光伏發(fā)電技術(shù)及應用精品課件

光伏應用技術(shù)2021/4/171光伏應用技術(shù)第1章光伏發(fā)電概述第2章太陽能電池原理與特性第3章太陽能電池的種類及其特點第4章太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第5章光伏系統(tǒng)的控制第6章光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計第7章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用

2021/4/172

人類當前使用的能源主要來自煤炭、石油等多年儲藏在地下的石化能源，按照目前的開發(fā)速度，幾十年或許幾百年后，地球所存儲的這些能源就將枯竭。節(jié)約能源和開發(fā)可再生能源已經(jīng)成為當務(wù)之急。在可再生能源中，水能已經(jīng)得到了廣泛的利用，且水能資源終究是有限的；太陽能和風能則是取之不盡，用之不竭的清潔能源。太陽能的應用主要有兩種形式：一是把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，二是把太陽能轉(zhuǎn)換為電能。后者稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，簡稱PV技術(shù)。前言2021/4/173第1章光伏發(fā)電概述1.1太陽能電池和太陽能發(fā)電1.2太陽能發(fā)電發(fā)展歷程1.3太陽能發(fā)電的過去、現(xiàn)在和未來1.4國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢2021/4/174第1章光伏發(fā)電概述1.1太陽能電池和太陽能發(fā)電

一、太陽能與環(huán)保

1、3E的概念經(jīng)濟、資源、環(huán)保是困擾現(xiàn)代社會發(fā)展的三大問題，簡稱3E（EconomyEnvironmentEnergy）。隨著工業(yè)化的推進和人口的增長，資源的消耗量越來越多，從而可以預見若干年后會出現(xiàn)資源危機。據(jù)2001年相關(guān)數(shù)據(jù)，各種資源可開采的年數(shù)為： 石油39年；天然氣57年；煤炭223年；鈾67年。除了資源枯竭問題，在石化燃料的使用過程中，環(huán)境問題不容忽視，如氣候變暖、酸雨等問題。

1997年第三屆控制排放物的京都國際環(huán)保會議成員國研究2002－2012年10年間排放量需逐年減少6％（與1990年相比）。若要做到這些，除了改善現(xiàn)有常規(guī)發(fā)電設(shè)備的排放條件以外，重要的是開發(fā)新能源，如太陽能發(fā)電和風能發(fā)電。2021/4/175一、太陽能與環(huán)保2、太陽能的特點太陽能的熱能和光能利用是兩個重要的應用領(lǐng)域。太陽能具有如下優(yōu)點：

①儲量巨大；

②不會枯竭；

③清潔能源；

④不受地域限制。

到達地球的太陽能，在大氣圈外為1.38kW/m2，其中30％向宇宙反射，其余的70％到達地球。太陽的壽命可達幾十億年。太陽能不會產(chǎn)生CO2等有害物質(zhì)，是一種清潔能源。太陽能的缺點是能量密度低、容易受氣象條件的影響，不具備蓄電功能等。此外，雖然太陽能本身對環(huán)境無污染，但也應該看到，太陽能電池、電力電子變換裝置的制造和使用過程中仍會產(chǎn)生環(huán)境污染，應考慮綜合效益。2021/4/176二、太陽能轉(zhuǎn)換電能的基本原理

太陽能電池，完成將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù)。太陽能電池主要由半導體硅制成，在半導體上有光線照射時，吸收光能激發(fā)出電子和空穴，在半導體中產(chǎn)生電壓（流），稱為“光生伏特效應”或簡稱“光伏效應”（Photovoltaiceffect）。以硅晶體做成的半導體，摻有磷雜質(zhì)的硅晶體中自由電子是多數(shù)載流子，稱為N型半導體；摻有硼雜質(zhì)的硅晶體中空穴是多數(shù)載流子，稱為P型半導體。若將P型半導體與N型半導體結(jié)合，形成PN結(jié)。太陽能電池利用了PN結(jié)的光伏效應。當有光照射太陽能電池時，則激發(fā)電子自由運動流向N型半導體，正電荷集結(jié)于P型半導體，從而產(chǎn)生電位勢。若外接負荷，則有電流流動。太陽光N型半導體P型半導體正極負極電流負荷2021/4/1771.2太陽能發(fā)電發(fā)展歷程年代成就1800

發(fā)現(xiàn)光伏效應1876

硒的光伏效應研究1904Cu、Cu2O對光的敏感性研究1940PN結(jié)理論的研究1954

單晶硅太陽能電池發(fā)明（美國貝爾實驗室）1955CdS太陽能電池發(fā)明1956GaAs太陽能電池發(fā)明1958

在先驅(qū)者1號通信衛(wèi)星上應用太陽能電池1972

美國制訂新能源開發(fā)計劃1974

日本制訂太陽能發(fā)電發(fā)展的“陽光計劃”1976

非晶硅太陽能電池的發(fā)明1984

美國7MW太陽能發(fā)電站建成1985

日本1MW太陽能發(fā)電站建成1991

制定再生新能源發(fā)電與公共電力網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（德國）1992

制定逆潮流供電與公共網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（日本）1994

住宅用太陽光發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程（日本）2003RPS法（新能源法案）（日本）2021/4/1781.3太陽能發(fā)電的過去、現(xiàn)在和未來

一、20世紀70年代：開發(fā)初期太陽能電池發(fā)電技術(shù)開發(fā)初期的20世紀70年代，太陽能電池的價格昂貴（1500美元/瓦），只能用于人造衛(wèi)星、差轉(zhuǎn)電臺、海島燈塔等場所。二、20世紀80年代－20世紀90年代：小容量太陽能電池的廣泛應用太陽能電池主要應用在手表、計數(shù)器、照明（路燈、庭院燈）、交通標志和防災電源上。雖然太陽能電池的價格不斷降低，但仍然比較貴，還不能應用于民用電器。三、太陽能發(fā)電的高速發(fā)展和大容量應用階段隨著世界各國制訂光伏發(fā)展計劃、大量研究經(jīng)費的投入、財政補貼、免稅等優(yōu)惠政策鼓勵下，20多年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。太陽能電池價格已降低至5－6美元/瓦，大容量的應用成為可能。比較典型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)如西藏雙湖25KW光伏電站、麗江光伏電站。將太陽能電池板作為屋頂或貼于朝南的墻面上，使建筑與太陽能發(fā)電一體化，為大樓的照明、空調(diào)、電梯供電，并與市電并網(wǎng)。四、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的未來：建在太空的超級太陽能發(fā)電站在太空建立巨大的太陽能發(fā)電站，把產(chǎn)生的電力變換成微波后傳輸?shù)降孛妗?021/4/1791.4國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢

國際上在光伏領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的國家主要有日本、德國、美國、澳大利亞等。生產(chǎn)廠排名產(chǎn)量（MW）比例（％）Sharp（日本）夏普1（1）324.025.8Kyocera（日本）京瓷2（2）105.08.3BPSolar（英國）3（3）84.96.8MitsubishiElectric（日本）4（6）75.06.0Q-Cells（德國）4（9）75.06.0ShellSolar（荷蘭）殼牌6（4）72.05.7Sanyo（日本）三洋7（8）65.05.4RWESchottSolar（德國）8（5）63.05.0Isofoton（西班牙）9（7）53.04.2臺灣茂迪（中國）10（10）35.02.8無錫尚德（中國）10（16）35.02.8世界十大太陽能電池生產(chǎn)廠2004年排名與產(chǎn)量注：括號內(nèi)為2003年排名2021/4/17109、人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:32:45PM11、人總是珍惜為得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人亂于心，不寬余請。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生氣是拿別人做錯的事來懲罰自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一個人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2023/2/32023/2/303February202317、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3美國－“百萬屋頂計劃”

