07晶体硅太阳能电池1_W

1、光子学器件与工艺讲：张荣君主电话：65643559E-mail：复旦大学信息学院光科学与工程系2008,9 - 2009,1张荣君 复旦大学 晶体硅太阳能电池张荣君 复旦大学 张荣君 复旦大学 提纲太阳能概况晶体硅太阳能发电原理与发展简介晶体硅太阳能电池的分类生产晶体硅太阳能电池流程与设备太阳能电池封装形式及加工介绍晶体硅太阳能电池的应用张荣君 复旦大学 张荣君 复旦大学 .

2、cn太阳能概况太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。张荣君 复旦大学 晶体硅太阳能发电原理简介晶体硅的发电过程：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成

3、P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子， 使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚 集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。太阳能电池是一种将太阳转变成电能的一种器件，能产生光伏效应的材料很多：如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。其产生电的原理是相同的。张荣君 复旦大学 太阳能电池发展简史从发现光伏现象，太阳能电池已经有近170多年的发展历史。1839年法国 人发现了光伏现象，38年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有1%的转换效 率，作为发电没能推

4、广。1954年美国贝尔实验室的3位科学家才做出具有使用价值的单晶硅电池（4.5%），几年后迅速提升到10%，这时主要用于、航天器（价格太高，每瓦要近2000美圆）。上世纪70年代后，由于化石能源的（石油、煤炭），再生能源被各国重视，尤其是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从1995年以后，太阳能电池以每年35%的年增长幅度高速发展。价格也大幅度降 低（2-4美圆/瓦）。最近5年是世界光伏电池快速增长的几年，平均年增长速度超过40%。2004年全球太阳能电池产量1200MW，2005年产量达到1650MW，比2004年增加38%。转换效率常规生产单晶15.5%、多晶14.5%，实验室

5、达24.8%。由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加上地球硅材料极其丰富，有人预计，太阳能发电到张2荣1世君 纪复中旦大叶学将 rjz占ha整ng个f能uda源n.市edu场.cn的20%-50%。太阳能电池的分类从基体材料分：晶体硅电池、非晶体硅电池、薄膜电池、硒光电池、化合物电池、有机半导体；晶体硅电池：单晶硅、多晶硅非晶硅电池：单结、双结、三结化合物太阳能电池：硫化镉、硒铟铜、磷化铟、锑化镉、砷化镓从用途分类：空间太阳能电池、地面太阳能电池、光伏传感器； 按工作方式分类：平板太阳能电池张、荣君聚复光旦太大学阳rjz能han电g池fuda、n.e分du.c光n太阳能电池。张荣君 复旦大

6、学 太阳能电池组件的分类按太阳能电池片分：单晶硅、多晶硅、砷化镓、非晶硅薄膜等按封装形式分：环氧树脂胶封、PET层压封装、钢化玻璃层压封装、硅胶封装等封装主要材料介绍环氧树脂：太阳能电池常用的是双组分液体，使用时现配现用。 通过改变固化剂、促进剂等达到不同的性能，来满足不同要求。EVA胶膜：是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物。特点：常温下无黏 性，便于裁切，加热到一定温度时，交联剂分解产生自由基，引发大分子间反应，形成三维网状结构，至EVA胶层交联固化，冷却后产生永久的黏合密封。玻璃：是盖板材料，通常使用低铁钢化玻璃。特点：透光率高、抗冲击能力强、使用寿命长等。一

7、般可见光透光率达90%以上， 对红外线有较高的反射，同时还能耐太阳紫外线的辐射。TPT、TPE等背面材料：是大型组件的背面材料，主要的作用是 防潮、抗湿、高强、阻燃等。其它材料：浸锡铜带，铝合金边框，电极接线盒，硅胶等张荣君 复旦大学 太阳电池组件及封装 太阳能电池组件由太阳电池片通过串、并联后严密封装制成。未封装的单体太阳能电池片不能直接作电池使用。原 因 ：1. 机械强度弱，不能承受较大的力的撞击；2. 大气中的水和腐蚀气体会锈蚀和氧化电极，使电极脱落；3. 大气会腐蚀电池，降低电池的转换效率；4. 单体电池的工作电压只有0.4-0.5V，而且功率也小

8、，不能 满足用电设备的电压、功率要求。张荣君 复旦大学 太阳电池组件及封装太阳能电池组件解决了单体电池的一些问题，组件具有以下的特点：1. 工作电压和输出功率按不同的要求设计，可提供多种的接线方式，满足不同的电压输出要求；2. 工作寿命长，要求组件能正常工作2030年，因此要求组件所使用的材料，零部件及结构，在使用寿命上互相一致，避免因一处损坏而使整个组件失效；3. 有足够的机械强度，能经受在运输、安装和使用过程中发生的冲突，振动及其它应力；4. 具有防腐、防潮、防水、防风、防雹能力；张荣君 复旦大学 技术指标要求层压

9、电池组件的基本要求：1. 在规定的工作环境下，使用寿命大于20年（使用20年， 转换效率不得低于原来的80%）；2. 组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑；3. 电池片应排列整齐，框架整洁无腐蚀斑点；4. 封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定；5. 绝缘电阻大于200M；6. EVA的交联度大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于30N/cm，EVA与TPT的剥离强度大于15N/cm；张荣君 复旦大学 测试条件 标准测试条件标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的A

10、M1.5标准阳光光谱。地面阳光的总辐照度规定为1000 w/m2。标准测试温度规定为25C对定标测试，标准测试温度的允许差为1C。对非定标准测试。标准测试温度允许差为2C。如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，则必须将测量结果换算到标准测试条件。张荣君 复旦大学 太阳电池组件常见结构形式（1）全胶密封太阳电池组件示意图1硅太阳电池；2粘接剂；3电极引线；4下底板；5互连条。张荣君 复旦大学 太阳电池组件常见结构形式（2）玻璃壳体式太阳电池组件示意图1玻璃壳体；2硅太阳电池；3互连条；4粘接剂； 5衬底；6下底板

