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1、1.什么是太阳能电池？太阳能电池是一种将太阳辐射能直接转换为电能的固态电子器件。太阳能电池将太阳辐射转换为电能的方式是利用了光伏效应Photovoltaic，PV。故太阳能电池也称光伏电池Photo-Light，Voltaic-Electricity太阳电池单元Solar Cell、模组Module、阵列Array太阳能电池目前大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池，多晶硅比单晶硅转换效率低但价格更便宜。第1页/共52页单元（cell）；模组（module）；阵列（array）太阳电池单
2、元（Solar Cell）是太阳能电池的最小元件，通常是由面积为4200cm2大小的半导体薄片构成的芯片。一枚这样的太阳电池芯片输出电压约为0.5V。实际为满足不同用电设备的需要，电压要求达到十几伏甚至几百伏，需要将大量的太阳电池芯片串联起来。通常将几十枚太阳电池芯片串联或并联连接，然后用铝合金框架将其固定，表面再覆盖高强度透光玻璃，就构成太阳电池模组，由若干个太阳电池组件构成太阳电池阵列。第2页/共52页目前国内外太阳电池电源设备的应用宇宙开发观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星航空运输飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯气象观测无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪航线
3、识别航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计通讯设备无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站农畜牧业电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯公路铁路无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话日常生活照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯第3页/共52页光伏发电应用领域太空飞行器-飞船、人造卫星等的太阳能帆板。第4页/共52页光伏发电应用领域由瑞士主导研制的世界最大太阳能飞机“太阳驱动”完成了首次连续26小时试验飞行。第5页/共52页光伏发电应用领域返回返回第6页/共52页光伏发电应用领域 太阳方舟 全长315m，最高位置（两边）高37.1米，中央高31.6m，底部宽13.7m，顶部宽4.3m
4、，重量3000t。最大功率630kW，年发电量53万kWh,预计每年可以减排95吨。第7页/共52页光伏发电应用领域德国Freiburg太阳能住宅第8页/共52页光伏发电应用领域广场或走廊天棚第9页/共52页光伏发电应用领域 德国，太阳电池组件可作为遮阳挡雨部件第10页/共52页光伏发电应用领域德国，光伏幕墙第11页/共52页光伏发电应用领域德德国国，装装饰饰性性光光伏伏候候车车棚棚第12页/共52页光伏发电应用领域意意大大利利太太阳阳电电池池也也可可作作为为外外墙墙装装饰饰品品第13页/共52页光伏发电应用领域One-axis solar tracking system following
5、the sun from east to west,usually generate 30%more energy than horizontal PV modules.第14页/共52页2.太阳电池的种类有哪些？15材料特点：均为半导体！single crystal siliconmulticrystal siliconamorphous silicon,a-Si（GaAs,InP,InGaP）（CdTe,CuInSe2）按材料的种类来分第15页/共52页16Section from the periodic table.More common semiconductor materials
6、 are shown in blue 第16页/共52页3.太阳能光电转换理论光生伏特效应是太阳能光电转换的基本过程。光生伏特效应，简称光伏效应，英文名称：Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光伏Photovoltaic太阳能光电转换基本原理：太阳辐射中的光子打入半导体中，产生可以自由移动的电子和空穴，即负电荷粒子和正电荷粒子。在半导体P-N结层附近有一内建电场，它使带一种电荷的粒子加速通过，而将另一种带电粒子排斥回去。于是，P-N结两端的接触电极将分别带上正电荷和负电荷。当与外负载相连接后，电流就将流过负载，输出电能。
