光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)容PPT

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)序言太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)序言 通過(guò)太陽(yáng)能電池(又稱光伏電池)將太陽(yáng)輻射能 轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng) (又稱太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng))。太陽(yáng)能光伏發(fā)電目前 工程上廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器件晶體硅太陽(yáng)能電池， 生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，已進(jìn)人大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。截 止到2002年底，世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī) 容量約達(dá)2200MW，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技、文教、 國(guó)防和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。 20022002年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò)年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò)559.3MW559.3MW， 較上年增長(zhǎng)較上年增長(zhǎng)39.3439.34。預(yù)計(jì)21世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能

2、光 伏發(fā)電將發(fā)展為重要的發(fā)電方式，在世界可持續(xù)發(fā) 展的能源結(jié)構(gòu)中占有較大的比例。 2000年日本太陽(yáng)光電池產(chǎn)量遠(yuǎn)超美國(guó)，年日本太陽(yáng)光電池產(chǎn)量遠(yuǎn)超美國(guó)， 成為世界第一太陽(yáng)光發(fā)電大國(guó)。成為世界第一太陽(yáng)光發(fā)電大國(guó)。 日本的太陽(yáng)能發(fā)電事業(yè)，起始于上世紀(jì)日本的太陽(yáng)能發(fā)電事業(yè)，起始于上世紀(jì) 第第1次石油危機(jī)后的次石油危機(jī)后的1974年。這一年日本提年。這一年日本提 出以開發(fā)新能源為目的的出以開發(fā)新能源為目的的“陽(yáng)光計(jì)劃陽(yáng)光計(jì)劃”， 從此開始太陽(yáng)能發(fā)電的研究與開發(fā)。從此開始太陽(yáng)能發(fā)電的研究與開發(fā)。1993 年年“陽(yáng)光計(jì)劃陽(yáng)光計(jì)劃”與日本通產(chǎn)省提出的以節(jié)與日本通產(chǎn)省提出的以節(jié) 能開發(fā)為目的的能開發(fā)為目的的“月

3、光計(jì)劃月光計(jì)劃”合二而一，合二而一， 組成組成“新陽(yáng)光計(jì)劃新陽(yáng)光計(jì)劃”，同時(shí)推進(jìn)新能源和，同時(shí)推進(jìn)新能源和 節(jié)能的研發(fā)與利用。節(jié)能的研發(fā)與利用。 太陽(yáng)光發(fā)電普及的關(guān)鍵之一是降低成本太陽(yáng)光發(fā)電普及的關(guān)鍵之一是降低成本。通過(guò)。通過(guò) “新陽(yáng)光計(jì)劃新陽(yáng)光計(jì)劃”，日本太陽(yáng)光結(jié)晶系電池成本已從，日本太陽(yáng)光結(jié)晶系電池成本已從 當(dāng)初的當(dāng)初的23萬(wàn)日元萬(wàn)日元W，降低到了，降低到了600650日元日元 W。到太陽(yáng)光發(fā)電研發(fā)第一期計(jì)劃終了的。到太陽(yáng)光發(fā)電研發(fā)第一期計(jì)劃終了的2000年底，年底， 太陽(yáng)電池組件的制造成本為太陽(yáng)電池組件的制造成本為300日元日元W左右。為了左右。為了 進(jìn)一步降低造價(jià)，日本太陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)研

4、究所負(fù)責(zé)進(jìn)一步降低造價(jià)，日本太陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)研究所負(fù)責(zé) 人表示，到人表示，到2010年第二期研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)年第二期研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn) 的時(shí)候，力爭(zhēng)太陽(yáng)電池組件的成本降低到的時(shí)候，力爭(zhēng)太陽(yáng)電池組件的成本降低到100日元日元 W以下；發(fā)電成本大約是以下；發(fā)電成本大約是25日元日元kWh。該負(fù)責(zé)人。該負(fù)責(zé)人 表示，進(jìn)一步展望到表示，進(jìn)一步展望到2020年，希望太陽(yáng)光發(fā)電成本年，希望太陽(yáng)光發(fā)電成本 降到降到1015日元日元kWh；2030年降低到年降低到510日元日元 kWh。如果實(shí)現(xiàn)的話，太陽(yáng)光發(fā)電的成本就可以。如果實(shí)現(xiàn)的話，太陽(yáng)光發(fā)電的成本就可以 與一般的與一般的火電或核電相提并論火電或

5、核電相提并論了。了。 美國(guó)美國(guó)1997年年6月提出的月提出的“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂 計(jì)劃計(jì)劃”。該計(jì)劃從。該計(jì)劃從1997年開始至年開始至2010年止，年止， 要在全國(guó)的住宅、學(xué)校、商業(yè)建筑和政府要在全國(guó)的住宅、學(xué)校、商業(yè)建筑和政府 機(jī)關(guān)辦公樓等建筑物的屋頂上，安裝機(jī)關(guān)辦公樓等建筑物的屋頂上，安裝100萬(wàn)萬(wàn) 套太陽(yáng)能發(fā)電裝置，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)套太陽(yáng)能發(fā)電裝置，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)3 025 MW，并力爭(zhēng)使太陽(yáng)光發(fā)電的成本，從，并力爭(zhēng)使太陽(yáng)光發(fā)電的成本，從 1997年的年的22美分美分kWh降低到降低到2010年的年的 6美分美分kWh。 1 國(guó)務(wù)院國(guó)務(wù)院2005年年14號(hào)文件號(hào)文件, 國(guó)家替代能源

6、發(fā)展計(jì)國(guó)家替代能源發(fā)展計(jì) 劃將逐步實(shí)施劃將逐步實(shí)施 ; 2006年年3月月,國(guó)家國(guó)家十一五規(guī)劃十一五規(guī)劃 的建議的建議中明確提出，中明確提出，“加快發(fā)展加快發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)風(fēng)能、太陽(yáng) 能、生物質(zhì)能能、生物質(zhì)能等可再生能源等可再生能源”。 2 保定保定天威保變天威保變太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線 一期一期3兆瓦，二期兆瓦，二期24兆瓦，三期兆瓦，三期48兆瓦；世界第兆瓦；世界第3 去年產(chǎn)值去年產(chǎn)值954萬(wàn)，今年萬(wàn)，今年3.6億，億，2007年達(dá)到年達(dá)到19億億 3 上海籌建更大規(guī)模此類企業(yè)上?；I建更大規(guī)模此類企業(yè). 如何降低成本是今后關(guān)鍵如何降低成本是今后關(guān)鍵.目前光伏目前光伏發(fā)電成本比火發(fā)電

7、成本比火 電高很多電高很多，但前景廣闊。，但前景廣闊。 專家預(yù)測(cè)，到2050年，全世界消耗電量的消耗電量的1/4將將 是太陽(yáng)電，到是太陽(yáng)電，到21世紀(jì)末，可能會(huì)達(dá)到世紀(jì)末，可能會(huì)達(dá)到50以上以上。 到那時(shí)候，人類居住的房屋將發(fā)展成金字塔型金字塔型，因 為外壁用“非晶硅太陽(yáng)能磚非晶硅太陽(yáng)能磚”砌成的這種形狀的住砌成的這種形狀的住 宅宅，可用最大面積采光發(fā)電，并用高效的貯電裝置 貯存起來(lái)供人們使用。 由于宇宙空間沒(méi)有晝夜四季之分，也沒(méi)有烏云和陰宇宙空間沒(méi)有晝夜四季之分，也沒(méi)有烏云和陰 影，輻射能量十分穩(wěn)定影，輻射能量十分穩(wěn)定，傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)將退 出歷史舞臺(tái)，衛(wèi)星上的電能將通過(guò)微波輸送設(shè)備， 源

