆形，厚度约为0.20-0.04mm。 硅片的表面准备硅片的表面准备 切好的硅片，表面 脏且不平。因此，前，要先进行表面准备。表 面准备一般分为3步。 a用热浓硫酸作初步化学清洗。 b.在酸性或碱性腐蚀液中腐蚀，每 面大约蚀去3050um。 c用王水或其他清洗液再进行化学 清洗。在化学清洗和腐蚀后，要用高纯 的去离子水冲洗硅片。 扩散制结扩散制结 p-n结是单晶硅太阳能电池的核心部分。没 有p-n结，便不能产生光电流，也就不成

51、其为 太阳能电池。因此，p-n结的制造是最重要的 工序。制结方法有热扩散、离子注入、外延、 激光和高频电注入等法。通常多采用热扩散法 制结。此法又有涂布源扩散、液态源扩散和固 态源扩散之分。其中固态氮化硼源扩散，设备 简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，p-n 结面平整，均匀性和重复性优于液态源扩散， 适合于工业化生产。 它通常采用片状氮化硼作源，在氮气 保护下进行扩散。扩散前，氮化硼片先 在扩散温度下通氧30min，使其表面的三 氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃 沉积在硅表面，硼向硅内部扩散。扩散 温度为9501000，扩散时间为15 30min，氮气流量为2000mLmin。 除去背结除

52、去背结 在高温扩散过程中，硅片的背面也形 成了p-n结，必须把背结去掉。除背结的常 用方法有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝 网印刷铝浆烧结法等。 为使电池转换所获得的电能能够输出， 必须在电池上制作正负两个电极。 电池光照面上的电极，称作上电极光照面上的电极，称作上电极; 电池背面的电极，称作下电极。 上电极通常制成栅线状，这有利于对光 生电流的收集，并使电池有较大的受光面 积。下电极布满在电池的背面，以减小电 池的串联电阻。 制作电极的方法主要有真空蒸镀、化学 镀镍、铝浆印刷烧结等。铝浆印刷烧结是目 前商品化生产中大量采用的方法。其工艺为， 把硅片置于真空镀膜机的钟罩内，真空度抽 到足够高时，

53、便凝结成一层铝薄膜，其厚度 控制在30一lOO nm。然后，再在铝薄膜上蒸 镀一层银，厚度约25um。为便于电池的组 合装配，电极上还需钎焊一层锡-铝-银合金 焊料。 此外，为得到栅线状的上电极，在蒸镀铝和 银时，硅表面需放置一定形状的金属掩膜。 上电极栅线密度一般为2一4条cm，多的 可达1019条cm，最多的可达60条cm。 用丝网印刷技术制作上电极，既可降低成本， 又便于自动化连续生产。所谓丝网印刷，是 用涤纶薄膜制成所需电极图形的掩膜，贴在 丝网上，然后套在硅片上用银浆、铝浆印刷 出所需电极的图形，经过在真空和保护气氛 中烧结，形成牢固的接触电极。 腐蚀周边腐蚀周边 扩散过程中，在硅片

54、的四周表面也有扩散 层形成，通常它在腐蚀背结时即已去除，所以 这道工序可以省去。若钎焊时电池的周边沾有 金属，则仍需腐蚀，以去除金属。这道工序对 电池的性能影响很大，任何微小局部的短路， 都会使电池变坏，甚至成为废品。腐蚀周边最 简单的方法是把硅片的两面掩蔽好，再放人腐 蚀液中腐蚀30s。目前工业化生产用等离子干 法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交换作 用，去除含有扩散层的周边。 蒸镀减反射膜蒸镀减反射膜 光在硅表面的反射损失率约为13。为减少 硅表面对光的反射，还要用真空镀膜法或气 相生长法或其他化学方法，在已制好的电池 表面蒸镀一层二氧化硅或二氧化钛或五氧化 二钽减反射膜。其中二氧化硅膜

55、工艺成熟， 制作简便，为目前生产上所常用。它可提高 太阳能电池的光能利用率，增加电池的电能 输出。 镀上一层减反射膜可将入射光的反射率 减少到10左右，而镀上两层减反射膜则 可将反射率减少到4以下。减少入射光反 射率的另一个办法，是采用绒面技术。电池 表面经绒面处理后，增加了入射光投射到电 池表面的机会，第一次没有被吸收的光经折 射后投射到电池表面的另一晶面上时，仍可 能被吸收。 检验测试检验测试 经过上述工序制得的电池，在作为 成品电池入库前，均需测试，以检验其 质量是否合格。在生产中主要测试的是 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 功率以及串联电阻等参数。