7、第17页/共52页半导体的结构原子：所有物质都是有原子组成的。原子是由一定数量的带正电荷的质子、带负电荷的电子和不带电荷的中子组成的；原子核由质子和中子组成，集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量；电子在不同能级上围绕原子核运动，离原子核最远的电子和邻近的原子相互作用，决定了固体的结构。晶体：硅原子有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子。大量的硅原子通过价电子结合在一起，形成晶体。在晶体中，每个硅原子通常和邻近的4个硅原子以共价键的形式分别共享4个价电子。共价键结合的电子在受到外界能量（光或热）的作用下，容易脱离束缚而形成自由电子。第18页/共52页半导体的结构硅原子遵循的量子力学原理：原
8、子中的电子分布在层次分明的各个能级上；电子从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，需要吸收一定的能量；当原子形成晶体时，由于原子之间的影响，单一的能级变成具有一定幅度的能带，每个能带由若干能级组成。原子中最外层电子或价电子所在的能带为价带，通常也是被电子占用的能量最高的能带，也叫满带。少数电子由于热运动的缘故，可以跃迁到上面空着的具有较高能量的能带，成为导电的自由电子，具有能导电的电子的最高能带为导带。价带和导带之间有一个空隙带，叫做禁带。禁带具有一定的能量，叫做禁带宽度（或者称为带隙、能隙），用Eg表示，即导带的最低能级与满带的最高能级的能量差。第19页/共52页光的吸收当光照射到半导体材料时
9、，拥有比禁带宽度（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体的相互左右极弱，于是顺利地穿透半导体，就如半导体是透明的一样。然而，能量比禁带宽度大的光子（EghEg）会与形成共价键的电子相互作用，用它自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自由流动的电子-空穴对。光照时电子-空穴对的产生 Eg导带(禁带宽度)价带第20页/共52页21光子的能量越高，被吸收的位置就越接近半导体表面，较低能量的光子则在距半导体表面较深处被吸收。光的能量与电子-空穴对产生的位置间的联系 第21页/共52页光电导效应：当电子受到激发跃迁到导带后，在满带中留下空穴。当半导体表面受到光的照射时，有些光子的能量大到足以使电子挣脱
10、原子的束缚，同时把电子由价带激发到导带，使半导体中产生大量的电子-空穴对，这种现象叫光电导效应。光子的能量大于等于Eg时，才能实现光电导效应：能量高于禁带宽度的入射光子可以被电子完全吸收，吸收了能量的电子就跃过禁带，到达导带中的较高能级。当电子最终落到导带底层时，其从光子接受的多余能量就以热能的形式释放到晶格中。禁带宽度的大小决定了太阳能电池对光波的选择性，波长大于截止波长的光不能实现光电转换。第22页/共52页半导体的能带示意图第23页/共52页太阳能电池对半导体材料的薄膜厚度有一定要求光子不是在半导体表面全部被吸收，而是在材料的一层厚度里逐步被吸收。同一种半导体材料，一般对频率高的光子吸收
11、系数大，不同的半导体材料，对同一频率的光子，一般吸收系数不同。比如，若要吸收90%以上的光子能量，半导体Si的薄膜厚度需要超过100m，而半导体GaAs的薄膜厚度只需要1m第24页/共52页载流子复合当光源被关掉后，系统势必会回到一个平衡状态。在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动直到他们相遇并复合。任何表面或内部的缺陷、杂质都会促进复合的产生。材料的载流子寿命：电子空穴对从产生到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约为1s。载流子的扩散长度：载流子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅，扩散长度一般是100300m。如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。
12、因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要增加一个整流P-N结来实现。第25页/共52页P-N结本征半导体：没有杂质的纯半导体杂质半导体：在半导体中加入少量杂质而使其导电机制发生了改变的半导体。n型半导体：其导电载流子主要是电子的杂质半导体，如加入5价的磷原子P型半导体：其导电载流子主要是空穴的杂质半导体，如加入3价的硼原子内建电场：n型半导体和p型半导体接触后，产生多数载流子（电子或空穴）扩散，在p型区一侧有电子的积累，而n型区一侧有空穴的积累，形成一层电偶极层p-n结，其厚度约0.1m量级。这样在p-n结内产生一个由n型区指向p型区的电场，称为内建电场。势垒：内建电场的存在，形成一个从p-n
13、结的n型区一侧指向p型区一侧的电势差，叫势垒，也叫接触电位差。势垒的存在阻止了多数载流子的扩散运动，而有利于少数载流子的漂移运动。最终漂移运动和扩散运动趋于平衡，p-n结内空间电荷区厚度不再增加。第26页/共52页太阳电池单元产生的电压和其尺寸无关。太阳电池输出电流与太阳电池的面积大小、日照的强弱、太阳电池温度等因素有关。第27页/共52页典型的晶体硅太阳电池的结构上表面为一层N+型的顶区，构成一个N+/P型结构。从太阳电池顶区引出的电极是上电极，为保证尽可能多的入射光不被电极遮挡，同时减少电子和空穴的复合损失，使之以最短路径到达电极，上电极一般采用铝-银材料制成栅线形状。太阳电池底部引出的电