8、源不斷地送回地球，人類再不必因傳統(tǒng)能源枯竭 和污染問(wèn)題發(fā)愁，我們共有的的家園將更加美好。 在本世紀(jì)上半葉的某個(gè)午夜里，當(dāng)人們仰望星空 時(shí)，將會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)有一簇“星星”格外明亮，原 來(lái)，這個(gè)無(wú)名”星座”是由多顆太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星所 組成的。 將太陽(yáng)能發(fā)電站建在人造同步地球衛(wèi)星上，就叫太太 陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星或稱宇宙發(fā)電站。陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星或稱宇宙發(fā)電站。 這種衛(wèi)星始終處在地球的某一固定地點(diǎn)的上空，并 保持一定的高度，以便于地面接收它所供能量。電 站可利用光電轉(zhuǎn)換裝置(光電池)，把太陽(yáng)能變成電能， 再借助衛(wèi)星上的微波發(fā)生器把電能變成微波發(fā)到地微波發(fā)生器把電能變成微波發(fā)到地 面接收站面接收站。地面接收站再將微波轉(zhuǎn)

9、換成電能后，就 可以用電線供用戶使用。 上述設(shè)想之新穎，如同將要輝映夜空的太陽(yáng)能衛(wèi) 星一樣，閃耀著富有創(chuàng)見的智慧之光，這個(gè)設(shè)想是 美國(guó)工程師格拉澤于美國(guó)工程師格拉澤于1968年提出年提出的。太陽(yáng)光無(wú)處不 在，為什么要?jiǎng)趲熯h(yuǎn)征、偏去高踞地面3萬(wàn)多公里的 地球靜止軌道上去建造太陽(yáng)能電站呢? 因?yàn)樵诿ＣＬ罩校照諒?qiáng)度相當(dāng)于地球上陽(yáng)光最 強(qiáng)烈的沙漠的6倍，且太空既無(wú)晝夜交替無(wú)晝夜交替，也沒(méi)有太 陽(yáng)射角偏低的問(wèn)題，太陽(yáng)能集熱器可以始終直接對(duì) 準(zhǔn)太陽(yáng)，同時(shí)，太空中沒(méi)有云層，太陽(yáng)無(wú)遮無(wú)攔， 穩(wěn)定而最強(qiáng)，龐大的太陽(yáng)能收集器也不占地球1寸土 地，而高懸于天庭，永葆潔凈無(wú)需維護(hù)。 太陽(yáng)能衛(wèi)星的設(shè)想經(jīng)過(guò)多方論證多

10、方論證后，逐步 形成了以發(fā)電到輸電的一整套方案。先把 巨大的太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板“化整為零化整為零”，分期分期 分批分批地利用航天飛機(jī)等空天運(yùn)載工具，送 到離地面幾萬(wàn)公里高的低地球軌道上低地球軌道上，然 后組裝成衛(wèi)星，利用其上的推進(jìn)器，驅(qū)動(dòng) 衛(wèi)星再爬升到地球同步軌道上。 衛(wèi)星上的太陽(yáng)能收集器碩大無(wú)比，長(zhǎng)10公 里，寬5公里，其上覆蓋有幾十億片幾十億片太陽(yáng)能 電池片。平板的一端裝有直徑達(dá)1000米的 微波發(fā)射天線，可以轉(zhuǎn)動(dòng)，永遠(yuǎn)指向地球。 太陽(yáng)能電池發(fā)出的電最后匯聚在母線上，發(fā)出的電最后匯聚在母線上， 送入微波發(fā)生器送入微波發(fā)生器，產(chǎn)生的微波通過(guò)波導(dǎo)管 從天線射出，傳向地球。 移相器使微波能

11、聚焦成一束密集的波束， 從太陽(yáng)能衛(wèi)星巨大的天線發(fā)出的微波，如從太陽(yáng)能衛(wèi)星巨大的天線發(fā)出的微波，如 同同手電筒的光柱手電筒的光柱一樣射向地球一樣射向地球，到達(dá)地球 時(shí)“光柱”已是如此粗大，能覆蓋地球數(shù) 十公里的面積。地面上接收天線的尺寸更 大，為10 x 13平方公里的橢圓形，由無(wú)數(shù) 半波偶極子天線組成。 天線接收到從太空射來(lái)的微波后，經(jīng)過(guò)二接收到從太空射來(lái)的微波后，經(jīng)過(guò)二 極管整流變換為高壓的直流電極管整流變換為高壓的直流電或50兆赫的 交流電后，再通過(guò)高壓輸電網(wǎng)供給用戶 有人擔(dān)心如此強(qiáng)大的微波傳送到地面，會(huì) 對(duì)人和環(huán)境造成危害，對(duì)此，科學(xué)家將通過(guò) 地面信號(hào)精確控制衛(wèi)星的微波發(fā)射天線，使 微波

12、束始終對(duì)準(zhǔn)地面的接收天線，僅在地面 天線的中心區(qū)域，微波照射量超過(guò)國(guó)際上可 容許微波照射量的10倍，而在邊沿區(qū)域則只 為此數(shù)的1/10。 當(dāng)前，建造太陽(yáng)能衛(wèi)星建造太陽(yáng)能衛(wèi)星尚存資金及一 些技術(shù)問(wèn)題，但不久有望解決這些問(wèn)題， 屆時(shí)人們將實(shí)現(xiàn)九天之上取能源的夢(mèng)想。 宇宙發(fā)電站的各項(xiàng)技術(shù)均可分步實(shí)現(xiàn), 而把衛(wèi)星送入太空是我們國(guó)家的成熟技 術(shù),美國(guó)、日本等國(guó)也正在進(jìn)行此項(xiàng)工作， 相信太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星不久的將來(lái)即可夢(mèng) 想成真。 中國(guó)第一座300kW并網(wǎng)太陽(yáng)能示范發(fā)電站太陽(yáng)能示范發(fā)電站于2004年 在北京開工，并稱此舉將使2008年北京奧運(yùn)會(huì)辦成 一屆真正的“綠色奧運(yùn)會(huì)”。 據(jù)介紹，經(jīng)過(guò)近5年的技術(shù)攻關(guān)，中

13、國(guó)已經(jīng)開發(fā)出 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。即將建造的 太陽(yáng)能發(fā)電站的方案是：將奧運(yùn)場(chǎng)館的奧運(yùn)場(chǎng)館的屋頂或外墻屋頂或外墻 上安裝太陽(yáng)能光電板上安裝太陽(yáng)能光電板，只要有光照、有能見度，光，只要有光照、有能見度，光 電板就能將光線轉(zhuǎn)化為電能電板就能將光線轉(zhuǎn)化為電能。 北京擁有較為豐富的太陽(yáng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能 等新能源及可再生能源。目前，北京已經(jīng)開始為新 能源的開發(fā)和利用制定發(fā)展規(guī)劃，并將建設(shè)一批示 范項(xiàng)目： 北京能源集團(tuán)在內(nèi)蒙風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目北京能源集團(tuán)在內(nèi)蒙風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目 10萬(wàn)千瓦，為2008年奧運(yùn)會(huì)專用，綠色奧運(yùn)承 諾（當(dāng)時(shí)目標(biāo)5萬(wàn)千瓦，解決20%用電） 未來(lái)的奧林匹克公園內(nèi)也將充分利用這些

