太阳能电池基础知识

太阳能电池太阳能电池§2.1太阳能电池的工作原理与特性§2.2太阳能电池的生产工艺流程

§2.3太阳能电池组件

§2.4太阳能电池方阵

第二章太阳能电池

光伏发电系统最核心的器件是太阳能电池。由于太阳能电池可以将太阳的光能直接转换成电能，无复杂部件、无转动部分，无噪声等，因此使用太阳能电池的光伏发电是太阳能利用较为理想的方式之一。太阳能电池作为将太阳能直接转换成电能的关键部件，其质量的好坏直接影响太阳能光伏发电系统的输出功率及使用寿命，本章重点讲述太阳能电池的原理、特性及种类。

第二章太阳能电池

太阳能电池是一种具有光生伏打效应的半导体器件，它由两层半导体材料组成，其厚度约为1/100英寸，形成两个区域：一个正电荷区，一个负电荷区。正电荷区位于电池的下层，负电荷区位于电池的上层，正负电荷区交界面附近的区域称为PN结。PN结是太阳能电池的核心，是其赖以工作的基础。§2.1太阳能电池的工作原理与特性

第二章太阳能电池（1）通常的火力、水力发电，发电站一般远离负载，需要通过输电系统，而太阳能电池只要有太阳便可发电，因此使用方便，可以安装在靠近电力消耗的地方，在远离电网的地区，可以降低输电和配电成本，增加供电设施的可靠性。（2）没有运动部件，寿命长，无需或极少需要维护。（3）太阳能电池能直接将光能转换成电能，不会产生废气和有害物质等。（4）太阳能电池的能量随入射光、季节、天气、时刻等的变化而变化，在夜间不能发电。（5）太阳能电池所产生的电是直流电，并且无蓄电功能。（6）太阳能电池成本较高。§2.1.1太阳能电池的优点：

第二章太阳能电池§2.1.2太阳能电池发电的基本原理及结构一、太阳能电池的基本工作原理

图2-1光生伏打效应原理示意图所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

第二章太阳能电池

图2-2太阳能电池发电原理示意图太阳能电池的原理：太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

第二章太阳能电池半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：（1）收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子后，半导体内产生电子—空穴对，两者极性相反。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前复合不消失。（3）这些电性相反的光生载流子在太阳能电池PN结内建电场的作用下，电子—空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。（4）在太阳能电池PN结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。第二章太阳能电池

图2-3太阳能电池的结构原理图二、太阳能电池的结构

因生产制造太阳能电池的基体材料和所采用的工艺方法的不同，太阳能电池的结构也是多种多样。现在大部分使用的都是P型半导体与N型半导体组合而成的PN结型太阳能电池，它主要由P型和N型半导体、电极、减反射膜等构成。第二章太阳能电池二、太阳能电池的电流——电压特性

太阳能电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对应的工作电压和电流值绘出曲线就得到太阳能电池的电流-电压特性曲线。

图2-4常用的太阳能电池电流-电压特性曲线第二章太阳能电池三、太阳能电池的光电转换效率太阳能电池的转换效率（ConversionEfficiency）用来表示在太阳能电池上的光能量转换成电能的大小，一般用输出能量与入射的太阳能量之比来表示。转换效率=（太阳能电池的输出能量/入射的太阳能量（Pin

））×100%思考：为什么太阳能电池的入射光的能量不能高效地转换成电能呢？第二章太阳能电池三、太阳能电池的光电转换效率改善太阳能电池转换效率的方法：

1、太阳能电池材料的厚度。

2、电池与接线的电阻。

3、电池的表面处理。

（抗反射层、表面粗化处理和电极形状）。

4、太阳能电池组件安装角度。第二章太阳能电池四、太阳能电池的光谱响应

图2-5

硅太阳能电池的相对光谱响应曲线第二章太阳能电池§2.1.4太阳能电池的分类一、按照结构的不同分类1、同质结太阳能电池2、异质结太阳能电池3、肖特基太阳能电池4、多结太阳能电池5、液结太阳能电池第二章太阳能电池§2.1.4太阳能电池的分类二、材料的不同分类1、硅太阳能电池单晶硅电池片多晶硅电池片第二章太阳能电池2、化合物半导体太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族化合物（GaAs）太阳能电池Ⅱ-Ⅵ族化合物（CdS/CdTe）太阳能电池三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ族化合物（硒铟铜）太阳能电池3、有机半导体太阳能电池4、薄膜太阳能电池第二章太阳能电池§2.2太阳能电池的生产工艺流程