14、极为下电极，通常为了减少太阳电池内部的串联电阻，将下电极用镍-锡材料做成布满下表面的板状结构。上下电极分别与N+区和P区形成欧姆接触，尽量做到接触电阻为零。为了减少入射光损失，整个上表面还均匀地覆盖一层用二氧化硅等材料构成的减反射膜。N+/P型表示太阳电池正面光照半导体材料的类型是N型，背面衬底材料为P型第28页/共52页4.太阳电池的基本特性光生电流Iph由n型区、空间电荷区和p型区中光生载流子的移动和漂移而产生。理想二极管代表p-n结。Rs代表p型区和n型区半导体材料的体电阻、p-n结扩散层的薄膜电阻、电池电极的欧姆接触电阻等；Rsh代表p型区和n型区中载流子的产生和复合、p-n结载流子泄
15、漏以及电池边缘载流子泄漏等产生的电流损失而增加的电阻。（1）太阳电池的等效电路二极管方向饱和电流第29页/共52页太阳电池的短路电流Isc太阳电池的开路电压Uoc短路电流的大小与太阳电池的面积大小紧密相关，面积大，短路电流就大，通常1cm2的单晶硅太阳电池的短路电流为1630mA开路电压与电池面积的大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压为450600mV，高的可达700mV左右。太阳电池伏安特性曲线上的任何一点都是其工作点，工作点与坐标原点的连线称为负载线，与工作点对应的电流与电压的乘积为太阳电池的输出功率。（2）太阳电池的伏安特性4.太阳电池的基本特性第30页/共52页5.太阳电池特性的影响
16、因素（1）短路电流与入射光辐照度近似成正比关系；（2）入射光辐照度较小时，开路电压与入射光辐照度近似成正比关系，当入射光辐照度较大时，开路电压与入射光辐照度呈对数关系变化；（3）随工作温度的升高，短路电流略有升高，而开路电压显著降低，输出功率随温度的升高而显著降低。第31页/共52页第32页/共52页6.影响太阳电池转化效率的因素太阳电池的效率：太阳电池的输出功率与入射到太阳电池的辐射功率的百分比主要有三个方面：（1）半导体材料的性质，包括基体材料性质和掺杂特性；（2）太阳能电池的制造工艺；（3）太阳能电池的工作条件，如温度等禁带宽度温度复合寿命入射光辐照强度掺杂浓度表面复合速率接触电极与串联
17、电阻金属栅和光反射具体参数包括：第33页/共52页在给定温度下，存在一个合适的Eg值，使得转换效率最大。随温度的升高，电池材料禁带宽度略有降低，载流子寿命缩短，开路电压会显著减少，效率降低。光生载流子寿命长，才能够通过p-n结形成电流，所以应尽量提高复合寿命，其关键是在材料制备和电池生产过程尽量减少晶格缺陷和有害杂质。第34页/共52页聚光可以提高入射光辐照强度，从而可以显著提高电池效率，但是聚光也造成电池温度升高，使载流子的复合寿命缩短，必须想办法给电池降温。增加基区的掺杂浓度是减小饱和电流I0的主要途径。当掺杂浓度从电池表面向结的方向不均匀降低时，在电池内产生附加电场，有利于光生载流子的收
18、集，从而提高转换效率。降低表面复合速率有助于提高Isc，并由于I0的减小而使Uoc改善。主要方法：在减反射膜与表面层之间加钝化层，使表面缺陷结果钝化；控制杂质浓度，从而减少复合中心；在电池底层采用重掺杂形成背表面场，加速载流子的输运。通过密布金属线减少接触电阻和串联电阻。为了使金属栅不影响阳光的投射，金属栅占有的面积应最小，如采用激光刻槽埋栅电极工艺；降低表面的反射，可以提供效率：使用减反射膜、表面织构化（绒面）处理。第35页/共52页7.典型太阳能电池的特点分为单晶硅电池、铸造多晶硅电池和带状多晶硅电池单晶硅太阳能电池是目前开发最多的太阳能电池，效率12%14%，实验室效率可达20%，电池厚
19、度0.20.3mm。制备过程的高能耗是其主要的缺点（1）晶体硅太阳能电池（2）薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池厚度一般只有110mm，制备在玻璃等相对廉价的衬底支撑材料上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。主要有砷化镓薄膜太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池、铜铟硒薄膜太阳电池及碲化镉太阳电池等非晶硅薄膜太阳电池与晶体硅太阳电池相比具有重量轻、工艺简单、成本低和能好少的特点，但其单个电池的最大效率约为8%，串联电池组的最大效率约为3%6%。砷化镓薄膜太阳电池效率较高，但比桂殿池生产复杂、能耗大、生产周期长、生产成本高第36页/共52页37无机太阳能电池的性能及应用第37页/共52页各
20、类电池主要性能表种类种类电池类型电池类型商用效率商用效率实验室效率实验室效率优点优点缺点缺点晶硅电池晶硅电池单晶硅单晶硅14%-17%14%-17%23%23%效率高，技术成熟效率高，技术成熟原料成本高原料成本高多晶硅多晶硅13%-15%13%-15%20.30%20.30%效率高，技术成熟效率高，技术成熟原料成本较高原料成本较高薄膜电池薄膜电池非晶硅非晶硅5%-8%5%-8%13%13%弱光效应好弱光效应好，成本成本相对较低相对较低转化率较低转化率较低碲化镉碲化镉5%-8%5%-8%15.80%15.80%弱光效应好弱光效应好，成本成本相对较低相对较低有毒污染环境有毒污染环境铜铟硒铜铟硒5%