14、新能未來(lái)的奧林匹克公園內(nèi)也將充分利用這些新能 源，實(shí)現(xiàn)源，實(shí)現(xiàn)20的奧運(yùn)場(chǎng)館用電為風(fēng)力發(fā)電；的奧運(yùn)場(chǎng)館用電為風(fēng)力發(fā)電； 利用利用地?zé)岷蜔岜眉夹g(shù)為地?zé)岷蜔岜眉夹g(shù)為40萬(wàn)平方米的建筑提供萬(wàn)平方米的建筑提供 采暖和制冷采暖和制冷；奧運(yùn)場(chǎng)館周圍；奧運(yùn)場(chǎng)館周圍8090的路燈的路燈 將利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)；采用全玻璃真空太；采用全玻璃真空太 陽(yáng)能集熱技術(shù)，供應(yīng)奧運(yùn)會(huì)陽(yáng)能集熱技術(shù)，供應(yīng)奧運(yùn)會(huì)90的洗浴熱水的洗浴熱水，使，使 2008年北京奧運(yùn)會(huì)真正成為綠色奧運(yùn)會(huì)。年北京奧運(yùn)會(huì)真正成為綠色奧運(yùn)會(huì)。 用太陽(yáng)能發(fā)電的平板玻璃 與平板玻璃有關(guān)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)有2類。 第一類，是在單體建筑物

15、的屋頂和幕墻上安裝屋頂和幕墻上安裝 的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。它是利用硅光電池、硒光電 池、碲光電池等在陽(yáng)光照射下能產(chǎn)生一定向電 動(dòng)勢(shì)（即光伏效應(yīng))的半導(dǎo)體元件，拼接粘合 在超透明平板玻璃上成為光電板，將光能轉(zhuǎn)換 成電能并經(jīng)整流、升壓后供建筑物內(nèi)部直接使 用。 用太陽(yáng)能發(fā)電的平板玻璃 第二類是大面積集熱式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)大面積集熱式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。 由以色列索來(lái)爾公司開發(fā)成功的以太陽(yáng)能 作為熱源帶動(dòng)傳統(tǒng)的大型蒸汽渦輪發(fā)電機(jī) 發(fā)電的新型太陽(yáng)能技術(shù)，就是以數(shù)座通體 透明的大型玻璃建筑物作為集熱裝置的。 還有用太陽(yáng)能發(fā)電的太陽(yáng)瓦太陽(yáng)瓦。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要可分 為離網(wǎng)運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行離

16、網(wǎng)運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行兩大類。 未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接的太陽(yáng)能光伏發(fā)電 系統(tǒng)稱為離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱為 獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離 公共電網(wǎng)的無(wú)電地區(qū)和一些特殊處所，如為 公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、 海島、高原、沙漠的農(nóng)牧漁民提供照明、看 電視、聽廣播等的基本生活用電，為通信中 繼站、沿海與內(nèi)河航標(biāo)、輸油輸氣管道陰極 保護(hù)、氣象臺(tái)站、公路道班以及邊防哨所等 特殊處所提供電源。 與公共電網(wǎng)相聯(lián)接的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系 統(tǒng)稱為聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，它是太陽(yáng) 能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成 為電力工業(yè)組成部分之一的重要方向，是當(dāng)

17、 今世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。 特別是其中的光伏電池與建筑相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng) 屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，是眾多發(fā)達(dá)國(guó)家 竟相發(fā)展的熱點(diǎn)，發(fā)展迅速，市場(chǎng)廣闊，前 景誘人。 為給農(nóng)村不通電鄉(xiāng)鎮(zhèn)及村落廣大農(nóng)牧民解 決基本生活用電和為特殊處所提供基本工作電 源，經(jīng)過(guò)30來(lái)年的努力，離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電 系統(tǒng)在我國(guó)已有一定的發(fā)展，20022002年底全國(guó)總年底全國(guó)總 裝機(jī)容量約達(dá)裝機(jī)容量約達(dá)40 MW 40 MW 左右，并將繼續(xù)快速發(fā)展。 但聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)卻處于試驗(yàn) 示范的起步階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)、歐洲、日 本等發(fā)達(dá)國(guó)家。為此，本章除介紹獨(dú)立太陽(yáng)能 光伏發(fā)電系統(tǒng)外，還將介紹聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏

18、 6.1 6.1 太陽(yáng)能電池及太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能電池及太陽(yáng)能電池方陣 6.1.1 6.1.1 太陽(yáng)能電池及其分類太陽(yáng)能電池及其分類 太陽(yáng)能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔艿钠骷?，又叫光伏器件。物質(zhì)吸收光 能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為光生伏打效應(yīng)。這 種現(xiàn)象在液體和固體物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生。但是， 只有在固體中，尤其是在半導(dǎo)體中，才有較高 的能量轉(zhuǎn)換效率。所以，人們又常常把太陽(yáng)能 電池稱為半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。 半導(dǎo)體 自然界中的物質(zhì)，按照它們導(dǎo)電能 力的強(qiáng)弱，可分為3類： 導(dǎo)電能力強(qiáng)的物體叫導(dǎo)體，如銀、銅、 鋁等； 導(dǎo)電能力弱或基本上不導(dǎo)電的物體叫 絕緣體，如橡膠、塑料等； 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和

19、絕緣體之間的物 體，就叫做半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的主要特點(diǎn)，不僅僅在于其電阻率在 數(shù)值上與導(dǎo)體和絕緣體不同，而且還在于它的導(dǎo) 電性上具有如下兩個(gè)顯著的特點(diǎn)： 電阻率的變化受雜質(zhì)含量的影響極大。例如， 硅中只要摻人百萬(wàn)分之一的硼，電阻率就會(huì)從 2.14X10103.m減小到0.004.m左右。如果所含雜 質(zhì)的類型不同，導(dǎo)電類型也不同； 電阻率受光和熱等外界條件的影響很大。溫 度升高或光照射時(shí)，均可使電阻率迅速下降。例 如，鍺的溫度從200升高到300，電阻率就要 降低一半左右。一些特殊的半導(dǎo)體，在電場(chǎng)和磁 場(chǎng)的作用下，電阻率也會(huì)發(fā)生變化。 半導(dǎo)體材料的種類很多，按其化學(xué)成分，可 分為元素半導(dǎo)體和化合物

20、半導(dǎo)體； 按其是否有雜質(zhì)分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo) 體 ；按其導(dǎo)電類型，分為n型半導(dǎo)體和p型 半導(dǎo)體。 此外，根據(jù)其物理特性，還有磁性半導(dǎo)體、 壓電半導(dǎo)體、鐵電半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、玻璃半 導(dǎo)體、氣敏半導(dǎo)體等。目前獲得廣泛應(yīng)用的半導(dǎo) 體材料有鍺、硅、硒、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦 等，其中以鍺、硅材料的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)最為成 熟，應(yīng)用得最多。 太陽(yáng)能電池多為半導(dǎo)體材料制造，發(fā)展至今， 業(yè)已種類繁多，形式各樣。 (1)(1)按照結(jié)構(gòu)分類按照結(jié)構(gòu)分類 按照結(jié)構(gòu)的不同可分為如下幾類。 同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。由同一種半導(dǎo)體材料 構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)p-n結(jié)的太陽(yáng)能電池。如硅太陽(yáng) 能電池、砷化鎵太陽(yáng)能電池等。 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能

21、電池。用兩種不同禁帶寬度 的半導(dǎo)體材料在相接的界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)p-n 結(jié)的太陽(yáng)能電池。如氧化銦錫硅太陽(yáng)能電池、 硫化亞銅 硫化鎘太陽(yáng)能電池等。如果兩種異質(zhì)材料的晶格 結(jié)構(gòu)相近，界面處的晶格匹配較好，則稱為異質(zhì) 面太陽(yáng)能電池。如砷化鋁鎵砷化鎵異質(zhì)面太陽(yáng) 能電池等。 肖特基太陽(yáng)能電池。用金屬和半導(dǎo)體 接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的太陽(yáng)能電池， 也叫做MS太陽(yáng)能電池。其原理是基于金屬- 半導(dǎo)體接觸時(shí)在一定條件下可產(chǎn)生整流接觸 的肖特基效應(yīng)。 目前已發(fā)展成為金屬-氧化物-半導(dǎo)體太 陽(yáng)能電池，即MOS太陽(yáng)能電池；金屬-絕緣體 -半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，即MIS太陽(yáng)能電池。如 鉑-硅肖特基太陽(yáng)能電池、鋁-硅肖特