11、；7边框线；8电极接线柱。 张荣君 复旦大学 太阳电池组件常见结构形式（3）底盒式太阳电池组件示意图 1玻璃盖板；2硅太阳电池；3盒式下底板；4粘接 剂；5衬底；6固定绝缘胶；7电极引线；8互连条。 张荣君 复旦大学 太阳电池组件常见结构形式（4）平板式太阳电池组件示意图1边框；2边框封装胶；3上玻璃盖板；4粘接剂；5下底板；6硅太阳电池；7互连条；8引线护套；9电极引线。张荣君 复旦大学 电池组件生产流程示意张荣君 复旦大学 出 厂 出厂抽检

12、 入 库 成品检测 层 压 半成品检测 总 装 贴 片 单片焊接 单片检测 划 片 原料分选 张荣君 复旦大学 光伏发发电系系统分类类太阳能独立电源系统示意图张荣君 复旦大学 太阳能独立电源系统示意图张荣君 复旦大学 光伏独立发电系统示意图组成：太阳电池阵列、蓄电池、控制器、逆变器张荣君 复旦大学 （1）太阳能户用应用系统西部地区农民家庭的风光互补发电系统张荣君 复旦大学 （2）光伏发电应用森林防火监测太阳

13、能电源张荣君 复旦大学 （3）太阳能应用产品太阳能户外灯具在道路、小区、广场的应用张荣君 复旦大学 光伏发电并网系统示意图Solar Array太阳光伏阵列Net Metering网络监测Load负载 张荣君 复旦大学 DC to AC Inverter逆变器 光伏发电并网系统组成部分太阳电池（光伏组件）光伏接线箱并网逆变器张荣君 复旦大学 国际上太阳能电站向大型化发展v 百千瓦级到10MW级分散建设v 百MW级到GW级光伏电站根据不完全统计，

14、世界范围内建成的兆瓦级光伏电站共有85座，分布于德国（53）、美国（14）、西班牙（7）、荷兰（4）、意大利（2）、澳大利亚（1）、（1）、日本（1）、菲律宾（1）和中国（1），均采用并网运行方式。目前，世界上最大为德国的Pocking SolarPark， 总安装容量为10兆瓦。v 葡萄牙、以色列等计划百MW级30张荣君 复旦大学 太阳能光伏国外电站介绍美国亚特兰大奥运会游泳馆340千瓦张荣君 复旦大学 太阳能光伏国外电站介绍德国Solarpark Pocking 10兆瓦世界容量最大的并网光伏电站张荣君 复旦大学

15、跟踪和聚光式光伏电站 高倍聚光 低倍聚光 双轴跟踪 单轴跟踪张荣君 复旦大学 国外光伏发电系统发展现状跟踪系统采用双轴跟踪系统的 24KWp 250倍菲涅耳聚光太阳电池阵列张荣君 复旦大学 国内光伏电站及平衡系统技术发展现状张荣君 复旦大学 国内太阳能电站介绍上海宝山庙行野桥菜场15KW光伏并网发电系统张荣君 复旦大学 中国光伏系统应用的主要领域 无电地区独立运行系统 城建筑结合并网系统 荒漠或草原地区大型

16、或超大型并 网光伏系统 张荣君 复旦大学 国内并网光伏电站建设情况1、广东深圳国际园林花卉博览园1兆瓦并网光伏电站；2、北京首都博物馆300千瓦并网光伏电站（美国）；3、北京路灯管理处140千瓦并网光伏电站（日本赠送）；4、北京太阳能研究所100千瓦并网光伏电站；5、羊八井100千瓦并网光伏电站；6、广东汕头南澳岛100千瓦并网光伏电站；7、北京市交管局昌平会议中心80千瓦并网光伏电站8、中关村软件园60千瓦并网光伏系统；9、北京大兴天普50千瓦并网光伏系统；10、北京大众汽车服务中心43千瓦并网光伏系统。；38国内太阳能企业上市情况张荣君 复旦大学 rj

17、全球光伏市场和产业的快速发展及趋势1994200419992004200320042004200520052006200620072007200820082009：平均年增长率为33%：平均年增长率为43：增长61.2：增长51：增长约为58%：增长约为53%：增长约为54%?：增长约为66%?张荣君 复旦大学 张荣君 复旦大学 张荣君 复旦大学 成本不断降低光伏组件成本30年来降低2个数量级，2003年世界重要厂商的成本为2 2.3美元/Wp，售

18、价2.53美元/Wp，最近张荣君复旦大学 光伏发电技术发展趋势一、大型、超大型荒漠（高压）并网光伏电站二、单轴、双轴、聚光式跟踪系统三、与建筑结合的小、中、大型并网发电系统四、光伏发电系统在分布式发电中的广泛应用张荣君 复旦大学 张荣君 复旦大学 太阳能电池的利弊 优点：(1)普遍：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛 屿，处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。 (2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，是最清洁的能源之 一，在环境污染越来越严重的今天，这是极其宝贵的

19、。 (3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿 吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 (4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维 持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 张荣君 复旦大学 缺点：(1) 分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m 2 面积上接收到的太阳能平均有1kW左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半

20、，阴天一般只有15左右，这样的能流密度是很低的。因 此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大 的一套收集和转换设备，造价较高。 (2) 不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 (3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低， 成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。 张荣君 复旦大学 太阳能利用中的经济问题： 第一，世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