21、-8%5%-8%15.30%15.30%弱光效应好弱光效应好，成本成本相对较低相对较低稀有金属稀有金属第38页/共52页8.光伏发电系统分类及构成 光伏发电系统按与电力系统关系分类：孤立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统。光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能存储和变换环节等构成的发电与电能变换系统。第39页/共52页光伏发电系统的形式主要有两种：光伏发电系统的形式主要有两种：1 1、独立光伏发电系统（离网系统）、独立光伏发电系统（离网系统）2 2、并网光伏发电系统、并网光伏发电系统8.光伏发电系统类型及构成 第40页/
22、共52页第41页/共52页第42页/共52页独立系统主要组成部分独立光伏发电系统由光伏阵列、光伏控制器、蓄电池组、逆光伏控制器、蓄电池组、逆变器、监控系统和负载变器、监控系统和负载组成。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。第43页/共52页并网系统主要组成部分并网光伏发电系统分为集中式和分散式。它由光伏阵列、并网逆变器、公共电网、监控系统并网逆变器、公共电网、监控系统组成。该系统工作特点是省略蓄电池作为储能环节，降低能量损失。第44页/共52页利用太阳能进行分散型发电和供电对难于供电的无电地区能减少输电损耗对城市供电高峰时的平峰贡献使电源多样化第45页/共52页光
23、伏控制器光伏控制器是独立光伏发电系统中非常重要的部件。是独立光伏发电系统中非常重要的部件。控制光伏阵列对蓄电池组进行充电，并控制蓄电池组对负控制光伏阵列对蓄电池组进行充电，并控制蓄电池组对负载的放电，实现对蓄电池组的过充和过放的保护，对蓄电载的放电，实现对蓄电池组的过充和过放的保护，对蓄电池进行温度补偿，并监视蓄电池组的电压和启动相关辅助池进行温度补偿，并监视蓄电池组的电压和启动相关辅助控制。控制。光伏控制器蓄电池组蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元，可以通过是独立光伏系统中的电能储存单元，可以通过单节蓄电池的串、并联组成整个电池组，太阳能电池产生的单节蓄电池的串、并联组成整个电池组，太阳
24、能电池产生的直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。电池的特性影响着直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术十分成熟，其容量的选系统的工作效率和特性。蓄电池技术十分成熟，其容量的选择受负载功率和连续无日照时间而定。择受负载功率和连续无日照时间而定。蓄电池组第46页/共52页逆变器逆变器就是把直流电（例如就是把直流电（例如12VDC12VDC）逆变成交流电）逆变成交流电（例如（例如220VAC220VAC）的设备。一般分为独立逆变器和并网）的设备。一般分为独立逆变器和并网逆变器。逆变器。逆变器监控系统监控系统是监视整个系统的运行状态、设备的各个参数，是监视
25、整个系统的运行状态、设备的各个参数，记录系统的发电量、环境等数据，并对故障进行报警。记录系统的发电量、环境等数据，并对故障进行报警。监控系统第47页/共52页目前我国实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14%-15%，一般商业化电池效率达10%-13%。目前太阳能发电电价是火力发电电价的三倍。成本高在目前和今后相当长时段内都是制约光伏市场发展的根本瓶颈。第48页/共52页光伏发电与火力发电相比的优缺点1、阳光随处可得，可使用地域广；2、安全可靠；3、无噪音、无污染；4、不消耗燃料；5、可以不架设远距离输电线路就地使用；6、安装简单方便，建设周期短；7、分散建设，就地发电；8、
26、便于分步实施。9、作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上。优点：点：1、受时间周期、地理位置、气象条件的限制，发电输出不稳定；2、光能转换效率偏低；3、成本高；4、光伏发电需要很大的面积。缺点：缺点：第49页/共52页未来发展预测晶体硅光伏电池将向高效率，低成本的方向大步前进，非晶体硅薄膜光伏电池是21世纪中叶以后的主力电池控制器，逆变器等关键设备将向高可靠，高效率，智能化，低成本的方向发展 将研制开发出更适合光伏发电用的长寿命，低成本，免维护的蓄电池系统集成技术将更加科学化，规范化，智能化，综合化。第50页/共52页思考题1.太阳能光伏发电和太阳能热发电相比各有何优缺点？2.光伏发电的原理是什么？3.影响光电转换效率的因素有哪些？4.光伏发电系统有哪几类？各有何特点？5.你认为目前影响光伏发电技术发展的瓶颈是什么？第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页