美國在1997年6月宣布了太陽能“百萬屋頂計劃”（MillionSolarRoofs

Initiative），準備在2010年以前，在100萬座建筑物上安裝太陽能系統(tǒng)，主要是

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱利用系統(tǒng)。

如果“百萬屋頂計劃”順利實現(xiàn)，到2010年CO2

年排放量可減少300萬噸。美國太陽能光伏發(fā)電與熱利用技術(shù)比較成熟，開始進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。兩大太陽能電池公司年生產(chǎn)能力分別達到5MW和10MW，整個美國光伏發(fā)電產(chǎn)品的年銷售量達到100MW以上。美國政府極為重視對太陽能的開發(fā)和利用。投入巨額資金用于該領(lǐng)域的科研開發(fā)，同時在政策上給予傾斜。目前“百萬屋頂計劃”已經(jīng)在美國某些地區(qū)大力發(fā)展起來。在夏威夷，由于自然條件優(yōu)越，太陽能已經(jīng)成為當?shù)啬茉垂┙o的主要形式和經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。2021/4/1712日本－“陽光計劃”

日本的光伏發(fā)電發(fā)展階段

1.第一次石油危機后，日本通產(chǎn)省于1974年制訂了以發(fā)展太陽能為主的可再生能源代替石油的技術(shù)研究開發(fā)中長期規(guī)劃，即“陽光計劃”。初期，太陽能電池用于家用計算器、燈標和孤島柴油發(fā)電的補充能源。之后成立了新能源生產(chǎn)技術(shù)綜合管理機構(gòu)，加大資金投入，加速了光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐。

2.1988－1994年，隨著社會環(huán)保意識的提高，以及電力公司獨立電源示范工程成功的基礎(chǔ)上，太陽能光伏項目擴大到公園、學校、醫(yī)院、展覽館等公共示范工程以及民用示范工程。

3.1993年制訂的“陽光計劃”，仍然把光伏發(fā)電作為重點項目，光電技術(shù)已達到普遍應用水平。售價過高是影響推廣應用的關(guān)鍵因素，降低光電器件成本和高效率材料的開發(fā)是重要發(fā)展方向。從1994年，日本實施住宅光電系統(tǒng)的優(yōu)惠政策，對每戶居民住宅光電系統(tǒng)提供?的政策補貼，極大地促進了住宅用光電項目的推廣。日本光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要經(jīng)驗：基本國策，常抓不懈；資金投入，政策優(yōu)惠。2021/4/1713德國－“10萬屋頂發(fā)電計劃”

德國在2003年完成“10萬屋頂發(fā)電計劃”，2000年頒布可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促進法，引發(fā)了德國光伏發(fā)展的新一輪高峰。2004年德國光伏發(fā)電總量達到6×105GWh，可再生能源發(fā)電占9.3％。德國政府在推廣光伏發(fā)電方面采取了一系列有力的舉措，主要包括銀行貸款和上網(wǎng)電價補貼等。在德國，若在自家屋頂上安裝了一套光伏發(fā)電設(shè)備，相當于一個小型發(fā)電廠，發(fā)出的電能輸送到公共電網(wǎng)，國家最高給予57.4cent/kWh的補貼，可以獲得較高的經(jīng)濟回報。因此，德國光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個非?；钴S的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)。

2004年，德國光伏安裝總量超過日本，走在世界的前列。2021/4/1714中國－“光明工程計劃”

我國在太陽能光熱利用方面處于世界先進行列，是最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和消費市場。在太陽能光伏發(fā)電研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面奮起直追，取得了較大進展。2004年在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模上超過印度，成為亞洲處于前列的光伏電池生產(chǎn)國家。

2005年通過《中華人民共和國可再生能源法》，于2006年1月1日起正式實施。

我國光伏發(fā)電的發(fā)展歷程：

1958年開始研制太陽能電池，1959年第一個有實用價值的太陽能電池誕生。

1971年3月，太陽能電池首次應用于我國第二顆人造衛(wèi)星。

1973年，太陽能電池首次應用于天津港的浮標燈上。

1979年，用半導體工業(yè)積壓單晶片生產(chǎn)單晶硅電池。

20世紀80年代后期，引進國外關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)線和技術(shù)，太陽能電池生產(chǎn)能力達到4.5MW，太陽能電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。2021/4/1715我國光伏電池組件發(fā)展情況我國光伏系統(tǒng)累計安裝容量2021/4/1716我國晶體硅太陽能電池生產(chǎn)情況（MW）廠家2003年2004年2005年臺灣Motech173588無錫Suntech（尚德）835100寧波太陽能51545保定天威英利610－昆明云南天達2310深圳潔凈能源公司3810我國晶體硅太陽能電池生產(chǎn)情況2021/4/1717我國的“光明項目”及其它

由國家發(fā)改委牽頭，籌集資金100億元，用10年時間（到2010年）用風電、光電和其它可再生能源技術(shù)解決2300萬戶無電地區(qū)居民的生活以及邊防哨所、公路道班、石油管道、鐵路信號等用電問題，預計發(fā)電容量達到300MW。另外，其它項目包括：（1）GEF項目我國政府與世界銀行共同投資推動中國可再生能源市場，主要是光伏和風力發(fā)電，計劃用5年時間安裝10MW光伏系統(tǒng)，以解決無電地區(qū)居民生活用電問題。（2）西部7省無電鄉(xiāng)村通電工程項目

2002年，中央政府和地方政府共同投資18億元，在西部7?。ㄎ鞑?、青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙、陜西、四川）無電地區(qū)鄉(xiāng)政府所在鎮(zhèn)安裝光伏電站，規(guī)模在20－80kW，共計15MW，項目在一年內(nèi)完成。（3）其它重大建設(shè)項目青海敦煌8MW大漠地區(qū)光伏發(fā)電工程；深圳國際園藝博覽會1MW光伏并網(wǎng)電站；上海10萬太陽能屋頂計劃；北京奧運會鳥巢體育場太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；保定電谷錦江國際酒店玻璃幕墻光伏并網(wǎng)發(fā)電工程。2021/4/1718全球單體最大太陽能建筑并網(wǎng)發(fā)電2021/4/1719全球單體最大太陽能建筑并網(wǎng)發(fā)電

全球最大的光伏建筑一體化低能耗生態(tài)建筑——尚德光伏研發(fā)中心大樓竣工。這里將成為尚德公司國家級企業(yè)（集團）技術(shù)中心的研發(fā)基地。

尚德光伏研發(fā)中心大樓總投資約2億元，該幢建筑地上7層，幕墻總高度37米，總面積約1.8萬平方米，PV幕墻面積6900平米，是全球最大的光電幕墻。整個工程設(shè)計容量為1兆瓦，預計全年發(fā)電量將達到70萬千瓦時，預計將為整體建筑提供80％耗電。以最低使用壽命25年計算，共可產(chǎn)生電量1737.5萬千瓦時，預計每年可以替代標準煤240噸，減排432噸，25年共替代標煤6000噸。無錫尚德太陽能電力有限公司成立于2001年1月，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的高新技術(shù)光伏企業(yè)，主要從事晶體硅太陽電池、組件、光伏系統(tǒng)工程、光伏應用產(chǎn)品的研究、制造、銷售和售后服務(wù)。經(jīng)過短短幾年跨越式、超常規(guī)的大發(fā)展，尚德公司的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量水平已完全達到國際光伏行業(yè)先進水平，位列世界光伏企業(yè)前三強，在太陽能組件制造方面已位居世界首位。－－人民網(wǎng)2009年1月8日

