太陽能建筑一體化 第一節(jié)

第1章光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介教學(xué)目的：了解光伏發(fā)電基本原理，掌握光伏發(fā)電及太陽能電池輸出性能基本知識。教學(xué)重難點：1.光伏發(fā)電基本原理

2.太陽能電池輸出特性

一、光伏發(fā)電基本原理光伏效應(yīng)：在光照條件下，光伏材料吸收光能后在材料兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。1.光吸收與電的產(chǎn)生光吸收：材料對入射光吸收

光子能量

其中光吸收系數(shù)α并非常數(shù)，對于光子能量接近導(dǎo)帶底更容易吸收，而帶隙Eg也會隨著溫度、材料、雜質(zhì)及其他因素變化而變化。電產(chǎn)生：任意一點產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量

三種情況：（1）Ep<Eg不能吸收，透射（2）Ep=Eg有效的吸收，無能量損失（3）Ep>Eg強烈的吸收并有熱量產(chǎn)生(a)金屬(b)半導(dǎo)體(c)絕緣體金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶

金屬的導(dǎo)帶和價帶重疊在一起，不存在禁帶，在一切條件下具有良好的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體有一定的禁帶寬度，價電子必須獲得一定的能量（>Eg）“激發(fā)”到導(dǎo)帶才具有導(dǎo)電能力。激發(fā)的能量可以是熱或光的作用。常溫下，每立方厘米的硅晶體，導(dǎo)帶上約有l(wèi)010個電子，每立方厘米的導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶中約有1022個電子。絕緣體禁帶寬度遠大于半導(dǎo)體，常溫下激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子非常少，固其電導(dǎo)率很低。2.電能的產(chǎn)生（1）載流子的輸運當(dāng)太陽光入射太陽能電池時，會在價帶留下空穴，在導(dǎo)帶上會躍遷電子，形成電子-空穴對。電子和空穴都稱為載流子。載流子的運輸方式有兩種：漂移運動和擴散運動。半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下，按照一定方向的運動稱為漂移運動。外界電場的存在使載流子作定向的漂移運動，并形成電流。擴散運動是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運動。擴散運動和漂移運動不同，它不是由于電場力的作用產(chǎn)生的，而是由于載流子濃度差的引起的。（2）p-n結(jié)晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。硅半導(dǎo)體摻雜少量的五價元素磷(P)—N型硅：自由電子數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；空穴數(shù)量很少—少數(shù)載流子（少子）。電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。摻雜少量的三價元素硼(B)—P型硅：空穴數(shù)量多—多數(shù)載流子（多子）；自由電子數(shù)量很少—少數(shù)載流子(少子)?？昭ㄐ桶雽?dǎo)體或p型半導(dǎo)體。n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體緊密接觸，在交界處n區(qū)中電子濃度高，要向p區(qū)擴散，在N區(qū)一側(cè)就形成一個正電荷的區(qū)域；同樣，p區(qū)中空穴濃度高，要向n區(qū)擴散，p區(qū)一側(cè)就形成一個負電荷的區(qū)域。這個n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)的正、負電荷薄層區(qū)域稱為“空間電荷區(qū)”，即p-n結(jié)—內(nèi)建電場E—電勢差UD—電勢能電勢能=電荷×電勢=(q)(UD)=qUDqUD通常稱作勢壘高度。

內(nèi)建電場一方面阻止“多子”的擴散運動，另一方面增強“少子”漂移運動，最終達到平衡狀態(tài)。(a)n區(qū)電子往P區(qū)(b)p區(qū)空穴往N區(qū)(c)p-n結(jié)電場擴散在n區(qū)形成帶擴散在p區(qū)形成帶正電的薄層A負電的薄層B

p-n結(jié)電子與空穴的擴散(a)形成p-n結(jié)前載流子的擴散過程(b)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場p-n結(jié)漂移運動當(dāng)p-n結(jié)加上正向偏壓，外加電場的方向與內(nèi)建電場的方向相反，打破了擴散運動和漂移運動的相對平衡，形成通過p-n結(jié)的電流（稱為正向電流），較大；當(dāng)p-n結(jié)加上反向偏壓，構(gòu)成p-n結(jié)的反向電流，很小。p-n結(jié)單向?qū)щ娞匦?/p>