制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、刻蚀、去磷硅玻璃、镀减反射膜、烧结、丝网印刷电极、测试分选等主要工序。图2-6晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程第二章太阳能电池1、硅片太阳能电池的生产工艺流程步骤：

硅片是制造太阳能电池的基本材料，它可以由纯度很高的硅棒、硅锭或硅带切割而成。硅材料的性质在很大程度上决定成品电池的性能。硅片的选择就是把性能一致的硅片选择出来，如导电类型、电阻率、晶向、寿命等。若将性能不一致的硅片电池组合起来制作单体太阳能电池，再制作成组件，其输出的功率就会降低。第二章太阳能电池2、硅片表面处理太阳能电池的生产工艺流程步骤：①去除硅片表面的机械损伤层；②对硅片的表面进行凹凸面(金字塔绒面）处理，增加光在太阳能电池片表面的折射次数，有利于太阳能电池片对光的吸收，以达到电池片对太阳能价值的最大利用率；③清除表面硅酸钠、氧化物、油污以及金属离子杂质。第二章太阳能电池3、绒面制备太阳能电池的生产工艺流程步骤：目的：减少光的反射率，提高短路电流，最终提高电池的光电转换效率。图2-7较为理想的绒面效果图单晶硅多晶硅第二章太阳能电池4、扩散制结太阳能电池的生产工艺流程步骤：

扩散制造PN结是太阳能电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。扩散结果直接影响到PN结的质量，并对制作太阳能电池的后续步骤印刷及烧结产生影响。

扩散法主要有热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。通常采用热扩散法制结。而热扩散法又分为涂布源扩散、液态源扩散和固态源扩散之分。第二章太阳能电池太阳能电池的生产工艺流程步骤：图2-8管式扩散炉

太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成第二章太阳能电池5、去除背结太阳能电池的生产工艺流程步骤：在扩散过程中，硅片的背面和周边也形成了PN结，为防止短路，需要通过刻蚀将其去除，同时去除正面的磷硅玻璃。刻蚀方法湿法刻蚀干法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术，是最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。它是一种纯化学刻蚀，具有优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就会停止，而不会损坏下面一层其他材料的薄膜。干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。图2-8湿法刻蚀工艺流程第二章太阳能电池6、制备减反射膜太阳能电池的生产工艺流程步骤：磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。具体方法

光在硅表面的反射损失率高达35%左右。为减少硅表面对光的反射，可在电池正面蒸镀上一层或多层减反射膜。减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。

等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）磁控溅射技术PECVD的优点是基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。第二章太阳能电池湿法刻蚀与干法刻蚀的简单比较：⑴湿法刻蚀相对干法刻蚀的优点：①非扩散面的PN结刻蚀时被去除；②硅片洁净度提高；③节水。太阳能电池的生产工艺流程步骤：⑵湿法刻蚀相对干法刻蚀的缺点：①硅片水平运行，；②下料吸笔易污染硅片；③传动滚轴易变形；④成本高（化学品刻蚀代替等离子刻蚀成本增加）。一号印刷机，是印刷背面电极（简称背极）的设备，它主要是在硅片的背面用银浆印刷上背极，再经过烘干炉烘干后，将硅片送入下道工序。二号印刷机，主要是在硅片上通过铝浆的印刷形成背电场，再经过烘干炉烘干后进入下道工序。三号印刷机，在硅片的表面用银浆印上正栅，必须要注意断栅的发生。丝网印刷设备第二章太阳能电池太阳能电池的生产工艺流程步骤：图2-9丝网印刷背面电极及电场图示正面栅线设计第二章太阳能电池太阳能电池的生产工艺流程步骤：9、检验测试

经过上述工艺制得的电池，在作为成品电池入库前，需要进行测试，以检验其质量是否合格。在生产中主要测试的是电池的电流—电压特性曲线。可以得知电池的光电转换效率、短路电流、开路电压、最大输出功率以及串联电阻等参数。图2-10检验设备第二章太阳能电池

单件太阳能电池片是太阳能电池的最小元件。§2.3太阳能电池组件图2-11单件太阳能电池片图2-12太阳能电池组件第二章太阳能电池§2.3太阳能电池组件太阳能电池组件封装的目的：（1）防止太阳能电池破损。（2）防止太阳能电池被腐蚀失效。（3）满足负载要求。晶体硅呈脆性；硅太阳能电池面积大等；