2021/4/1720我國光伏應用市場預測

（1）光伏發(fā)電成本預期根據(jù)有關(guān)研究報告指出：我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年20％－30％的速度增長，國內(nèi)光伏電池生產(chǎn)能力已達到100MW。實驗室光伏電池的效率已達21%，可商業(yè)化光伏組件效率達到14％－15％，一般商業(yè)化電池效率達10％－13％。成本高，在目前和今后一段時間內(nèi)仍然是制約光伏市場發(fā)展的根本瓶頸。我國太陽能電池生產(chǎn)成本已大幅下降，其價格從2000年的40元/W降到目前的25元/W，并隨著市場規(guī)模的不斷擴大價格會不斷降低。在法律與政策的拉動下，我國光伏市場和產(chǎn)業(yè)將會快速發(fā)展，光伏系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標將大幅提高。按照以往光伏發(fā)電市場發(fā)展的經(jīng)驗分析，到2030年，光伏系統(tǒng)價格有望達到$2.6/W；光伏系統(tǒng)的可靠性和壽命將從現(xiàn)在的15－20年增加到30－35年；系統(tǒng)效率從現(xiàn)在的10％－15％增加到18％－20％；發(fā)電成本可以降到6－8美分/kWh，達到或接近煤電價格。如果加大技術(shù)投入、政策拉動，市場規(guī)模擴大且健康發(fā)展，這個時間可能提前。2021/4/1721我國光伏主要應用領(lǐng)域預測（2）我國光伏主要應用領(lǐng)域預測

①農(nóng)村離網(wǎng)供電由于歷史、地理的原因，我國邊遠地區(qū)仍有約3000萬人口沒有解決用電問題；西部絕大部分邊疆少數(shù)民族地區(qū)，距離電網(wǎng)較遠，居住分散，難以靠延伸電網(wǎng)解決用電問題。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便、清潔安全、無噪聲、壽命長等優(yōu)勢，對解決邊遠農(nóng)村地區(qū)供電具有不可替代的作用。

②城市并網(wǎng)光伏發(fā)電目前日本、德國、美國以及歐洲國家實施的“屋頂計劃”、“建筑一體化光伏工程”都屬于城市并網(wǎng)光伏發(fā)電的應用?？梢灾鸩浇鉀Q能源電力問題，減少排放，提高供電安全性。采用光伏發(fā)電技術(shù)用于城市道路、小區(qū)照明有著巨大的市場潛力，而且技術(shù)成熟、可靠，便于操作和管理。根據(jù)中國國情，可以將光伏街道和小區(qū)照明作為近期政府組織的光伏推廣應用的切入領(lǐng)域。我國建筑屋頂面積總計約100億平方米，1％的屋頂用光伏組件覆蓋，每年可以提高1500億千瓦時的電能。

③大規(guī)模沙漠電站我國有108萬平方公里的荒漠資源，主要發(fā)布在光照資源豐富的西部地區(qū)。隨著電力輸送技術(shù)和儲能技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)?；哪娬緦⒊蔀槲磥淼碾娏亍?/p>

④其它商業(yè)應用在技術(shù)進步、市場開發(fā)推動下，新的領(lǐng)域、產(chǎn)品將會迅猛發(fā)展。2021/4/1722第2章太陽能電池原理與特性太陽光的性質(zhì)光伏電池原理和變換效率光伏電池特性測量2021/4/17232.1太陽光的性質(zhì)1、與太陽光相關(guān)的物理量

(1)日照強度在單位面積、單位時間內(nèi)接收到的太陽光能量。單位：卡/厘米2·分、毫瓦/厘米2或焦耳/厘米2·分、千瓦/米2。

(2)日照量單位面積接收到的太陽光能量。單位：卡/厘米2、千卡/米2、焦耳/米2或千瓦時/米2.(3)日照時間根據(jù)世界氣象組織（WMO）1981年規(guī)定，日照時間是指日照強度閥值超過0.12kW/m2的總時間，根據(jù)此閥值測定日照量并計算出日和月的日照時間。2021/4/1724太陽能有關(guān)參數(shù)

太陽輻射總能量的22億分之一輻射到地球，這部分能量經(jīng)過大氣層的反射、散射和吸收，約有70％的能量到達地球表面。盡管太陽能只有很少的一部分輻射到地面，但數(shù)量仍然巨大。每年輻射到地球表面的太陽能能量約為1.8×1018KW·h，等于1.3×106

億噸標準煤，是地球年耗能量的幾萬倍。我國2/3的地區(qū)太陽能輻射總量大于5024MJ/m2，年日照時數(shù)在2000h以上，太陽能資源十分豐富。其中西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古的輻射總量和日照時數(shù)在我國位居前列。除了四川盆地和毗鄰地區(qū)以外，我國絕大部分地區(qū)的太陽能資源超過或相當于國外同緯度地區(qū)，優(yōu)于歐洲和日本。由于南面是海拔7000～8850m的喜馬拉雅山脈，阻擋著印度洋的水蒸氣，因此青藏高原的太陽能年輻射總量達6670～8850MJ/m2，年日照時數(shù)達3200～3300h，是我國太陽能資源最好的地區(qū)。而四川盆地云雨天氣多，是太陽能資源相對較差的地區(qū)。2021/4/17252、直射光和散射光

把直接到達地面的太陽光稱為直接日射，把散射或反射的日射成分稱為散亂日射。直接日射和散亂日射疊加稱為全天日射。由于空氣分子的散亂作用在波長較短時作用強，所以在全天日射中，短波長時散射所含的比例較高400800120016002400200028002006008001000全天日射直接成分散亂成分分光發(fā)射強度(Wm-2um-1)波長(nm)到達地表面的全天日射分光分布圖2021/4/1726

直射光和散射光128416200.40.81.2全天日射強度散亂日射強度晴天128416200.40.81.2全天日射強度散亂日射強度多云128416200.40.81.2全天日射強度=散亂日射強度陰天

一天的不同時刻，全天日射強度和散亂日射強度隨著時間變化，在晴朗天氣，散亂日射強度在全天中所占比例較低。陰天的全天日射強度等于散亂日射強度。2021/4/17273、太陽光強度與波長的關(guān)系

光伏電池的轉(zhuǎn)換效率與太陽光線的波長相關(guān)。過分長的長波將不能進行能量變換；太短的波長只能轉(zhuǎn)換為熱能。太陽能的光伏變換與波長之間存在一個感度特性，稱為光感度特性。

IEC(國際電氣標準會議)對多晶硅制定出分光感度標準特性曲線，如下圖所示：123012波長（um）日射強度（W/m2/nm）多晶硅的分光感度特性基準光頻分布多晶硅的分光感度特性分布2021/4/1728