（3）光伏效應(yīng)當(dāng)太陽電池受到光照時，光在n區(qū)、空間電荷區(qū)和p區(qū)被吸收，分別產(chǎn)生電子-空穴對。由于入射光強度從表面到太陽電池體內(nèi)成指數(shù)衰減，在各處產(chǎn)生光生載流子的數(shù)量有差別，沿光強衰減方向?qū)⑿纬晒馍d流子的濃度梯度，從而產(chǎn)生載流子的擴散運動。n區(qū)中產(chǎn)生的光生載流子到達p-n結(jié)區(qū)n側(cè)邊界時，由于內(nèi)建電場的方向是從n區(qū)指向p區(qū)，靜電力立即將光生空穴拉到p區(qū)，光生電子阻留在n區(qū)。p區(qū)中到達p-n結(jié)區(qū)p側(cè)邊界的光生電子立即被內(nèi)建電場拉向n區(qū)，空穴被阻留在p區(qū)?？臻g電荷區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對則自然被內(nèi)建電場分別拉向n區(qū)和p區(qū)。p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場所分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動勢。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光生電動勢的電場方向和平衡p-n結(jié)內(nèi)建電場的方向相反。當(dāng)太陽能電池的兩端接上負載，這些分離的電荷就形成電流。

當(dāng)太陽能電池的兩端接上負載，光伏電動勢就形成電流。3.常見的太陽能電池及生產(chǎn)工藝材料化學(xué)組分：無機、有機材料：硅基、砷化鎵、銦鎵磷、碲化鎘、銅銦鎵硒內(nèi)部材料體型：大塊晶片、薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)：單晶硅、多晶硅、非晶硅

太陽能電池內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)：普通太陽能電池、聚光型太陽能電池、級聯(lián)太陽能電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)多少：單結(jié)、雙結(jié)、三結(jié)、多結(jié)生產(chǎn)技術(shù)方法：網(wǎng)板印刷電極、激光刻槽電極

p-n結(jié)結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)太陽能電池、異質(zhì)結(jié)太陽能電池光吸收層材料體系：有硅基薄膜太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、有機太陽能電池和染料敏化太陽能電池硅材料的制備制造太陽電池的硅材料以石英砂（SiO2）為原料，先把石英砂放入電爐中用碳還原得到冶金硅，較好的純度為98%~99%。冶金硅與氯氣（或氯化氫）反應(yīng)得到四氯化硅（或三氯氫硅），經(jīng)過精餾使其純度提高，然后通過氫氣還原成多晶硅。多晶硅經(jīng)過坩堝直拉法（Cz法）或區(qū)熔法（Fz法）制成單晶硅棒，硅材料的純度可進一步提高，要求單晶硅缺陷和有害雜質(zhì)少。石英砂冶金硅多晶硅單晶硅從硅材料到制成太陽電池組件，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的工藝過程，以多晶硅太陽電池組件為例，其生產(chǎn)過程大致是：硅砂硅錠硅片電池片電池組件（1）多晶硅制備：（1）硅砂冶金硅（MG-Si）：SiO2+2C→Si+2CO（2）冶金硅高純多晶硅：

電子級硅(EG-Si)，9N(99.9999999%)以上純度；

太陽能級硅(SG-Si)，7N以上純度。

①四氯化硅法：SiCl4+2H2→Si+4HCl↑

②三氯氫硅法（改良西門子法）

：

SiO2+2C→Si+2CO2↑Si+3HCl→SiHCl3+H2↑SiHCl3+H2→Si+3HCl↑改良西門子法工藝流程③硅烷法硅烷（SiH4）生產(chǎn)的工藝是基于化學(xué)反應(yīng)2Mg+Si→MgSi，然后將硅化鎂和氯化銨進行如下化學(xué)反應(yīng):MgSi+4NH4Cl→SiH4+2MgCl2+4NH3↑從而得到氣體硅烷。高濃度的硅烷是一種易燃、易爆氣體，要用高純氮氣或氫氣稀釋到3%～5%后充入鋼瓶中使用。硅烷可以通過減壓精餾、吸附和預(yù)熱分解等方法進行純化，化學(xué)反應(yīng)式為SiH4→Si+2H2↑

單晶硅的制備直拉單晶法（Cz）直拉單晶爐區(qū)熔法（Fz）內(nèi)熱式區(qū)熔爐結(jié)構(gòu)示意圖硅片的加工硅片的加工，是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度，表面無缺陷、無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。（2）單晶硅電池硅棒切片成型表面處理摻雜擴散制結(jié)組件封裝性能測試印刷電極制作減反膜去邊性能測試2成品包裝1.硅片的選擇硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形，厚度為0.18~0.4mm。2.硅片的表面處理