太阳能电池长期暴露在空气中会出现效率的衰减；太阳能电池对紫外线的抵抗能力较差；太阳能电池不能抵御冰雹等外力引起的过度机械应力所造成的破坏；太阳能电池表面的金属层容易受到腐蚀；太阳能电池表面堆积灰尘后难以清除。串联或并联成一个能够独立作为电源使用的最小单元。由于单件太阳能电池输出功率难以满足常规用电需求，需要将它们串联或者并联后进行供电。

第二章太阳能电池§2.3.1太阳能电池组件的种类和特征太阳能电池组件种类建材一体型太阳能电池组件采光型太阳能电池组件建材屋顶一体型组件新型太阳能电池组件建材墙壁一体型组件结晶硅系组合玻璃采光太阳能电池组件结晶硅系复合玻璃采光型太阳能电池组件薄膜系组合玻璃透光型太阳能电池组件薄膜系复合玻璃透光型太阳能电池组件

第二章太阳能电池

太阳能电池组件特征：（1）太阳能电池组件的强度特征；（2）太阳能电池组件的美观特征；（3）太阳能电池组件的安装及传输特征；（4）太阳能电池组件的采光特征；（5）太阳能电池组件的安全特征；（6）太阳能电池组件的寿命特征；

第二章太阳能电池§2.3.2太阳能电池组件的封装结构1-边框；2-边框封装胶；3-上玻璃盖板；4-黏结剂；5-下底板6-硅太阳能电池；7-互连条；8-引线护套；9-电极引线；图2-13平板式太阳能电池组件示意图

第二章太阳能电池黏结剂:

黏结剂是固定电池和保证与上、下盖板密合的关键材料。技术要求：①在可见光范围内具有高透光性，并抗紫外线老化；②具有一定的弹性，可缓冲不同材料间的热胀冷缩；③具有良好的电绝缘性能和化学稳定性，不产生有害电池的气体和液体；④具有优良的气密性，能阻止外界湿气和其它有害气体对电池的侵蚀；⑤适合用于自动化的组件封装。图2-14EVA胶膜与太阳能电池

EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，标准太阳能电池组件中一般要加入两层EVA胶膜，EVA胶膜在电池片与玻璃、电池片与底板(TPT、PVF、TPE等)之间起粘接作用。

EVA太阳能电池胶膜性能最好，使用最广。

第二章太阳能电池§2.3.3太阳能电池组件的封装设备1、层压机工作过程：上室真空→开盖→放入待压组件→合盖→下室抽空→上室充气（层压）→下室抽气→开盖→取出电池板2、全自动装框机全自动装框机是太阳能光伏组件加工的专用设备。图2-15层压机图2-16全自动装框机

第二章太阳能电池1、电池片分选由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能也不尽相同，所以，为了有效地将性能一致或相近的电池组合在一起，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，这样可提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。图2-17电池片分选

第二章太阳能电池2、单焊单焊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，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。图2-18电池片单焊

第二章太阳能电池3、串焊串焊是将N张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模具板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将单片焊接好的电池的正面电极（负极）焊接到"后面电池"的背面电极（正极）上，这样依次将N张片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。图2-19电池片串焊

第二章太阳能电池4、叠层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、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。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）。图2-20层压敷设

第二章太阳能电池5、组件层压将敷设好的电池组件放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热EVA熔化，将电池、玻璃和背板黏结在一起，最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键的一步。图2-21层压过程示意图

第二章太阳能电池6、修边7、装框8、粘接接线盒粘接接线盒是指在组件背面引线处粘接一个盒子，以有利于电池与其它设备或电池的连接。层压时，EVA溶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。装框类似于给玻璃装一个镜框。给电池组件装铝框，可以增强组件的强度，进一步密封电池组件、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。

第二章太阳能电池组件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，以确定组件的质量等级。高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定电压，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。9、组件测试12、装箱入库11、清洗10、高压测试好的产品不仅有好的质量和好的性能，而且要有好的外观，所以次工序保证组件清洁度，铝边框边上的毛刺要去掉，确保组件在使用减少对人体的损伤。

第二章太阳能电池图2-22太阳能电池方阵的构成太阳能电池方阵，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，如图2-22所示。§2.4太阳能电池方阵§2.4.1太阳能电池方阵的组成

第二章太阳能电池

串联电池组件热斑防护效应

并联电池组件热斑防护效应

串联回路，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管Db，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。并联支路，需要串联一只二极管Ds，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的功能。

第二章太阳能电池§2.4.1太阳能电池方阵的组成3、汇流箱作用：将太阳能电池组件串的直流电缆，接入后进行汇流，再与并网逆变器或直流防雷配电柜连接，以方便维修和操作。图2-23汇流箱

第二章太阳能电池§2.4.1太阳能电池方阵