太陽光強度與波長的關(guān)系00.40.81.21.62.02.42.83.20.51.01.52.02.5發(fā)射強度（W/cm2.um）波長λ（um）可見光紫外紅外地面太陽光光譜分布圖2021/4/17292.2太陽能電池原理和變換效率1、太陽能電池的結(jié)構(gòu)

太陽能電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。以硅半導體材料制成大面積pn結(jié)，p型硅片（厚度約500μm）上用擴散法制作出一層很?。ê穸葉0.3μm）的經(jīng)過重摻雜的n型層。然后在n型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極。在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極。這樣就形成了晶體硅太陽能電池。為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜。N區(qū)P區(qū)內(nèi)電場PN結(jié)＋＋＋－－－2021/4/17302、光伏效應

在p區(qū)與n區(qū)交界面的兩側(cè)也即pn結(jié)區(qū)，存在一空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負電荷間形成一電場，電場方向由n區(qū)指向p區(qū)，這個電場稱為內(nèi)建電場。當光照射在距太陽電池表面很近的pn結(jié)時，只要入射光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度Eg，則在p區(qū)、n區(qū)和結(jié)區(qū)，光子被吸收同時會產(chǎn)生電子–空穴對。那些在結(jié)附近n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（空穴）由于存在濃度梯度而要擴散。只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴散長度，總有一定幾率擴散到結(jié)界面處。這些擴散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場的作用下被拉向p區(qū)。同樣，在結(jié)附近p區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）如果擴散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速被拉向n區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子–空穴對在內(nèi)建電場的作用下分別移向n區(qū)和p區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光伏效應（PhotovoltaicEffect,縮寫為PV）。2021/4/17313、光伏器件的伏安特性

當太陽電池接上負載R，將恒定強度的光照射到電池表面，測量得到太陽能電池的伏－安特性曲線如下圖所示。其中Isc為短路電流，Voc為開路電壓。UI0Isc太陽能電池伏安特性曲線Voc2021/4/1732

光伏器件的伏安特性

當光照射太陽電池時，在其內(nèi)部PN結(jié)將產(chǎn)生一個由n區(qū)到p區(qū)的光生電流Iph．同時，由于pn結(jié)本身的二極管特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。因此，實際獲得的電流I為：Iph－光生電流；A0－與PN結(jié)材料有關(guān)的系數(shù)；q－電子電量=1.602×10-19C；VD－結(jié)電壓；k－玻爾茲曼常數(shù)=1.38×10-23J/K；T－溫度K。如果忽略太陽能電池的內(nèi)電阻，則VD即為太陽能電池的端電壓，上式可寫為：(1)式(2)式2021/4/1733

光伏器件的伏安特性①短路特性：

當太陽能電池的輸出端短路時，V＝0（結(jié)電壓VD≈0），由（2）式可得到短路電流Isc

：

Isc=Iph

(3)式

即太陽能電池的短路電流Isc

等于光生電流Iph，此值與入射光的強度成正比。

②開路特性：

當太陽能電池的輸出端開路時，I=0，由(2)和(3)式可得到開路電壓Voc：(4)式2021/4/17344、短路電流與開路電壓

短路電流（Isc）：當太陽能電池的兩端是短路狀態(tài)時測定的電流，稱為短路電流。該電流隨光強度（照度）按比例增加。IscE0短路電流與光強度E的關(guān)系VocE0開路電壓與光強度E的關(guān)系

開路電壓（Voc）：太陽能電池電路負荷斷開時兩端電壓，稱為開路電壓。該值隨光強度按指數(shù)函數(shù)增加，在較低光強度時，仍保持一定的開路電壓。2021/4/17355、輸出功率特性

太陽能電池的工作電流I

和電壓U是由負載電阻值決定。如圖所示，不同負載電阻R1、R2、R3與伏安特性曲線的交點確定了不同的工作電流和電壓，也即不同的輸出功率。圖中的矩形面積就表示功率的大小。UI0Isc太陽能電池伏安特性與功率輸出R1R2R3Voc（U1,I1）（U2,I2）（U3,I3）2021/4/1736

最大功率輸出

在實際應用中，要求輸出功率最大，即保證上圖中的矩形面積最大。右圖是功率P與電壓U的關(guān)系曲線。在一定光強度下，最大功率Pmax.對應最佳工作電流Ipmax和最佳工作電壓Upmax。UP0Pmax(=Ipmax×Upmax)UpmaxFF為太陽電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高．填充因子FF：將最大功率Pmax

與Uoc和Isc的乘積之比定義為填充因子FF，則2021/4/17376、太陽能電池光伏變換效率

太陽能電池的變換效率為輸入太陽能與輸出電功率之比，即

為了確定太陽能電池的效率，需附加若干測試條件，國際電工標準化委員會（IEC）規(guī)定：地面用太陽能電池的額定效率需在使用溫度25℃、光照強度為1000W/m2及符合IEC規(guī)定的空氣質(zhì)量標準的基準光下進行測定，統(tǒng)稱為測試的基本狀態(tài)。世界上各廠家對生產(chǎn)的太陽能光伏組件，出廠標準均是按上述規(guī)定進行測試并在產(chǎn)品銘牌上標注。2021/4/1738

基準光123012波長（um）日射強度（W/m2/nm）基準光的光譜分布圖

由于太陽能電池對各種顏色光的光伏感度不同，故IEC規(guī)定如下的基準光光譜分布圖。2021/4/17397、影響太陽能電池性能的因素

（1）日照強度只要太陽光譜、組件溫度不變，效率η幾乎不受日照強度E的影響，只有當E<0.2W/m2時，η值略有下降。102030402460Tc=25℃1.0kW/m20.4kW/m2電壓（V）（a）I-U曲線電流（A）10203040501001500Tc=25℃1.0kW/m2電壓（V）（b）P-U曲線功率（W）

（2）工作溫度一般情況下，由于溫度升高，將使電流、電壓略有變化，即開路電壓和效率下降，短路電流升高（在25℃標準溫度左右變化不大）。輸出相對值0.80.91.020406080100溫度（℃）短路電流開路電壓變換效率2021/4/17408、太陽能電池的等值電路

太陽能電池的構(gòu)造如下圖所示。由于光電池電極表面層有橫向電流流過，所以在等值電路中應串聯(lián)一個電阻Rs。（等值電路見下頁）P層N層背面電極表面電極光光光伏電池器件的構(gòu)造（截面）2021/4/1741

太陽能電池的等值電路IphIDIshPN結(jié)合部RshPN結(jié)UJ=UL+ILRsIL=Iph-ID-IshRs負荷(RL)ILUL=UJ–ILRs太陽能電池的等值電路PN結(jié)由PN結(jié)合部和串聯(lián)電阻Rs組成，Rs為考慮橫向電流的等效電阻。圖中為太陽能電池電勢，由它產(chǎn)生光電流Iph

。Ish為PN結(jié)缺陷造成的漏電流，與Iph

相反。負載RL上流過電流為IL。2021/4/1742

等值電路方程

太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式：

IL＝Iph-ID–Ish （1）式

式中Iph

為光電流；ID為PN結(jié)的正向電流；Ish為PN結(jié)的漏電流。

太陽能電池等值電路電壓方程式：

UJ＝UL＋ILRs

式中，UJ為PN結(jié)合部端電壓；UL為負荷RL兩端電壓；IL為負荷電流。

將以下各式代入電流方程（1）式2021/4/1743

等值電路方程A0－與PN結(jié)材料有關(guān)的系數(shù)；q－電子電量=1.602×10-19C；k－玻爾茲曼常數(shù)=1.38×10-23J/K；T－溫度K；UL—負荷兩端電壓；IL—負荷電流；RS—考慮橫向電流的等效電阻；Rsh—并聯(lián)漏電阻。2021/4/1744

