晶體硅太陽能電池設計與開發(fā)

1、晶體硅太陽能電池摘要摘要：本論文系統(tǒng)介紹了太陽能電池的電路設計思想，以及在各個領域的應用，介紹了太陽能電池的特點：工作壽命長，結構簡單而緊湊，功率高，運行方便可靠。對太陽能電池的性能分析?！娟P鍵詞】：光伏效應，【Key words】： 目 錄晶體硅太陽能電池摘要1一 晶體硅太陽能電池的提出背景31.1 晶體硅太陽能電池的提出31.2 晶體硅太陽能電池的前景3二 晶體硅太陽能電池的設計思想52.1 不可再生資源的不充足及危害52.2.1 光熱：太陽能熱水器即將強制安裝62.2.3 太陽能空調(diào)將打“組合拳”72.2.4 太陽能家電在國外82.2.5 太陽能電視機82.2.6 太陽能洗衣機82.2.

2、7 太陽能冰箱82.2.8 太陽能照相機92.2.9 太陽能電話92.2.10 太陽能防火防盜監(jiān)視器92.3 太陽能電池的特點102.4 硅系太陽能電池102.4.1 單晶硅太陽能電池102.4.2 多晶硅薄膜太陽能電池112.5 太陽能電池的發(fā)展趨勢12三 晶體硅太陽能電池的電路設計132.6太陽能電池發(fā)電原理132.7 光伏系統(tǒng)的組成182.8控制器工作原理圖：192.9逆變器工作原理圖193.0單系列和聚系列的晶體硅太陽能電池20四 晶體硅太陽能電池的性能分析20體會及收獲24致 謝25參考文獻26晶體硅太陽能電池的提出背景1.1 晶體硅太陽能電池的提出2.2.1 光熱：太陽能熱水器即將

3、強制安裝2.2.3 太陽能空調(diào)將打“組合拳” 太陽能家電在國外2.2.5 太陽能電視機2.2.6 太陽能洗衣機2.2.7 太陽能冰箱2.2.8 太陽能照相機 2.2.9 太陽能電話 2.2.10 太陽能防火防盜監(jiān)視器 2.4.1 單晶硅太陽能電池硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質量單晶硅材料和相關的成熱的加工處理工藝基礎上的。現(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術，開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉化效率主要是靠單晶硅表面微結構處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方

4、面，德國夫朗霍費費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領先水平。該研究所采用光刻照相技術將電池表面織構化，制成倒金字塔結構。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結合通過改進了的電鍍過程增加柵極的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉化效率超過23%，是大值可達233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉換效率為1944%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm X 2cm）轉換效率達到19.79%，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm）轉換效率達8.6%。單晶硅太陽能電池轉換效率無疑是最高

5、的，在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。 多晶硅薄膜太陽能電池通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350450m的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停

6、止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池?；瘜W氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚

7、的多晶硅薄膜，因此，再結晶技術無疑是很重要的一個環(huán)節(jié)，目前采用的技術主要有固相結晶法和中區(qū)熔再結晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術，這樣制得的太陽能電池轉換效率明顯提高。德國費萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結晶技術在FZ Si襯底上制得的多晶硅電池轉換效率為19，日本三菱公司用該法制備電池，效率達16.42%。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達122。中國光電發(fā)展技術中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的

8、新型太陽能電池，稱之為“硅?！碧柲茈姵兀嘘P性能方面的報道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。提高轉換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，對于目前的硅系太陽能電池，要想再進一步提高轉換效率是比較困難的。因此，今后研究的重點除繼續(xù)開發(fā)新的電池材料外應集中在如何降低成本上來，現(xiàn)有的高轉換效率的太陽能電池是在高質量的硅片上制成的，這是制造硅太陽能電池最費錢的部分。因此，在如何保證轉換效率仍較高的情況下來降低

9、襯底的成本就顯得尤為重要。也是今后太陽能電池發(fā)展急需解決的問題。近來國外曾采用某些技術制得硅條帶作為多晶硅薄膜太陽能電池的基片，以達到降低成本的目的，效果還是比較理想的。三 晶體硅太陽能電池的電路設計光伏系統(tǒng)是太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜等設備組成。其各部分設備的作用是：（1）太陽能電池方陣：在有光照（無論是太陽光，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。在光生伏打效應的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池

10、，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。（2）蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發(fā)電對所用蓄電池組的基本要求是：a、自放電率低；b、使用壽命長；c、深放電能力強；d、充電效率高；e、少維護或免維護；f、工作溫度范圍寬；g、價格低廉。目前我國與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套200Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封式免維護鉛酸蓄電池，每只蓄電池的額定電壓為2VDC;配套200Ah以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池，每只蓄電池的額定電壓為12VDC。（3）充放電控制器：是能自動防止蓄電池

11、過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。（4）逆變器：將直流電轉換為交流電的設備，由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。逆變器按輸出波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負

12、載。逆變器保護功能：A、過載保護；B、短路保護；C、接反保護；D、欠壓保護；E、過壓保護；F、過熱保護。（5）交流配電柜：其在電站系統(tǒng)的主要作用是對備用逆變器的切換功能，保證系統(tǒng)的正常供電，同時還有對線路電能的計算.四 晶體硅太陽能電池的性能分析“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。 熱平衡態(tài)下的P-N結體會及收獲太陽能發(fā)電，其基本原理就是“光伏效應”。太陽能專家的任務就是要完成制造

13、電壓的工作。因為要制造電壓，所以完成光電轉化的太陽能電池是陽光發(fā)電的關鍵。 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉化和利用。通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。通過網(wǎng)上查找資料能夠了解太陽能光伏電池的一些基本知識，掌握太陽能發(fā)電的原

14、理，進行簡單的電路分析。致 謝這次畢業(yè)設計是在我的導師秦詠紅老師的悉心指導下完成的。在整個畢業(yè)設計任務和論文的完成過程中，秦老師都付出了很多的心血，她在百忙之中抽出寶貴的時間，多次詢問設計進程，為我指點迷津。秦老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，深深的影響了我，她淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及對學術敏銳的洞察力，使我受益匪淺，終生難忘。在此，我要真誠地感謝秦詠紅老師在這段時間里你不僅僅是我的導師，更是我各方面的啟明燈。在此我要感謝電氣0615班的全體同學們和周麗娟老師，是他（她）們給我提供了一個良好的學習環(huán)境，得到了許多同學的幫助在和他們的討論和交流過程中，使我增長了不少知識，積累了不少經(jīng)驗。