22、基太陽(yáng) 能電池等。 (2)(2)按照材料分類按照材料分類 按照材料的不同可分為如下幾類。 硅太陽(yáng)能電池。以硅材料作為基體 的太陽(yáng)能電池。如單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶 硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池等。制作 多晶硅太陽(yáng)能電池的材料，用純度不太高的 太陽(yáng)級(jí)硅即可。而太陽(yáng)級(jí)硅由冶金級(jí)硅用簡(jiǎn) 單的工藝就可加工制成。多晶硅材料又有帶 狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種。用它們 制造的太陽(yáng)能電池有薄膜和片狀兩種。 硫化鎘太陽(yáng)能電池。以硫化鎘單晶或 多晶為基體材料的太陽(yáng)能電池。如硫化亞 銅硫化鎘太陽(yáng)能電池、碲化鎘硫化鎘太 陽(yáng)能電池、硒銦銅硫化鎘太陽(yáng)能電池等。 砷化鎵太陽(yáng)能電池。以砷化鎵為基體 材料的太陽(yáng)能電池。如同

23、質(zhì)結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能 電池、異質(zhì)結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池等。 按照太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)來(lái)分類，其物理 意義比較明確，因而被作為太陽(yáng)能電池命名 方法的依據(jù)。 6.1.2 6.1.2 太陽(yáng)能電池的工作原理、特性及制太陽(yáng)能電池的工作原理、特性及制 造方法造方法 (1)太陽(yáng)能電池的工作原理 太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于 能量轉(zhuǎn)換器才能變換成為電能。這個(gè)把光 能變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽(yáng)能 電池。太陽(yáng)能電池是如何把光能轉(zhuǎn)換成電 能的?下面以單晶硅太陽(yáng)能電池為例做一簡(jiǎn) 單介紹。 太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體 p-n結(jié)的光生伏打效應(yīng)。 所謂光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)言之，就是當(dāng)物體 受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)

24、發(fā)生變 化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。 當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體p-n結(jié) 時(shí)，就會(huì)在p-n結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫 做光生電壓。這種現(xiàn)象，就是著名的光生 伏打效應(yīng)。 把把p-np-n結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。 眾所周知，物質(zhì)的原子是由原子核和電子組 成的。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。電子就像行 星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)一樣，按照一定的軌道圍繞著原 子核旋轉(zhuǎn)。單晶硅的原子是按照一定的規(guī)律排列 的。硅原子的外層電子殼層中有4個(gè)電子， 如圖11-1所示。 每個(gè)原子的外層電子都有固定的位置，并受原 子核的約束。它們?cè)谕鈦?lái)能量的激發(fā)下，如在太 陽(yáng)光輻射時(shí)，就會(huì)擺脫原子核的束縛而成為自由 電子，并同

25、時(shí)在它原來(lái)的地方留出一個(gè)空位，即 半導(dǎo)體物理學(xué)中所謂的“空穴”。由于電子帶負(fù) 電，空穴就表現(xiàn)為帶正電。 電子和空穴就是單晶硅中可以運(yùn)動(dòng)的電 荷。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的 數(shù)目是相等的。 如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、 鋁、鎵或銦等雜質(zhì)元素，那么它就成了空穴空穴 型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。如果在硅晶體中 摻入能夠釋放電子的磷、砷或銻等雜質(zhì)元素， 那么它就成了電子型的半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱電子型的半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱n n型半導(dǎo)型半導(dǎo) 體體。 若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由 于電子和空穴的擴(kuò)散，在交界面處便于電子和空穴的擴(kuò)散，在交界面處便 會(huì)形

26、成會(huì)形成p-n結(jié)，并在結(jié)的兩邊形成內(nèi)建結(jié)，并在結(jié)的兩邊形成內(nèi)建 電場(chǎng)，又稱勢(shì)壘電場(chǎng)。電場(chǎng)，又稱勢(shì)壘電場(chǎng)。 由于此處的電阻特別高，所以也稱由于此處的電阻特別高，所以也稱 為阻擋層。為阻擋層。 當(dāng)太陽(yáng)光照射太陽(yáng)光照射p-np-n結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電 子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn) 生了電子生了電子空穴對(duì)空穴對(duì)，并在勢(shì)壘電場(chǎng)的作用下， 電子被驅(qū)向n型區(qū)，空穴被驅(qū)向p型區(qū)，從而 使n區(qū)有過(guò)剩的電子，p區(qū)有過(guò)剩的空穴；于 是，就在p-n結(jié)的附近形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向 相反的光生電場(chǎng)(如圖112所示)。 光生電場(chǎng)的一部分抵銷勢(shì)壘電場(chǎng)，其余部

27、分使p型區(qū)帶正電、n型區(qū)帶負(fù)電；于是，就 使得在在n n區(qū)與區(qū)與p p區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng)區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動(dòng) 勢(shì)，即光生伏打電動(dòng)勢(shì)勢(shì)，即光生伏打電動(dòng)勢(shì)。 太陽(yáng)能電池的工作原理太陽(yáng)能電池的工作原理 當(dāng)接通外電路時(shí)便有電能輸出。這當(dāng)接通外電路時(shí)便有電能輸出。這 就是就是p-n結(jié)接觸型單晶硅太陽(yáng)能電池發(fā)結(jié)接觸型單晶硅太陽(yáng)能電池發(fā) 電的基本原理。電的基本原理。 若把幾十個(gè)、數(shù)百個(gè)太陽(yáng)能電池單若把幾十個(gè)、數(shù)百個(gè)太陽(yáng)能電池單 體串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，組成體串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，組成太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 組件組件，在太陽(yáng)光的照射下，便可獲得，在太陽(yáng)光的照射下，便可獲得 相當(dāng)可觀的輸出功率的電能相當(dāng)可觀的輸出功率的

28、電能。 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 電子型的半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱電子型的半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多數(shù)載流子；少數(shù)載流子多數(shù)載流子；少數(shù)載流子 p-n結(jié)的形成結(jié)的形成 光生載流子光生載流子-少數(shù)載流子起主要作用少數(shù)載流子起主要作用 光、伏電池原理光、伏電池原理 為便于對(duì)上面的介紹加以理解，這里將介紹中 涉及到的幾個(gè)半導(dǎo)體物理學(xué)的術(shù)語(yǔ)作一簡(jiǎn)介。 能帶能帶 固體量子理論中用來(lái)描述晶體中電 子狀態(tài)的一個(gè)重要物理概念。在一個(gè)孤立的原子中， 電子只能在一些特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，不同軌道的電 子能量不同。所以，原子中的電子只能容許取一些 特定的值，其中每個(gè)能量稱

29、為一個(gè)能級(jí)。晶體是由 大量原子有規(guī)則的排列組成的，其中各個(gè)原子相同 能量的能級(jí)，由于相互作用，在晶體中變成了能量 略有差異的能級(jí)，看上去像一條帶子，所以稱為能 帶。原子的外層電子在晶體中處于較高能帶，內(nèi)層 電子則處于低能帶中。能帶中的電子已不是圍繞各 自的原子核做閉合軌道運(yùn)動(dòng)，而是為各原子所共有， 在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。 載流子載流子 指的是運(yùn)載電流的粒子指的是運(yùn)載電流的粒子。無(wú)論是導(dǎo)體還是半導(dǎo) 體，其導(dǎo)電作用都是通過(guò)帶電粒子在電場(chǎng)的作 用下定向運(yùn)動(dòng)(形成電流)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種帶電 粒子就叫作載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電 子。半導(dǎo)體中的載流子有兩種，即帶負(fù)電的電 子和帶正電的空穴。如果半導(dǎo)體中的電