等值電路與伏安特性1、串聯(lián)電阻Rs對伏安特性的影響

當Rs

增大時，會使電池的變換效率η降低，短路電流下降，但對開路電壓影響不大。02040200電壓（V）電流（A）Rs=0Ω，η＝13.1％0.27Ω,12.0％0.77Ω,10.0％1.27Ω,8.2％5.27Ω,2.6％4002021/4/1745

等值電路與伏安特性02040200電壓（V）電流（A）4000.27Ω,12.0％5.2Ω,11.7％10.2Ω,8.9％50.2Ω,5.9％0Ω,12.3％2、并聯(lián)電阻Rsh對伏安特性的影響

Rsh是由PN結(jié)生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的，與外部參數(shù)無關(guān)。當Rsh

增大時會使電池的變換效率η降低，短路電流下降，但對開路電壓有影響，但不大。2021/4/17462.3太陽能電池特性的測量1、太陽能電池組件由單片單晶硅制成的太陽能電池稱為單體。多個單體用串、并聯(lián)方法組成并用鋁合金框架將其固定，表面再覆蓋高強度透光玻璃，構(gòu)成太陽能電池模塊。2、室外測量注意事項

①太陽能電池模塊朝向太陽，周圍的建筑物與樹木少，不要有陽光反射和陰影。

②測量的主要項目是伏安特性、模塊溫度和日照強度。

③按照國際標準（或國標）模塊溫度25℃和日照強度1kW/m2對特性的參數(shù)進行修正。

④由修正后的伏安特性計算出最大功率和變換效率。2021/4/1747

帶負荷測量電壓、電流帶逆變器的伏安特性測試

該測量電路的特點是，測試時不影響逆變器的輸入電流和電壓。

(a)為電壓在測定范圍內(nèi)的測量電路；(b)為電壓在測定范圍外的測量電路。(a)電壓在測定范圍內(nèi)PVPV+-+-太陽能電池模塊專用逆變器＋－＋－負荷電壓測定

端子－＋電流測定用

基準電阻DCAC(b)電壓在測定范圍外PVPV+-+-太陽能電池模塊專用逆變器＋－＋－負荷電壓測定用

基準電阻－＋電流測定用

基準電阻DCAC2021/4/1748

四端測量法↑VA光IrI·rRL+-(a)二端子接線↑VA光IrI·rRL+-(b)四端子接線rrI

為了更準確地測量太陽能電池的伏安特性，應盡可能減少連接線纜的接觸電阻對測量結(jié)果的影響。圖（a）為一般的二端子接法，r為接觸電阻（含線纜電阻），由于接觸電阻壓降，使電壓測量值產(chǎn)生較大誤差。圖（b）為四端接法，流過電壓表的電流非常小，接觸電阻（含線纜電阻）所產(chǎn)生的壓降可以忽略不計，從而可以正確地測出太陽能電池的電壓。2021/4/1749第3章太陽能電池的種類及其特點太陽能電池的分類幾種常用太陽能電池的特點晶體硅太陽能電池的基本工藝2021/4/17503.1太陽能電池的分類1、按不同材料分類硅化合物太陽能電池晶體單晶多晶薄膜式多晶非晶體銦硒銅(CuInSe)、碲化鎘(CdTe)砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)

最初的太陽能電池是利用硅二極管或晶體管的硅片生產(chǎn)。單晶硅的生產(chǎn)采用高純度硅熔化，用拉伸法拉出單晶硅棒，再通過切割為硅片。單晶硅結(jié)晶時間長，成本高。后來發(fā)展的多晶硅采用“熔鑄法”和“印帶法”工藝，生產(chǎn)效率提高，成本下降。熔鑄法：將熔化的硅倒入鑄型內(nèi)制成鑄塊。印帶法：將硅熔液形成帶狀結(jié)晶后直接做出太陽能電池。2021/4/1751

按構(gòu)造分類太陽能電池塊（片）狀單晶硅多晶硅其他薄膜狀非晶硅化合物其他

按照太陽能電池形體（厚度）分類，可分為塊（片）狀和薄膜狀兩大類。前者以單晶硅和多晶硅為代表，即以塊狀結(jié)晶材料用機械加工的方法制成板（片）材。薄膜狀是以玻璃或金屬作基板，讓晶體材料黏附其上并起化學反應形成一個晶體薄膜。2021/4/17523.2幾種常用太陽能電池的特點

目前所用的太陽能電池，大部分是硅系列單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。占全部太陽能電池的89％左右。

型號

技術(shù)規(guī)格MPS125-90LPS125-135LPS125-180功率（W）90135180最大功率時電壓（V）17.826.635.6最大功率時電流（A）5.055.055.05開路電壓（V）22.333.544.6短路電流（A）5.685.685.68外形(mm×mm×mm)815×802×501195×802×501580×802×50MSK系列單晶硅太陽能電池（η≈16.2％）2021/4/1753

幾種常用太陽能電池的特點

型號

技術(shù)規(guī)格MPP125-80LPP125-120LPP125-160功率（W）80120160最大功率時電壓（V）17.225.834.5最大功率時電流（A）4.644.644.64開路電壓（V）21.532.343.0短路電流（A）5.305.305.30外形(mm×mm×mm)815×802×501195×802×501580×802×50MSK系列多晶硅太陽能電池（η≈13.7％）2021/4/1754

幾種常用太陽能電池的特點

技術(shù)規(guī)格型號工作電壓（V）功率（W）外形尺寸（mm×mm×mm）質(zhì)量（kg）TDB51-20-P8.64～4.5390×161×321.01TDB51-38-P16.58～10550×207×321.54TDB60-20-P8.55.5～6.5459×191×321.25TDB60-38-P16.511～14639×240×322.05TDB75-20-P8.58～10558×227×321.75TDB75-38-P16.518～20789×294×325.50TDB51系列單晶硅太陽能電池2021/4/1755

硅系太陽能電池的特點太陽能電池變換效率（％）特點單晶硅15～17特性穩(wěn)定，效率高表面有梳齒狀電極外形單一厚度為300um質(zhì)硬、不可卷曲從圓柱形單晶硅棒切割成圓片后再加工，使硅片呈矩形生產(chǎn)溫度高達1400℃黑色多晶硅12～14特性穩(wěn)定，效率高表面有梳狀電極外形多樣化（對硅晶體再加工）厚度300um質(zhì)硬、不可卷曲由正立方體硅晶切割，硅片呈正方形生產(chǎn)時所需溫度800～1000℃深藍色2021/4/1756

硅系太陽能電池的特點太陽能電池變換效率（％）特點非晶硅6～10容易大批量生產(chǎn)表面印刷透明電極厚度為1um以下可以卷曲在輕質(zhì)基板上形成生產(chǎn)時所需溫度低約200℃色彩為暗紅色薄膜式（含化合物）適于大批量生產(chǎn)對于不同太陽光譜照射均可適應黑色2021/4/1757

