太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)分析

太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)分析

能是一項高產(chǎn)能量，適用、傳輸和分配相對簡單。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎,世界各國都十分重視,其轉(zhuǎn)換途徑很多,有光電直接轉(zhuǎn)換,有光熱電間接轉(zhuǎn)換等。這里重點介紹光電直接轉(zhuǎn)換器件——太陽電池。1能的原理和性質(zhì)1.1光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電太陽電池是一種對光有響應并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種,如:單晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化鎵,硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同,現(xiàn)已晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅,形成P-N結(jié)。當光線照射太陽電池表面時,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子,使電子發(fā)生了越遷,成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差,當外部接通電路時,在該電壓的作用下,將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是:光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。1.2晶體硅太陽電池的生產(chǎn)“硅”是我們這個星球上儲藏最豐富的材料之一。自從上個世紀科學家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導體特性后,它幾乎改變了一切,甚至人類的思維,20世紀末,我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用,晶體硅太陽電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟:a.提純過程;b.拉棒過程;c.切片過程;d.制電池過程;e.封裝過程。1.3能源系統(tǒng)的應用將更加豐富上世紀60年代,科學家們就已經(jīng)將太陽電池應用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電,上世紀末,在人類不斷自我反省的過程中,對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切,不僅在空間應用,在眾多領域中也大顯身手。如:太陽能庭院燈,太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng),村寨供電的獨立系統(tǒng),光伏水泵(飲水或灌溉),通信電源,石油輸油管道陰極保護,光纜通信泵站電源,海水淡化系統(tǒng),城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。在世紀之交前后期間,歐美等先進國家光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。光伏電源系統(tǒng)的組成:1.3.1直接負荷系統(tǒng)1.3.2傳輸負荷系統(tǒng)1.4太陽電池的基本性質(zhì)1.4.1光學轉(zhuǎn)換效率%評估太陽電池好壞的重要因素。目前:實驗室η≈24%,產(chǎn)業(yè)化:η≈15%。1.4.2單電壓v1.4.3填充因子的數(shù)學表達形式幾何意義用I-V曲線圖來表示:陰影部分為負載面積,填充因子的數(shù)學表達形式:其中:Isc——短路電流,Voc——開路電壓,Im——最佳工作電流,Vm——最佳工作電壓。1.4.4標準光強度和環(huán)境條件1.4.5電池溫度對電池板有效功率的影響例如:在標準狀況下,AM1.5光強,t=25℃某電池板輸出功率測得為100Wp,如果電池溫度升高至45℃時,則電池板輸出功率就不到100Wp。2太陽能電池類型2.1太陽電池組件的設計單晶硅太陽電池是當前開發(fā)得最快的一種太陽電池,它的構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型,產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料,純度要求99.999%。將單晶硅棒切成片,一般片厚約0.3毫米。硅片經(jīng)過形、拋磨、清洗等工序,制成待加工的原料硅片。加工太陽電池片,首先要在硅片上摻雜和擴散,一般摻雜物為微量的硼、磷、銻等。擴散是在石英管制成的高溫擴散爐中進行。然后采用絲網(wǎng)印刷法,精配好的銀漿印在硅片上做成柵線,經(jīng)過燒結(jié),同時制成背電極,并在有柵線的面涂覆減反射源,以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此,單晶硅太陽電池的單體片就制成了。單體片經(jīng)過抽查檢驗,即可按所需要的規(guī)格組裝成太陽電池組件(太陽電池板),用串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架和裝材料進行封裝。用戶根據(jù)系統(tǒng)設計,可將太陽電池組件組成各種大小不同的太陽電池方陣,亦稱太陽電池陣列。目前單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右,實驗室成果也有20%以上的。2.2太陽能組件的制備晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料,而制造這些材料工藝復雜,電耗很大,在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一。加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀,切片制作太陽電池也是圓片,組成太陽能組件平面利用率低。目前太陽電池使用的多晶硅材料,多半是含有大量單晶顆粒的集合體,或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化澆鑄而成。其工藝過程是選擇電阻率為100~300歐姆·厘米的多晶塊料或單晶硅頭尾料,經(jīng)破碎,用1:5的氫氟酸和硝酸混臺液進行適當?shù)母g,然后用去離子水沖洗呈中性,并烘干。用石英坩堝裝好多晶硅料,加人適量硼硅,放人澆鑄爐,在真空狀態(tài)中加熱熔化。熔化后應保溫約20分鐘,然后注入石墨鑄模中,待慢慢凝固冷卻后,即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體,以便切片加工成方形太陽電池片,可提高材制利用率和方便組裝。2.3非晶硅薄膜的制備工藝非晶硅太陽電池是1976年有出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池,它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,電耗更低,非常吸引人。制造非晶硅太陽電池的方法有多種,最常見的是輝光放電法,還有反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法等。輝光放電法是將一石英容器抽成真空,充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷,用射頻電源加熱,使硅烷電離,形成等離子體。非晶硅膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻人適量的氫化磷或氫化硼,即可得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。這種制備非晶硅薄膜的工藝,主要取決于嚴格控制氣壓、流速和射頻功率,對襯底的溫度也很重要。非晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)有各種不同,其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫PiN電池,它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅,再沉積一層未摻雜的i層,然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅,最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜,并蒸鍍銀電極。此種制作工藝,可以采用一連串沉積室,在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序,以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時,非晶硅太陽電池很薄,可以制成疊層式,或采用集成電路的方法制造,在一個平面上,用適當?shù)难谀９に?一次制作多個串聯(lián)電池,以獲得較高的電壓。因為普通晶體硅太陽電池單個只有0.5伏左右的電壓,現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽電池可達2.4伏。目前非晶硅太陽電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低,國際先進水平為10%左右,且不夠穩(wěn)定,常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象,所以尚未大量用于作大型太陽能電源,而多半用于弱光電源,如袖珍式電子計算器、電子鐘表及復印機等方面。估計效率衰降問題克服后,非晶