30、子數(shù)目 比空穴大得多，對(duì)導(dǎo)電起重要作用的是電子， 則把電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流 子。反之，便把空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱 為少數(shù)載流子。 空穴空穴 半導(dǎo)體中的一種載流子。它與電子的電荷 量相等，但極性相反。晶體中完全被電子占據(jù)的能帶 叫滿帶或價(jià)帶，沒(méi)有被電子占滿的能帶叫空帶或?qū)В?導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的空隙，稱為能隙或禁帶。如果由于 外界作用(例如熱、光等)，使價(jià)帶中的電子獲得能量 而跳到了能量較高的導(dǎo)帶中去，就出現(xiàn)了很有趣的效 應(yīng)，即這個(gè)電子離開后，便在價(jià)帶中留下一個(gè)空位。 根據(jù)電中性原理，這個(gè)空位應(yīng)帶正電，其電量與電子 相等。當(dāng)空位附近的電子移動(dòng)過(guò)來(lái)填充這個(gè)空位時(shí)， 就相當(dāng)于空位向

31、相反方向移動(dòng)。其作用很相似于荷正 電粒子的運(yùn)動(dòng)，通常稱它為正空穴，簡(jiǎn)稱空穴。所以， 在外電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電，不僅由于電子 運(yùn)動(dòng)，而且也包括空穴運(yùn)動(dòng)所做的貢獻(xiàn)。 施主施主 凡摻人純凈半導(dǎo)體中的某種雜 質(zhì)的作用是提供導(dǎo)電電子的，就叫作施主雜 質(zhì)，簡(jiǎn)稱施主。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，若摻人磷、砷、 銻等元素，所起的作用就是施主。 受主受主 凡摻人純凈半導(dǎo)體中的某種雜 質(zhì)的作用是接受電子的，或稱提供了空穴的， 就叫作受主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱受主。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，如 摻人硼、鎵、鋁等元素，所起的作用就是受 主。 p-np-n結(jié)結(jié) 在一塊半導(dǎo)體晶片上，通過(guò)某些工藝過(guò)程，使 一部分呈p p型型( (空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電) )， 另一

32、部分呈n n型型( (電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電)，則該p型和n型界面附 近的區(qū)域，就叫作p-n結(jié)。p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?能，是晶體二極管的基本結(jié)構(gòu)，是許多半導(dǎo)體器 件的核心。 p-n結(jié)的種類很多： 按材料分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)； 按雜質(zhì)分，有突變結(jié)和緩變結(jié)； 按工藝分，有成長(zhǎng)結(jié)、合金結(jié)、擴(kuò)散結(jié)、外延 結(jié)和注入結(jié)等。 半導(dǎo)體材料吸收光子的能量后，晶體內(nèi) 的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而產(chǎn)生電子-空 穴對(duì)。為了防止這些光生載流子因“復(fù) 合”(即電子和空穴重新相遇而湮滅)而消失， 就必須設(shè)法把這些新產(chǎn)生的電子和空穴分 開，所以需要外加一個(gè)靜電場(chǎng)，使這些電 子和空穴沿相反的方向流動(dòng)。產(chǎn)生這種靜 電場(chǎng)的方法很多，其中

33、最普遍采取的方法 就是利用半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的p-n結(jié)結(jié)。 在一塊單晶半導(dǎo)體中，如果各個(gè)部分的 施主雜質(zhì)(能“施放”自由電子的雜質(zhì)，也 就是n型雜質(zhì))和受主雜質(zhì)(能“俘獲”自由 電子的雜質(zhì)，也就是p型雜質(zhì))的濃度不同， 使得它的一部分呈n型導(dǎo)電性型導(dǎo)電性(主要載流子 是電子)，而另一部分呈p型導(dǎo)電性型導(dǎo)電性(主要載 流子是空穴)，那么在p型區(qū)和n型區(qū)的交界交界 面處就會(huì)形成面處就會(huì)形成p-n結(jié)。結(jié)。 正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅 原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入 的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子， 所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴藍(lán)色的空穴，這 個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定，容

34、 易吸收電子而中和，形成P型半導(dǎo)體。 正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊 的四個(gè)電子。而的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子黃色的表示摻入的硼原子， 因?yàn)榕鹪又車挥幸驗(yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖 所示的所示的藍(lán)色的空穴藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得 很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以 就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形

35、成就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。黃色黃色 的為磷原子核，紅色的為多余的電子。的為磷原子核，紅色的為多余的電子。 P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，即P型半導(dǎo) 體中的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是 電子；而N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，N 型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載 流子是空穴。這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié) 合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差， 這就是P-N結(jié)。 在p-n結(jié)的兩邊，電子和空穴存在著濃度濃度 差差，所以p型區(qū)中的空穴將向n型區(qū)擴(kuò)散， 而n型區(qū)中的電子也將向p型區(qū)擴(kuò)散。 原來(lái)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體本身都是電 中性的，由于電子和空穴產(chǎn)生了這種擴(kuò)散擴(kuò)散 運(yùn)動(dòng)，就使得

36、在運(yùn)動(dòng)，就使得在p-n結(jié)附近形成一個(gè)結(jié)附近形成一個(gè)帶電帶電的的 區(qū)域區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。 它所產(chǎn)生的電場(chǎng)，使得電子和空穴沿相 反的方向進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，這種漂移運(yùn)動(dòng)正 好抵消了電子和空穴自身的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。因 此，空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用，就 在于保持了p型區(qū)和n型區(qū)之間電子和空穴 的相對(duì)平衡。 這種電場(chǎng)稱為“自建電場(chǎng)”，它表明在p 型區(qū)和n型區(qū)兩部分之間存在著一定的電勢(shì) 稱為接觸電勢(shì)差。 內(nèi)建場(chǎng)大到一定內(nèi)建場(chǎng)大到一定 程度程度,不再有凈電不再有凈電 荷的流動(dòng)，達(dá)到荷的流動(dòng)，達(dá)到 了新的平衡。了新的平衡。 在型在型 n型交界面型交界面 附近形成的這種特附近形成的這種特 殊結(jié)構(gòu)稱為殊結(jié)構(gòu)稱為P-N

37、結(jié)，結(jié)， 約約0.1 m厚厚。 P-N結(jié)結(jié) 阻阻 E n型型 p型型 內(nèi)建場(chǎng)阻止電子內(nèi)建場(chǎng)阻止電子 和空穴進(jìn)一步擴(kuò)和空穴進(jìn)一步擴(kuò) 散，記作散，記作 。 阻阻 E 當(dāng)在p-n結(jié)上加有正向偏壓，即p區(qū)接電源 正極，n區(qū)接電源負(fù)極時(shí)，外加電壓與自建 電場(chǎng)的方向相反，因此減弱了p-n結(jié)空間電 荷區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，破壞了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移 運(yùn)動(dòng)之間的相對(duì)平衡，使載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 超過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電子從n區(qū)向p區(qū)以 及空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流，使p區(qū)和n區(qū) 的電子和空穴都有所增加，這種現(xiàn)象就稱為 p-n結(jié)的正向注入。 當(dāng)太陽(yáng)電池受到光照時(shí)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與 漂移運(yùn)動(dòng)之間的相對(duì)平衡即被破壞，于是就在p