單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池是最早發(fā)展起來的，主要用單晶硅片來制造。與其他種類的電池相比，單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率最高。單晶硅電池的基本結(jié)構(gòu)多為n+/p型，即以p型單晶硅片為基片，通過擴散工藝，在P型硅片上形成N型區(qū)，厚度一般為200～300μm。單晶硅的結(jié)晶非常完美，所以單晶硅電池的光學、電學和力學性能均勻一致，電池的顏色為黑色或深色。特別適合切割制成小型消費產(chǎn)品。單晶硅電池曾經(jīng)長時期占領(lǐng)最大的市場份額，只是在1998年后才退居多晶硅電池之后，位于第二位。在以后的若干年內(nèi)，多晶硅太陽能電池仍會繼續(xù)發(fā)展，并保持較高的市場份額。其未來趨勢是向超薄、高效方向發(fā)展，不久的將來，可有100μm左右甚至更薄的多晶硅電池問世。2021/4/1758

多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池的原料，是融化后澆鑄成正方形的硅錠，然后切成薄片進行加工。從多晶硅電池的表面很容易辨認，硅片是由大量不同大小結(jié)晶區(qū)域組成，而在晶粒界面（晶界）處光電轉(zhuǎn)換易受到干擾，因而多晶硅的轉(zhuǎn)換效率相對較低。同時，多晶硅的電學、力學和光學性能一致性不如單晶硅電池。多晶硅太陽電池的基本結(jié)構(gòu)都為n+/p型，電阻率0.5～2Ω·cm，厚度220～300μm，商業(yè)化電池的效率為13～15％。多晶硅結(jié)構(gòu)在陽光作用下，由于不同晶面散射強度不同，可呈現(xiàn)不同的色彩。此外，制作時主要以氮化硅為減反射膜，通過控制減反射膜的厚度，可使太陽能電池具備各種各樣的顏色，如金色、綠色等，具有良好的裝飾效果。2021/4/17591975年Spear等利用硅烷的直流輝光放電技術(shù)制備出a-Si：H材料，實現(xiàn)了對非晶硅基材料的摻雜，使非晶硅材料開始得到應用。1976年第一個效率為1％～2％的非晶硅太陽電池被研制出來，直到1980年非晶硅太陽電池實現(xiàn)商品化。目前世界非晶硅太陽電池生產(chǎn)能力50MW/年，最高轉(zhuǎn)換效率13％，應用范圍從多種電子消費產(chǎn)品如手表、計算器、玩家到戶用電源、光伏電站等。在太陽光譜的可見光范圍內(nèi)，非晶硅的吸收系數(shù)比晶體硅大一個數(shù)量級，非晶硅太陽電池光譜響應的峰值與太陽光譜的峰值很接近。由于非晶硅材料的本征吸收很大，1μm厚度就能充分吸收太陽光，厚度不足晶體硅的1/100，可明顯節(jié)省昂貴的半導體材料。非晶硅及其合金的光電轉(zhuǎn)換效率在太陽光長期照射下有一定的衰減，經(jīng)過200℃退火2h可恢復原狀。這種現(xiàn)象首先由Stabler和Wronski發(fā)現(xiàn)，稱為S－W效應。由于S－W效應，非晶硅電池不能大規(guī)模使用。

非晶硅太陽能電池2021/4/17603.3晶體硅太陽能電池的基本工藝

晶體硅太陽電池是典型的p－n結(jié)型太陽電池，它的研究最早、應用最廣，是最基本且最重要的太陽電池。它的結(jié)構(gòu)如下圖所示：絨面結(jié)構(gòu)減反射層金屬柵n型Si背面接觸P型Si晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)

在200～500μm厚的p型硅片上，通過擴散形成0.25μm左右的n型半導體，構(gòu)成p－n結(jié)；在n型半導體上有呈金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)和減反射層，然后是呈梳齒狀的金屬電極；在p型半導體上直接有背面金屬接觸，從而構(gòu)成了典型的單結(jié)（p－n結(jié)）晶體硅太陽電池。2021/4/1761

一、絨面結(jié)構(gòu)

制作太陽電池的硅片，在切割時表面會有一層10～20μm的損傷層，需要利用化學腐蝕將損傷層去除，然后制備表面的絨面結(jié)構(gòu)。這種絨面結(jié)構(gòu)比平整的化學拋光的硅片表面具有更好的減反射效果，能夠更好地吸收和利用太陽光線。而光束射在平整的拋光硅片上時，約有30％會被反射掉；如果射在呈金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)上，反射的光進一步照射在相鄰的絨面上，減少了太陽光的反射；同時，光線斜射入晶體硅，增加了在硅片內(nèi)部的有效運動長度和被吸收的幾率。對于單晶硅，常用的化學腐蝕劑是NaOH或KOH，在80～90℃左右的溫度下，進行化學反應。生成物Na2SiO3

溶于水而被去除，從而硅片被化學腐蝕。

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2

由于在硅晶體中不同晶面原子疏密程度的差異，NaOH或KOH腐蝕速度不同，具有各向異性，最終形成金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)。對于鑄造多晶硅，使用酸性腐蝕劑，也可以形成類似的絨面結(jié)構(gòu)。使用最多的是HF和HNO3的混合液，其中HNO3

與硅反應，在表面產(chǎn)生致密的不溶于硝酸的SiO2層，使得HNO3和硅隔離，反應停止；但SiO2可以和HF反應，生成可溶解于水的絡(luò)合物六氟硅酸，導致SiO2層的破壞，從而硝酸對硅的腐蝕再次進行，最終使得硅表面不斷被腐蝕，具體反應式如下：

3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NOSiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O2021/4/1762

二、p－n結(jié)制備

晶體太陽電池一般利用摻硼的p型硅作為基底材料，在900℃左右通過擴散五價的磷原子形成n型半導體，組成p－n結(jié)。磷擴散的工藝，主要有氣態(tài)磷擴散、固體磷擴散和液態(tài)磷擴散等形式。氣態(tài)磷擴散，是在擴散系統(tǒng)內(nèi)，引入含磷氣體（如P2H2），通過高溫分解，磷原子擴散到硅片中去，其反應式為：

P2H2＝2P＋H2

固體磷擴散，是利用與硅片相同形狀的固體磷源材料[如Al(PO3)3]，即所謂的磷微晶玻璃片，與硅緊密相貼，一起放置在石英熱處理爐內(nèi)，在一定溫度下，磷源材料揮發(fā)出磷的化合物P2O5

，附著在硅片表面并進行化學反應，其中磷原子將向硅片體內(nèi)擴散，最終在硅片表面附近的一定深度內(nèi)，磷原子的濃度超過硼原子的濃度，形成n型半導體，組成p－n結(jié)。其反應式為：

Al(PO3)3=AlPO4+P2O5

5Si+2P2O5=5SiO2+4P2021/4/1763p－n結(jié)制備

液態(tài)磷擴散，可以得到較高的表面濃度，在太陽電池工藝中更為常見。利用的磷源為三氯氧磷（POCl3），通過保護氣體，在800～1000℃之間分解，生成P2O5，沉積在硅片表面形成磷硅玻璃，作為硅片磷擴散的磷源，其反應式為：

5POCl3=P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P

對于晶體硅太陽電池，為使p－n結(jié)處有盡量多的光線到達，p－n結(jié)的結(jié)深度要盡量淺，一般為250nm或更淺。在磷擴散時，由于在硅片表面具有高濃度的磷，通常會形成磷硅玻璃（摻P2O5的SiO2），會影響太陽電池的正常工作?？梢詫⒐杵胂♂尩腍F中溶解而去除，化學反應為：

