太阳能转化为电能的技术分析

太阳能转化为电能的技术分析

能是一项高产能量，适用、传输和分配相对简单。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础,世界各国都十分重视,其转换途径很多,有光电直接转换,有光热电间接转换等。这里重点介绍光电直接转换器件——太阳电池。1能的原理和性质1.1光发电系统发电太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现已晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。1.2晶体硅太阳电池的生产“硅”是我们这个星球上储藏最丰富的材料之一。自从上个世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后,它几乎改变了一切,甚至人类的思维,20世纪末,我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用,晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤:a.提纯过程;b.拉棒过程;c.切片过程;d.制电池过程;e.封装过程。1.3能源系统的应用将更加丰富上世纪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。在世纪之交前后期间,欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然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。光伏电源系统的组成:1.3.1直接负荷系统1.3.2传输负荷系统1.4太阳电池的基本性质1.4.1光学转换效率%评估太阳电池好坏的重要因素。目前:实验室η≈24%,产业化:η≈15%。1.4.2单电压v1.4.3填充因子的数学表达形式几何意义用I-V曲线图来表示:阴影部分为负载面积,填充因子的数学表达形式:其中:Isc——短路电流,Voc——开路电压,Im——最佳工作电流,Vm——最佳工作电压。1.4.4标准光强度和环境条件1.4.5电池温度对电池板有效功率的影响例如:在标准状况下,AM1.5光强,t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45℃时,则电池板输出功率就不到100Wp。2太阳能电池类型2.1太阳电池组件的设计单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池,它的构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求99.999%。将单晶硅棒切成片,一般片厚约0.3毫米。硅片经过形、抛磨、清洗等工序,制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片,首先要在硅片上掺杂和扩散,一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。然后采用丝网印刷法,精配好的银浆印在硅片上做成栅线,经过烧结,同时制成背电极,并在有栅线的面涂覆减反射源,以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此,单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验,即可按所需要的规格组装成太阳电池组件(太阳电池板),用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计,可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵,亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15%左右,实验室成果也有20%以上的。2.2太阳能组件的制备晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料,而制造这些材料工艺复杂,电耗很大,在太阳电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状,切片制作太阳电池也是圆片,组成太阳能组件平面利用率低。目前太阳电池使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100~300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料,经破碎,用1:5的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀,然后用去离子水冲洗呈中性,并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料,加人适量硼硅,放人浇铸炉,在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟,然后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体,以便切片加工成方形太阳电池片,可提高材制利用率和方便组装。2.3非晶硅薄膜的制备工艺非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,电耗更低,非常吸引人。制造非晶硅太阳电池的方法有多种,最常见的是辉光放电法,还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空,充入氢气或氩气稀释的硅烷,用射频电源加热,使硅烷电离,形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼,即可得到N型或P型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺,主要取决于严格控制气压、流速和射频功率,对衬底的温度也很重要。非晶硅太阳电池的结构有各种不同,其中有一种较好的结构叫PiN电池,它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅,再沉积一层未掺杂的i层,然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅,最后用电子束蒸发一层减反射膜,并蒸镀银电极。此种制作工艺,可以采用一连串沉积室,在生产中构成连续程序,以实现大批量生产。同时,非晶硅太阳电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法制造,在一个平面上,用适当的掩模工艺,一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压,现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象,所以尚未大量用于作大型太阳能电源,而多半用于弱光电源,如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后,非晶