38、區(qū)和n區(qū)產(chǎn)生光生載流子。由于p區(qū)(或n區(qū))在 未受光照時(shí)未受光照時(shí)多數(shù)載流子多數(shù)載流子的濃度本來(lái)就已很高，的濃度本來(lái)就已很高， 因此光照所激發(fā)的空穴因此光照所激發(fā)的空穴(或電子或電子)的作用不大，可的作用不大，可 以忽略不計(jì)。以忽略不計(jì)。 例如，在p+n型硅太陽(yáng)電池中，p區(qū)空穴的濃 度一般在1020個(gè)厘米3左右，而光生載流子的 濃度則不會(huì)超過(guò)2.8X1017個(gè)厘米3。 所以，光照的作用，實(shí)際效果上只是光照的作用，實(shí)際效果上只是 增加了增加了少數(shù)載流子少數(shù)載流子的濃度。的濃度。 當(dāng)晶片受太陽(yáng)光照射后，不論晶片受太陽(yáng)光照射后，不論P(yáng)區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū),受受 光激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子起主要作用光激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)

39、載流子起主要作用， （因多數(shù)載流子數(shù)量太大，再增多多少都 無(wú)關(guān)大局）這些少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng) 作用下，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)， 而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成 從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形 成電勢(shì)差，這就形成了新電源。 這些少數(shù)載流子朝四面八方運(yùn)動(dòng)，其中 一部分被復(fù)合掉，另一部分則能到達(dá)p-n結(jié)。 到達(dá)p-n結(jié)的少數(shù)載流子立即受到自建場(chǎng)的 靜電力作用，使p區(qū)的電子迅速到達(dá)n區(qū)， 而n區(qū)的空穴則迅速到達(dá)p區(qū)。 這樣，光生少數(shù)載流子就被光生少數(shù)載流子就被p-n結(jié)的自結(jié)的自 建場(chǎng)所分離建場(chǎng)所分離，使使p-n結(jié)的靜電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)的靜電場(chǎng)增強(qiáng).如圖所 示。同時(shí)，這些載流子的運(yùn)動(dòng)

40、，還會(huì)中和 掉一部分空間電荷。 當(dāng)晶片受太陽(yáng)光照射后，晶片受太陽(yáng)光照射后， 不論不論P(yáng)區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū),受光激發(fā)產(chǎn)受光激發(fā)產(chǎn) 生的少數(shù)載流子起主要作用生的少數(shù)載流子起主要作用 原理結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu) 光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N 器件。它的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)器件。它的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)P-N結(jié)。結(jié)。 光電池是在光電池是在n（p）型硅基底上擴(kuò)散）型硅基底上擴(kuò)散p（n）型雜質(zhì)并作為受）型雜質(zhì)并作為受 光面，構(gòu)成光面，構(gòu)成p-n結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在基底和結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在基底和 光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作

41、保護(hù)膜（一方面光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜（一方面 起防潮保護(hù)作用，另一方面對(duì)入射光起抗反射作用），即起防潮保護(hù)作用，另一方面對(duì)入射光起抗反射作用），即 成光電池。成光電池。 n p 二氧化硅二氧化硅 電極電極 太陽(yáng)能電池原理小結(jié) 1. 陽(yáng)光作用下產(chǎn)生大量的光生少數(shù)載流子陽(yáng)光作用下產(chǎn)生大量的光生少數(shù)載流子 2. 光能驅(qū)動(dòng)這些光生少數(shù)載流子光能驅(qū)動(dòng)這些光生少數(shù)載流子,其中一部其中一部 分被分被被復(fù)合掉，另一部分則能到達(dá)p-n結(jié)。 到達(dá)p-n結(jié)的少數(shù)載流子立即受到自建場(chǎng)的 靜電力作用，使p區(qū)的電子迅速到達(dá)n區(qū)， 而n區(qū)的空穴則迅速到達(dá)p區(qū)。 3.光生少數(shù)載流子被光生少數(shù)載流子被p-n

42、結(jié)的自建場(chǎng)所分離結(jié)的自建場(chǎng)所分離， 使使p-n結(jié)的靜電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)的靜電場(chǎng)增強(qiáng).形成新電源-太陽(yáng)能 電池. (2) (2)太陽(yáng)能電池的基本電學(xué)特性太陽(yáng)能電池的基本電學(xué)特性 太陽(yáng)能電池的極性太陽(yáng)能電池的極性。太陽(yáng)能電池一般制 成p+p+n n型型結(jié)構(gòu)或n+n+p p型結(jié)構(gòu) (見圖113)。其中，第一個(gè)符號(hào)， 即p+或n+，表示太陽(yáng)能電池正面光照層半導(dǎo)體 材料的導(dǎo)電類型；第二個(gè)符號(hào)，即n和p，表示 太陽(yáng)能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。 太陽(yáng)能電池的電性能與制造電池所用的半 導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。在太陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng) 能電池輸出電壓的極性，p型一側(cè)電極正，n型 一側(cè)電極為負(fù) 當(dāng)太陽(yáng)能電池作為電源與外電

43、路連 接時(shí)，太陽(yáng)能電池在正向狀態(tài)下工作。 當(dāng)太陽(yáng)能電池與其他電源聯(lián)合使用時(shí)， 如果外電源的正極與電池的p電極連接， 負(fù)極與電池的n電極連接，則外電源向 太陽(yáng)能電池提供正向偏壓；如果外電源 的正極與電池的n電極連接，負(fù)極與p電 極連接，則外電源向太陽(yáng)能電池提供反 向偏壓。 太陽(yáng)能電池的電流太陽(yáng)能電池的電流- -電壓特性電壓特性 太陽(yáng)能電池的電路及等效電路如圖所示。 其中，R為電池的外負(fù)載電阻。 當(dāng)R0時(shí)，所測(cè)的電流為電池的短路 電流Isc 。 短路電流Isc是將太陽(yáng)能電池置于標(biāo)準(zhǔn) 光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過(guò)太陽(yáng) 能電池兩端的電流，叫作太陽(yáng)能電池的短路 電流。測(cè)量短路電流的方法，是用內(nèi)阻小

44、于 1的電流表接在太陽(yáng)能電池的兩端。 Isc值與太陽(yáng)能電池的面積大小有關(guān)，面積越大， Isc 值越大。一般來(lái)說(shuō)，1cm2太陽(yáng)能電池的Isc值約 為1630mA。同一塊太陽(yáng)能電池，其Isc值與入射光 的輻照度成正比；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)， Isc值略有 上升，一般溫度每升高1， Isc值約上升78uA。 當(dāng)RL L時(shí)，所測(cè)得的電壓為電池的開路電壓 Uoc,開路電壓Uoc是把太陽(yáng)能電池置于100mWcm2的 光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出電 壓值，叫作太陽(yáng)能電池的開路電壓。可用高內(nèi)阻的 直流毫伏計(jì)測(cè)量。太陽(yáng)能電池的開路電壓，與光譜 輻照度有關(guān)，與電池面積的大小無(wú)關(guān)。 在100mWcm2的太

45、陽(yáng)光譜輻照度下，單晶 硅太陽(yáng)能電池的開路電壓為450-600mV，最 高可達(dá)690mV。當(dāng)入射光譜輻照度變化時(shí)， 太陽(yáng)能電池的開路電壓與入射光譜輻照度 的對(duì)數(shù)成正比，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，太陽(yáng) 能電池的開路電壓值將下降，一般溫度每 上升1，Uoc值約下將23mV。 ID(二極管電流)為通過(guò)p-n結(jié)的總擴(kuò)散電流， 其方向與Isc相反。Rs為串聯(lián)電阻，它主要 由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻 和電極與硅表面間接觸電阻所組成。Rsh為旁 漏電阻，它是由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺 陷引起的。 一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，很小，而Rsh很大。 由于Rs和及Rsh是分別串聯(lián)與并聯(lián)在電路中的， 所以在進(jìn)行理想電路