（1）化學(xué)清洗去污，高純水，有機溶劑，濃酸，強堿。（2）硅片的表面腐蝕去除30~50m表面厚的損傷層。①酸性腐蝕濃硝酸與氫氟酸的配比為（10:1）~（2:1）；硝酸、氫氟酸與醋酸的一般配比為5:3:3或5:1:1或6:1:1

。②堿性腐蝕氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿溶液。

3.絨面制備單晶硅絨面結(jié)構(gòu)的制備，就是就是利用硅的各向異性腐蝕(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔結(jié)構(gòu)。絨面結(jié)構(gòu)，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于減少光的反射，增加光的吸收，提高電池效率。4.擴散制結(jié)制結(jié)過程：在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴散層。

制結(jié)方法：熱擴散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。

熱擴散法制結(jié)：采用片狀氮化硼作源，在氮氣保護下進行擴散。擴散前，氮化硼片先在擴散溫度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼與硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅表面，硼向硅內(nèi)部擴散。擴散溫度為950~l000℃，擴散時間為15~30min，氮氣流量為2L/min。5.去除背結(jié)

在擴散過程中，硅片的背面也形成了p-n結(jié)，所以在制作電極前需要去除背結(jié)。去除背結(jié)的常用方法，主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。6.制備減反射膜硅表面對光的反射損失率高達35%左右。減反射膜作用：減反射膜不但具有減少光反射的作用，而且對電池表面還可起到鈍化和保護的作用。制備方法：采用真空鍍膜法、氣相生長法或其它化學(xué)方法等，在已制好的電池正面蒸鍍一層或多層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化二鉭或五氧化二鈮減反射膜。技術(shù)要求：膜對入射光波長范圍的吸收率要小，膜的理化能穩(wěn)定，膜層與硅粘接牢固，膜耐腐蝕，制作工藝簡單、價格低廉。二氧化硅膜，鍍一層減反射膜可將入射光的反射率減少到10%左右，鍍兩層則可將反射率減少到4%以下。7.制作上、下電極

所謂電極，就是與電池p-n結(jié)形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。通常對電極的要求有：①接觸電阻?。虎谑占矢?；③遮蔽面積??；④能與硅形成牢固的接觸；⑤穩(wěn)定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引線，可焊性強；⑨體電阻?。虎馕廴拘?。

制作方法：真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、銀/鋁漿印刷燒結(jié)法等。所用金屬材料：鋁、鈦、銀、鎳等。

電池光照面的電極稱為上電極（窄細的柵線狀，有利于收集光生電流，并保持較大受光面積

），制作在電池背面的電極稱為下電極或背電極（全部或部分布滿背面，減小電池的串聯(lián)電阻

）。

n+/p型電池上電極是負極，下電極是正極；p+/n型電池上電極是正極，下電極是負極。8.檢驗測試太陽電池制作經(jīng)過上述工藝完成后，在作為成品電池入庫前，必須通過測試儀器測量其性能參數(shù)，以檢驗其質(zhì)量是否合格。一般需要測量的參數(shù)有最佳工作電壓、最佳工作電流、最大功率(也稱峰值功率)、轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等，通常還要畫出太陽電池的伏安（I-U）特性曲線?，F(xiàn)代測試方法：

（2）非晶硅電池導(dǎo)電玻璃刻劃清洗預(yù)熱p-i-n結(jié)沉積冷卻熱老化電性能測試激光刻劃鍍鋁激光刻劃

電性能測試2封裝成品測試成品包裝

非晶硅的優(yōu)點①有較高的光學(xué)吸收系數(shù)，在0.315~0.75m的可見光波長范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)比單晶硅高一個數(shù)量級，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可見光，制備材料成本也低；②禁帶寬度為1.5~2.0eV，比晶體硅的1.l2eV大，與太陽光譜有更好的匹配；③制備工藝和所需設(shè)備簡單，沉積溫度低(300~400℃)，耗能少；④可沉積在廉價的襯底上，如玻璃、不銹鋼甚至耐溫塑料等，可做成能彎曲的柔性電池。二、太陽能電池輸出特性及性能模擬1.太陽能電池特性（1）基本定義短路電流：如果把太陽電池從外部短路測得的最大電流，稱為短路電流，用符號Isc表示。短路電流的大小取決于以下幾個因素：太陽能電池的表面積。要消除太陽能電池對表面積的依賴，通常需改變短路電流強度（JSC單位為mA/cm2）而不是短路電流。光子的數(shù)量（即入射光的強度）。電池輸出的短路電流ISC的大小直接取決于光照強度。入射光的光譜。測量太陽能電池是通常使用標(biāo)準(zhǔn)的1.5大氣質(zhì)量光譜。電池的光學(xué)特性（吸收和反射）（光學(xué)損耗一節(jié)已討論過）電池的收集概率，主要取決于電池表面鈍化和基區(qū)的少數(shù)載流子壽命。