56、 单晶硅太阳能电池组件的封装单晶硅太阳能电池组件的封装 在实际使用时，要把单片太阳能电池串、 并联起来，并密封在透明的外壳中，组装成 太阳能电池组件。组件的封装工艺是用金属 导电带将太阳能电池焊接在一起，电池片上 下两侧均为乙烯醋酸乙烯酯(EVA)膜，最上 面是钢化白玻璃，背面是聚氟乙烯(PVF)复合 膜。将各层材料按顺序叠好后，放人真空层 压机进行热压封装。最上层的玻璃为低铁钢 化玻璃，透光率高，并且经长期紫外线照射 也不会变色。 EVA膜中加有抗紫外剂和固化剂，热压处 理中固化形成具有一定弹性的保护层，并保 证电池与玻璃紧密接触。PVF复合膜具有良好 的耐光和防潮及防腐性能。经层压封装后，

57、 再于四周加上密封条，装上经过氧化的铝合 金框，即制成太阳能电池组件。这种密封成 的组件，可以满足使用中对防冰雹、防风、 防尘、防湿、防腐等条件的要求，保证在户 外条件下的使用寿命在20年以上。把组件再 进行串、并联，便组成了具有一定输出功率 的太阳能电池方阵。 上面介绍的仅是一种传统的单晶硅太阳能电池 制造方法，有些工厂根据自己的实际条件也采用了 其他一些工艺，但均大同小异。为进一步降低太阳 能申池的成本，目前很多工厂已采用不少制作太阳 能电池的新工艺、新技术。伊如，在电池的表面采 用选择性腐蚀，使表面反射率降低；采用丝网印刷 化学镀镍或银浆烧结工艺制备上、下电极；用喷涂 法沉积减反射膜；并

58、进而在太阳申池的制作中免掉 使用高真空镀膜机。这些，都可使太阳能电池的工 艺成本大幅度降低，产量大幅度提高。其他如离子 注入、激光退火、激光掺杂、分子束外延等新工艺 也都有应用。 6.1.3 6.1.3 太阳能电池方阵太阳能电池方阵 (1)(1)太阳能电池方阵的设计和安装太阳能电池方阵的设计和安装 太阳能电池方阵的设计。单体太阳 能电池不能直接作为电源使用。在实际应 用时，是按照电性能的要求，将几十片或 上百片单体太阳能电池串、并联连接起来， 经过封装，组成一个可以单独作为电源使 用的最小单元，即太阳能电池组件。太阳 能电池方阵，则是由若干个太阳能电池组 件串、并联连接而排列成的阵列。 太阳能

59、电池方阵可分为平板式和聚光式两大类。 平板式方阵，只需把一定数量的太阳能电池组件按 照电性能的要求串、并联起来即可，不需加装汇聚 阳光的装置，结构简单，多用于固定安装的场合。 聚光式方阵，加有汇聚阳光的收集器，通常采用平 面反射镜、抛物面反射镜或菲涅尔透镜等装置来聚 光，以提高入射光谱辐照度。聚光式方阵，可比相 同功率输出的平板式方阵少用一些单体太阳能电池， 使成本下降；但通常需要装设向日跟踪装置，有了 转动部件，从而降低了可靠性。 太阳能电池方阵的设计，一般来说，就是按照用 户的要求和负载的用电量及技术条件计算太阳能电池 组件的串、并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作 电压决定，应考虑蓄电池

60、的浮充电压、线路损耗以及 温度变化对太阳能电池的影响等因素。在太阳能电池 组件串联数确定之后，即可按照气象台提供的太阳年 辐射总量或年日照时数的10年平均值计算确定太阳能 电池组件的并联数。太阳能电池方阵的输出功率与组 件的串、并联数量有关，组件的串联是为了获得所需 要的电压，组件的并联是为了获得所需要的电流。关 于太阳能电池发电系统及太阳能电池方阵设计与计算 的一般方法将在下面介绍。 太阳能电池方阵的安装太阳能电池方阵的安装 平板式地面型太阳能电池方阵被安装在 方阵支架上，支架被固定在水泥基础或其 他基础上。对于方阵支架和固定支架的基 础以及与控制器连接的电缆沟道等的加工 与施工均应按照设计