46、計(jì)算時(shí)，它們都可以忽 略不計(jì)。此時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流I IL L為 當(dāng)IL 0時(shí)，電壓U即為Uoc，可用下式表示 根據(jù)以上兩式作圖，就可得到太陽(yáng)能電 池的電流電壓關(guān)系曲線。這個(gè)曲線， 簡(jiǎn)稱為I-U曲線，或伏-安曲線，如圖11- 5所示。 圖11-5中曲線a，是二極管的暗伏 -安特性曲線，即無(wú)光照時(shí)太陽(yáng)能電 池的I-U曲線； 曲線b，是電池接受光照后的I-U 曲線，它可由無(wú)光照時(shí)I-U曲線向第 象限位移Isc量得到。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變 換，最后即可得到常用的光照I-U曲 線，如圖11-6所示。 I Imp為最大負(fù)載電流，Ump為最大負(fù)載電壓。 在此負(fù)載條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功率最 大，在電流電壓坐標(biāo)系中

47、對(duì)應(yīng)的這一點(diǎn)， 稱為最大功率點(diǎn)；對(duì)應(yīng)的負(fù)載，稱為最大負(fù) 載。 評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池的輸出特性，還有一個(gè) 重要參數(shù)，叫做填充因子它與開路電壓、短 路電流和負(fù)載電壓、負(fù)載電流的關(guān)系式為 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率用表示，指的是 太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與照射到電池上的 入射光的功率之比。 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，主要與它的 結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、電池的工作溫度、 放射性粒子輻射損壞和環(huán)境變化等有關(guān)。計(jì)算 表明，在大氣質(zhì)量為AM l.5的條件下測(cè)試，目 前硅太陽(yáng)能電池的理論轉(zhuǎn)換效率的上限值為33 左右；商品單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一 般為1215，高效

48、單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn) 換效率為1820。 太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng) 太陽(yáng)光譜中，不同波長(zhǎng)的光具有的能量是不 同的，所含的光子的數(shù)目也是不同的。因此， 太陽(yáng)能電池接受光照射所產(chǎn)生的光子的數(shù)目也 就不同。為反映太陽(yáng)能電池的這一特性，引入 了光譜響應(yīng)這一參量。 太陽(yáng)能電池在入射光中每一種波長(zhǎng)的光能 的作用下，所收集到的光電流與相對(duì)于入射到 電池表面的該波長(zhǎng)光子數(shù)之比，叫做太陽(yáng)能電 池的光譜響應(yīng)，又稱為光譜靈敏度。 太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)，與太陽(yáng)能 電池的結(jié)構(gòu)、材料性能、結(jié)深、表面 光學(xué)特性等因素有關(guān)，并且它還隨環(huán) 境溫度、電池厚度和輻射損傷而變化。 幾種常用的太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)曲 線

49、如圖11-7所示。 3)3)太陽(yáng)能電池的制造方法太陽(yáng)能電池的制造方法 太陽(yáng)能電池的種類很多，目前應(yīng)用最多的 是單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池。它們技術(shù)上成 熟，性能穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)換效率較高，已產(chǎn)業(yè)化 大規(guī)模生產(chǎn)。單晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖 11-8所示，實(shí)際上，它是一個(gè)大面積的半導(dǎo)體 p-n結(jié)。上表面為受光面，蒸有鋁銀材料做成 的柵狀電極；背面為鎳錫層做成的背電極。上 下電極均焊接銀絲作為引線。為了減少硅片表 面對(duì)入射光的反射，在電池表面上蒸鍍一層二 氧化硅或其他材料的減反射膜。 下面簡(jiǎn)要地介紹一下單晶硅太陽(yáng)能電池的一般 制造方法。 硅片的選擇硅片的選擇 硅片是制造單晶硅太陽(yáng) 能電池的基本材料（含量純

50、度要大于99.999%）， 它可以由純度很高的硅單晶棒切割而成。選擇硅 片時(shí)，要考慮硅材料的導(dǎo)電類型、電阻率、晶向、位 錯(cuò)、壽命等。硅片通常加工成方形、長(zhǎng)方形、圓形或 半圓形，厚度約為0.20-0.04mm。 硅片的表面準(zhǔn)備硅片的表面準(zhǔn)備 切好的硅片，表面 臟且不平。因此，前，要先進(jìn)行表面準(zhǔn)備。表 面準(zhǔn)備一般分為3步。 a用熱濃硫酸作初步化學(xué)清洗。 b.在酸性或堿性腐蝕液中腐蝕，每 面大約蝕去3050um。 c用王水或其他清洗液再進(jìn)行化學(xué) 清洗。在化學(xué)清洗和腐蝕后，要用高純 的去離子水沖洗硅片。 擴(kuò)散制結(jié)擴(kuò)散制結(jié) p-n結(jié)是單晶硅太陽(yáng)能電池的核心部分。沒(méi) 有p-n結(jié)，便不能產(chǎn)生光電流，也就不成

51、其為 太陽(yáng)能電池。因此，p-n結(jié)的制造是最重要的 工序。制結(jié)方法有熱擴(kuò)散、離子注入、外延、 激光和高頻電注入等法。通常多采用熱擴(kuò)散法 制結(jié)。此法又有涂布源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散和固 態(tài)源擴(kuò)散之分。其中固態(tài)氮化硼源擴(kuò)散，設(shè)備 簡(jiǎn)單，操作方便，擴(kuò)散硅片表面狀態(tài)好，p-n 結(jié)面平整，均勻性和重復(fù)性優(yōu)于液態(tài)源擴(kuò)散， 適合于工業(yè)化生產(chǎn)。 它通常采用片狀氮化硼作源，在氮?dú)?保護(hù)下進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散前，氮化硼片先 在擴(kuò)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(kuò)散。擴(kuò)散 溫度為9501000，擴(kuò)散時(shí)間為15 30min，氮?dú)饬髁繛?000mLmin。 除去背結(jié)除

52、去背結(jié) 在高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程中，硅片的背面也形 成了p-n結(jié)，必須把背結(jié)去掉。除背結(jié)的常 用方法有化學(xué)腐蝕法、磨片法和蒸鋁或絲 網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。 為使電池轉(zhuǎn)換所獲得的電能能夠輸出， 必須在電池上制作正負(fù)兩個(gè)電極。 電池光照面上的電極，稱作上電極光照面上的電極，稱作上電極; 電池背面的電極，稱作下電極。 上電極通常制成柵線狀，這有利于對(duì)光 生電流的收集，并使電池有較大的受光面 積。下電極布滿在電池的背面，以減小電 池的串聯(lián)電阻。 制作電極的方法主要有真空蒸鍍、化學(xué) 鍍鎳、鋁漿印刷燒結(jié)等。鋁漿印刷燒結(jié)是目 前商品化生產(chǎn)中大量采用的方法。其工藝為， 把硅片置于真空鍍膜機(jī)的鐘罩內(nèi)，真空度抽 到足夠高時(shí)，

53、便凝結(jié)成一層鋁薄膜，其厚度 控制在30一lOO nm。然后，再在鋁薄膜上蒸 鍍一層銀，厚度約25um。為便于電池的組 合裝配，電極上還需釬焊一層錫-鋁-銀合金 焊料。 此外，為得到柵線狀的上電極，在蒸鍍鋁和 銀時(shí)，硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。 上電極柵線密度一般為2一4條cm，多的 可達(dá)1019條cm，最多的可達(dá)60條cm。 用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作上電極，既可降低成本， 又便于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。所謂絲網(wǎng)印刷，是 用滌綸薄膜制成所需電極圖形的掩膜，貼在 絲網(wǎng)上，然后套在硅片上用銀漿、鋁漿印刷 出所需電極的圖形，經(jīng)過(guò)在真空和保護(hù)氣氛 中燒結(jié)，形成牢固的接觸電極。 腐蝕周邊腐蝕周邊 擴(kuò)散過(guò)程中，在硅片