開路電壓：受光照的太陽電池處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢，這時在太陽電池兩端測得的電勢差叫做開路電壓，用符號Uoc表示。上述方程顯示了VOC取決于太陽能電池的飽和電流和光生電流。由于短路電流的變化很小，而飽和電流的大小可以改變幾個數(shù)量級，所以主要影響是飽和電流。飽和電流I0主要取決于電池的復(fù)合效應(yīng)。即可以通過測量開路電壓來算出電池的復(fù)合效應(yīng)。實驗室測得的硅太陽能電池在AM1.5光譜下的最大開路電壓能達到720mV，而商業(yè)用太陽能電池通常為600mV。最大輸出功率：把太陽電池接上負載，負載電阻中便有電流流過，該電流稱為太陽電池的工作電流（I），也稱負載電流或輸出電流。負載兩端的電壓稱為太陽電池的工作電壓(U)。太陽電池的輸出功率P=UI。太陽電池的工作電壓和電流是隨負載電阻而變化的，將不同阻值所對應(yīng)的工作電壓和電流值作成曲線，就得到太陽電池的伏安特性曲線。如果選擇的負載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率（Pm）。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓（Um）和最佳工作電流（Im），Pm=UmIm。填充因子：太陽電池的另一個重要參數(shù)是填充因子FF，它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。FF是對伏安曲線的矩形面積的測量，則電壓高的太陽能電池，其FF值也可能比較大，因為伏安曲線中剩余部分的面積會更小。要計算電池的FF可以對電池的功率進行求導(dǎo)，令其值為零，便可找出功率最大時的電壓電流值了。即：

d（IV）/dV=0

并給出：

然而，單從上面的步驟并不能得出一個簡單或近似的方程。上面的方程只與VOC和Vmp，所以還需要額外的能求出Imp和FF的方程。一個比較常使用的經(jīng)驗方程是：光電轉(zhuǎn)換效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負載電阻時的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽電池的最大輸出功率與入射到太陽電池表面的能量之比：（2）影響因素光強和光照方式：ISC與光強成正比，Voc與光強成對數(shù)關(guān)系增大。電子-空穴對產(chǎn)生的位置越接近于p-n結(jié)，就越有機會被p-n結(jié)收集。光譜響應(yīng)：表明：理想狀態(tài)下，光譜響應(yīng)隨著光波長的增大而增大。溫度：溫度上升，I-V特性曲線特性變差，短路電流增大，開路電壓減小，填充因子減小，最大輸出功率減小。

短路電流ISC提高幅度很小溫度較高的電池開路電壓Voc下降幅度大聚光對太陽能電池的伏安特性的影響。短路電流ISC隨著聚光呈線性上升FF可能會因串聯(lián)電阻的上升而下降開路電壓隨光強呈對數(shù)上升寄生電阻：電池的電阻效應(yīng)以在電阻上消耗能量的形式降低了電池的發(fā)電效率。其中最常見的寄生電阻為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。從下面的電池等效電路便可看出串聯(lián)和并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻：太陽能電池中，引起串聯(lián)電阻的因素有三種：第一，穿過電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電流流動；第二，金屬電極與硅之間的接觸電阻；第三便是頂部和背部的金屬電阻。串聯(lián)電阻對電池的主要影響是減小填充因子，此外，當(dāng)阻值過大時還會減小短路電流。我們假設(shè)開路電壓和短路電流沒有受到串聯(lián)電阻的影響，則可以算出串聯(lián)電阻對填充因子的影響：

在上述方程中，我們把沒有受串聯(lián)電阻影響的填充因子用符號FF0表示，而FF‘則用FFs代替。則方程改為：

而下面以實驗為基礎(chǔ)的方程能更加精確地表示FF0與FFS之間的關(guān)系：FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]此式在rs<0.4及VOC>10時有效。并聯(lián)電阻：RSH造成的顯著的功率損失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的電池設(shè)計。小