SiO2+6HF=H2(SiF6)+2H2O2021/4/1764

三、鋁背場

為了改善硅太陽電池的效率，在p－n結(jié)制備完成后，一般在硅片的背面即背光面，沉積一層鋁膜，制備P＋層，稱為鋁背場，其作用是減少少數(shù)載流子在背面復合的概率，也可以作為背面的金屬電極。制備鋁背場的簡便方法，是利用濺射等技術(shù)在硅片背面沉積一層鋁膜，然后在800～1000℃熱處理，使鋁膜和硅合金化并內(nèi)擴散，形成一層高濃度摻雜的P＋層，構(gòu)成鋁背場。2021/4/1765

四、金屬電極

為了將晶體硅太陽電池產(chǎn)生的電流引導到外部負載，需要在硅片p－n結(jié)的兩面建立金屬連接，形成金屬電極。過去太陽電池電極一般采用真空蒸鍍技術(shù)或電鍍法，但工藝復雜、成本昂貴；而且，硅片受光面的金屬會遮擋光線，減少太陽光的吸收。目前，主要利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在晶體硅太陽電池的兩面制備成梳齒狀的金屬電極。絲網(wǎng)印刷技術(shù)工藝成熟，它是把金屬導體漿料按照所設(shè)計的圖形，印刷在已擴散好雜質(zhì)的硅片正面和背面。然后，在適當?shù)臍夥障拢ㄟ^高溫燒結(jié)，使?jié){料中的有機溶劑揮發(fā)，金屬顆粒與硅片表面形成牢固的硅合金，與硅片形成良好的歐姆接觸，從而形成太陽電池的上、下電極。金屬電極的膜厚為10～25μm，金屬柵線的寬帶為150～250μm。在利用光刻技術(shù)的情況下，柵線的寬度可以達到5μm以下。硅太陽電池的絲網(wǎng)印刷金屬漿料是以超細高純銀或鉛為主體金屬，然后配以一定的輔助劑制成膏狀，形成印刷漿料。隨著技術(shù)的進步和環(huán)保要求，應嚴格控制有害元素鉛的含量，因此無鉛銀漿將成為主要的印刷漿料。2021/4/1766

五、減反射層

晶體硅太陽電池的絨面結(jié)構(gòu)可以減少硅片表面的太陽光反射，增加電池對光能的吸收。另外，在硅表面增加一層減反射層也是一種有效的減少太陽光反射的方法。減反射膜的基本原理是利用光在減反射膜上、下表面反射所產(chǎn)生的光程差，使得兩束反射光干涉相消，從而減弱反射，增加透射。具有單層減反射膜的硅片，其反射率可以降低到10％以下。由理論技術(shù)可知，對于用玻璃封裝的晶體硅太陽電池，玻璃的折射率n0為1.5，晶體硅的折射率nsi為3.6，最合適的減反射膜的光學折射率為：TiOx(x≤2)是常用的理想太陽電池減反射膜，具有較高的折射率（2.0～2.7）。TiOx

的制備可以利用氮氣攜帶含有鈦酸異丙酯的水蒸氣，噴射到加熱后的硅片表面上，發(fā)生水解反應，生成非晶TiOx

薄膜，其化學反應式為：

Ti(OC3H7)4+2H2O=TiO2+4(C3H7)OHSiNx是另一種常用的太陽電池的減反射膜。它具有良好的絕緣性、致密性、穩(wěn)定性和極好的光學性能，λ=632.8nm時，折射率在1.8～2.5之間；而且在氮化硅制備光程中，還能對硅片產(chǎn)生氫鈍化的作用，明顯改善硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。制備氮化硅減反射膜的反應溫度一般在300～400℃，反應氣體為硅烷和高純氨氣，其反應式為：

3SiH4+4NH3=Si3N4+12H22021/4/17673.4太陽能電池組件的封裝

太陽能電池是由許多單個太陽能電池，即單體太陽能電池組成。單體太陽能電池的輸出電壓、電流和功率都很小。一般輸出電壓只有0.5V左右，輸出功率只有1～2W，不能滿足作為電源應用的要求。為了提高輸出功率，需將多個單體電池通過串聯(lián)或并聯(lián)，合理地連接起來，并封裝成組件。在需要更大功率的場合，則需要將多個組件連接成為方陣，以向負載提供數(shù)值更大的電流、電壓輸出。為了保證組件在室外條件下使用20～25年以上，必須要有良好的封裝，以滿足使用中對防風、防塵、防濕、防腐蝕等條件的要求。2021/4/1768

一、組件單體電池的連接方式

將單體電池連接起來主要有串聯(lián)和并聯(lián)以及混合連接方式，如下圖所示：(a)串聯(lián)方式(b)并聯(lián)方式+-+-+-+-+-+-(c)串、并混合方式2021/4/1769

二、組件的封裝結(jié)構(gòu)—玻璃殼體式

晶體硅太陽能電池組件的封裝結(jié)構(gòu)，常見的有玻璃殼體式、底盒式、平板式、全膠密封式等多種。以下是組件的封裝結(jié)構(gòu)之一—玻璃殼體式太陽能電池組件：玻璃殼體式太陽能電池組件示意圖1－玻璃殼體；2－硅太陽能電池；3－互連條；4－黏結(jié)劑；5－襯底；6－下底板；7－邊框膠；8－電極接線柱2021/4/1770

組件的封裝結(jié)構(gòu)之二—底盒式底盒式太陽能電池組件示意圖1－玻璃蓋板；2－硅太陽能電池；3－盒式下底板；4－黏結(jié)劑；5－襯底；6－固定絕緣膠；7－電極引線；8－互連條2021/4/1771

組件的封裝結(jié)構(gòu)之三—平板式平板式太陽能電池組件示意圖1－邊框；2－邊框封裝膠；3－上玻璃板；4－粘結(jié)劑；5－下底板；6－硅太陽能電池；7－互連條；8－引線護套；9－電極引線2021/4/1772

組件的封裝結(jié)構(gòu)之四—全膠密封式全膠密封式太陽能電池組件示意圖1－硅太陽能電池；2－黏結(jié)劑；3－電極引線；4－下底板；5－互連條2021/4/1773

三、組件的封裝材料1、上蓋板上蓋板覆蓋在太陽電池組件的正面，構(gòu)成組件的最外層，它既要透光率高，又要堅固、耐風霜雪雨、沙礫冰雹的沖擊，起到長期保護電池的作用。目前，在商品化生產(chǎn)中普遍采用低鐵鋼化玻璃為上蓋板材料。

2、黏結(jié)劑它是固定電池和保證上、下蓋板密合的關(guān)鍵材料。要求其透光性好、具有一定的彈性、良好的絕緣性和優(yōu)良的氣密性。主要黏結(jié)劑有室溫固化硅橡膠、聚氟乙烯（PVF）、乙烯聚醋酸乙烯酯（EVA）等。

3、底板它對電池既有保護作用又有支撐作用。要求具有良好的耐氣候性能、不易變形、與黏結(jié)材料結(jié)合牢固。一般所用的材料為玻璃、鋁合金、有機玻璃以及PVF復合膜等。目前生產(chǎn)上較多應用的是PVF復合膜。