54、的四周表面也有擴(kuò)散 層形成，通常它在腐蝕背結(jié)時(shí)即已去除，所以 這道工序可以省去。若釬焊時(shí)電池的周邊沾有 金屬，則仍需腐蝕，以去除金屬。這道工序?qū)?電池的性能影響很大，任何微小局部的短路， 都會(huì)使電池變壞，甚至成為廢品。腐蝕周邊最 簡(jiǎn)單的方法是把硅片的兩面掩蔽好，再放人腐 蝕液中腐蝕30s。目前工業(yè)化生產(chǎn)用等離子干 法腐蝕，在輝光放電條件下通過(guò)氟和氧交換作 用，去除含有擴(kuò)散層的周邊。 蒸鍍減反射膜蒸鍍減反射膜 光在硅表面的反射損失率約為13。為減少 硅表面對(duì)光的反射，還要用真空鍍膜法或氣 相生長(zhǎng)法或其他化學(xué)方法，在已制好的電池 表面蒸鍍一層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化 二鉭減反射膜。其中二氧化硅膜

55、工藝成熟， 制作簡(jiǎn)便，為目前生產(chǎn)上所常用。它可提高 太陽(yáng)能電池的光能利用率，增加電池的電能 輸出。 鍍上一層減反射膜可將入射光的反射率 減少到10左右，而鍍上兩層減反射膜則 可將反射率減少到4以下。減少入射光反 射率的另一個(gè)辦法，是采用絨面技術(shù)。電池 表面經(jīng)絨面處理后，增加了入射光投射到電 池表面的機(jī)會(huì)，第一次沒(méi)有被吸收的光經(jīng)折 射后投射到電池表面的另一晶面上時(shí)，仍可 能被吸收。 檢驗(yàn)測(cè)試檢驗(yàn)測(cè)試 經(jīng)過(guò)上述工序制得的電池，在作為 成品電池入庫(kù)前，均需測(cè)試，以檢驗(yàn)其 質(zhì)量是否合格。在生產(chǎn)中主要測(cè)試的是 電池的伏安特性曲線，從它可以得知 電池的短路電流、開路電壓、最大輸出 功率以及串聯(lián)電阻等參數(shù)。

56、 單晶硅太陽(yáng)能電池組件的封裝單晶硅太陽(yáng)能電池組件的封裝 在實(shí)際使用時(shí)，要把單片太陽(yáng)能電池串、 并聯(lián)起來(lái)，并密封在透明的外殼中，組裝成 太陽(yáng)能電池組件。組件的封裝工藝是用金屬 導(dǎo)電帶將太陽(yáng)能電池焊接在一起，電池片上 下兩側(cè)均為乙烯醋酸乙烯酯(EVA)膜，最上 面是鋼化白玻璃，背面是聚氟乙烯(PVF)復(fù)合 膜。將各層材料按順序疊好后，放人真空層 壓機(jī)進(jìn)行熱壓封裝。最上層的玻璃為低鐵鋼 化玻璃，透光率高，并且經(jīng)長(zhǎng)期紫外線照射 也不會(huì)變色。 EVA膜中加有抗紫外劑和固化劑，熱壓處 理中固化形成具有一定彈性的保護(hù)層，并保 證電池與玻璃緊密接觸。PVF復(fù)合膜具有良好 的耐光和防潮及防腐性能。經(jīng)層壓封裝后，

57、 再于四周加上密封條，裝上經(jīng)過(guò)氧化的鋁合 金框，即制成太陽(yáng)能電池組件。這種密封成 的組件，可以滿足使用中對(duì)防冰雹、防風(fēng)、 防塵、防濕、防腐等條件的要求，保證在戶 外條件下的使用壽命在20年以上。把組件再 進(jìn)行串、并聯(lián)，便組成了具有一定輸出功率 的太陽(yáng)能電池方陣。 上面介紹的僅是一種傳統(tǒng)的單晶硅太陽(yáng)能電池 制造方法，有些工廠根據(jù)自己的實(shí)際條件也采用了 其他一些工藝，但均大同小異。為進(jìn)一步降低太陽(yáng) 能申池的成本，目前很多工廠已采用不少制作太陽(yáng) 能電池的新工藝、新技術(shù)。伊如，在電池的表面采 用選擇性腐蝕，使表面反射率降低；采用絲網(wǎng)印刷 化學(xué)鍍鎳或銀漿燒結(jié)工藝制備上、下電極；用噴涂 法沉積減反射膜；并

58、進(jìn)而在太陽(yáng)申池的制作中免掉 使用高真空鍍膜機(jī)。這些，都可使太陽(yáng)能電池的工 藝成本大幅度降低，產(chǎn)量大幅度提高。其他如離子 注入、激光退火、激光摻雜、分子束外延等新工藝 也都有應(yīng)用。 6.1.3 6.1.3 太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能電池方陣 (1)(1)太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)和安裝太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)和安裝 太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)。單體太陽(yáng) 能電池不能直接作為電源使用。在實(shí)際應(yīng) 用時(shí)，是按照電性能的要求，將幾十片或 上百片單體太陽(yáng)能電池串、并聯(lián)連接起來(lái)， 經(jīng)過(guò)封裝，組成一個(gè)可以單獨(dú)作為電源使 用的最小單元，即太陽(yáng)能電池組件。太陽(yáng) 能電池方陣，則是由若干個(gè)太陽(yáng)能電池組 件串、并聯(lián)連接而排列成的陣列。 太陽(yáng)能

59、電池方陣可分為平板式和聚光式兩大類。 平板式方陣，只需把一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池組件按 照電性能的要求串、并聯(lián)起來(lái)即可，不需加裝匯聚 陽(yáng)光的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于固定安裝的場(chǎng)合。 聚光式方陣，加有匯聚陽(yáng)光的收集器，通常采用平 面反射鏡、拋物面反射鏡或菲涅爾透鏡等裝置來(lái)聚 光，以提高入射光譜輻照度。聚光式方陣，可比相 同功率輸出的平板式方陣少用一些單體太陽(yáng)能電池， 使成本下降；但通常需要裝設(shè)向日跟蹤裝置，有了 轉(zhuǎn)動(dòng)部件，從而降低了可靠性。 太陽(yáng)能電池方陣的設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)，就是按照用 戶的要求和負(fù)載的用電量及技術(shù)條件計(jì)算太陽(yáng)能電池 組件的串、并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽(yáng)能電池方陣的工作 電壓決定，應(yīng)考慮蓄電池

60、的浮充電壓、線路損耗以及 溫度變化對(duì)太陽(yáng)能電池的影響等因素。在太陽(yáng)能電池 組件串聯(lián)數(shù)確定之后，即可按照氣象臺(tái)提供的太陽(yáng)年 輻射總量或年日照時(shí)數(shù)的10年平均值計(jì)算確定太陽(yáng)能 電池組件的并聯(lián)數(shù)。太陽(yáng)能電池方陣的輸出功率與組 件的串、并聯(lián)數(shù)量有關(guān)，組件的串聯(lián)是為了獲得所需 要的電壓，組件的并聯(lián)是為了獲得所需要的電流。關(guān) 于太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)及太陽(yáng)能電池方陣設(shè)計(jì)與計(jì)算 的一般方法將在下面介紹。 太陽(yáng)能電池方陣的安裝太陽(yáng)能電池方陣的安裝 平板式地面型太陽(yáng)能電池方陣被安裝在 方陣支架上，支架被固定在水泥基礎(chǔ)或其 他基礎(chǔ)上。對(duì)于方陣支架和固定支架的基 礎(chǔ)以及與控制器連接的電纜溝道等的加工 與施工均應(yīng)按照設(shè)計(jì)