4、邊框平板式組件應有邊框，以保護組件和便于組件與方陣的連接固定，邊框與黏結(jié)劑構(gòu)成對組件邊緣的密封。主要材料有不銹鋼、鋁合金、橡膠、增強塑料等。2021/4/1774

四、組件封裝工藝流程平板式硅太陽能電池組件封裝工藝流程2021/4/1775第4章太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)太陽能發(fā)電系統(tǒng)概述蓄電池逆變器控制器2021/4/17764.1太陽能發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以分為兩大類型：一是獨立光伏系統(tǒng)，二是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨立光伏系統(tǒng)：是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最基本形式，廣泛應用于遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊處所，如偏遠牧區(qū)、海島、高原、荒漠等地區(qū)，提供照明、電器等生活用電。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)：與公共電網(wǎng)相連接的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，它是太陽能光伏發(fā)電進入大規(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，是當今世界太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。2021/4/1777

獨立光伏系統(tǒng)2021/4/1778

獨立光伏系統(tǒng)

獨立光伏系統(tǒng)是光伏發(fā)電的最基本形式，該系統(tǒng)包括：太陽電池組件、控制器、蓄電池、逆變器、交直流負載等。太陽能電池組件：是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。蓄電池：其作用是儲存太陽能電池發(fā)出的電能并隨時向負載供電。目前，主要使用的是鉛酸蓄電池?？刂破鳎菏枪夥l(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。主要完成信號檢測、最優(yōu)化充電控制、蓄電池放電管理、設(shè)備保護、故障診斷、運行狀態(tài)指示等。逆變器：是將直流電變換成交流電的設(shè)備。當負載是交流負載時，就需要使用逆變器設(shè)備。－～控制器蓄電池逆變器交流負載直流負載太陽電池組件2021/4/1779

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)2021/4/1780

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，可分為集中式大型光伏系統(tǒng)（或稱大型并網(wǎng)光伏電站）和分散式小型光伏系統(tǒng)（或稱住宅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)）。大型并網(wǎng)光伏電站，發(fā)電直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。投資大、建設(shè)期長，同時占用土地，發(fā)電成本高。住宅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，一般與建筑物結(jié)合，容易建設(shè)、投資較小，在國家政策鼓勵下，未來發(fā)展迅速。住宅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的特點，是所發(fā)的電能直接分配到住宅的用電負載上，多余或不足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。可以分為可逆流和不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種類型。2021/4/1781

可逆流并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

可逆流系統(tǒng)，是在光伏系統(tǒng)產(chǎn)生剩余電力時將該電能送入電網(wǎng)，由于同電網(wǎng)供電方向相反，所以稱為逆流。當光伏系統(tǒng)電力不夠時，則由電網(wǎng)供電。負載太陽電池方陣－～并網(wǎng)逆變器～可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)電網(wǎng)2021/4/1782

不可逆流并網(wǎng)光伏系統(tǒng)負載太陽電池方陣－～并網(wǎng)逆變器～不可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)電網(wǎng)

不可逆并網(wǎng)系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量始終小于或等于負荷的用電量，本系統(tǒng)電量不夠時由電網(wǎng)供電，即光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)向負載供電。這種系統(tǒng)，如果沒有蓄能裝置，產(chǎn)生的剩余電量只有通過某種手段加以處理或放棄。2021/4/17834.2蓄電池

蓄電池是獨立光伏系統(tǒng)不可缺少的儲能設(shè)備。其主要功能是當日照量減少或夜間不發(fā)電時補充負荷要求的功率。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強；充電效率高；少維護或免維護；工作溫度范圍寬；價格低廉。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池、特別是閥控式密封鉛酸蓄電池。2021/4/17841、鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)與原理鉛酸蓄電池解剖圖

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電解液、外殼等組成。2021/4/1785

極板極板

極板是蓄電池的核心，在蓄電池充、放電過程中，電能與化學能的轉(zhuǎn)換是通過正、負極板上的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸進行電化學反應來實現(xiàn)的。蓄電池極板分正、負極板，由柵架和活性物質(zhì)組成。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負極板上的活性物質(zhì)是鉛（Pb）。單片極板上的活性物質(zhì)數(shù)量少，所存儲的電量少，為了增大電池容量，將正、負極板分別并聯(lián)，中間插入隔板，組成正、負極板組。2021/4/1786

電解液

電解液的作用是與極板上的活性物質(zhì)發(fā)生電化學反應，實現(xiàn)電能與化學能的相互轉(zhuǎn)換。由化學純硫酸（H2SO4）和蒸餾水按一定比例配制而成。蓄電池的電動勢大小取決于電解液的密度，密度越大，電動勢越高。對于膠體蓄電池，還需要添加膠體，使硫酸液變?yōu)槟z態(tài)。此時硫酸不僅是反應電解液，還是膠體所需的凝膠劑。2021/4/1787

蓄電池的工作原理

（1）鉛蓄電池的放電

在正極板處，由PbO2離解出的Pb4＋和電子結(jié)合變成Pb2＋，Pb2＋與電解液中的結(jié)合生成PbSO4沉附于極板上，反應如下：

蓄電池和負載接通放電時，正極板上的PbO2和負極板上的Pb都變成PbSO4，電解液中的H2SO4減少，相對密度下降。充電時按相反的方向變化，正、負極板上的PbSO4分別恢復成原來的PbO2和Pb，電解液中的硫酸增加，相對密度變大。

在負極板處，Pb原子失去電子后變成Pb2+,與電解液中的結(jié)合也生成PbSO4沉附于負極板上，而極板上的金屬繼續(xù)溶解，生成Pb2＋和電子。反應式如下：Pb→Pb2++2ePb2++→PbSO42021/4/1788

蓄電池的工作原理

（2）鉛蓄電池的充電充電時，蓄電池的正負極與直流電源的正負極對應相接，當電源電壓高于蓄電池的電動勢時，電流從蓄電池的正極流入，負極流出。發(fā)生的化學反應與放電過程相反。在正極板處，有少量PbSO4

進入電解液，離解為Pb2＋和，Pb2＋在電源作用下失去電子變?yōu)镻b4＋，與水離解出來的OH－結(jié)合，生成Pb(OH)4，Pb(OH)4又分解為附于正極板上的PbO2和進入電解液中的H2O。正極板上的反應如下：

在負極板處，也有少量的PbSO4進入電解液，離解為Pb2＋和，Pb2＋在電位差的作用下獲得電子變成金屬鉛，沉附于負極板上。則與電解液中的H＋結(jié)合生成硫酸。

PbSO4→Pb2++Pb2++2e→Pb2021/4/17892、鉛酸蓄電池的電特性

靜止電動勢和內(nèi)阻1、靜止電動勢：在蓄電池內(nèi)部工作物質(zhì)的運動處于靜止狀態(tài)（不充電也不放電）時，蓄電池的電動勢稱為靜止電動勢。靜止電動勢的大小取決于電解液的密度和溫度，在電解液密度為1.050～1.300g/cm3的范圍內(nèi)，有如下經(jīng)驗公式：

Ej=0.84+ρ25℃2、內(nèi)阻：蓄電池的內(nèi)阻大小反映了蓄電池帶負載的能力。在相同條件下，內(nèi)阻越小，輸出電流越大，帶負載能力越強。在正常使用中的蓄電池，其內(nèi)阻很小，約為0.01歐姆。2021/4/1790

蓄電池的放電特性

放電特性，是指恒流放電時，蓄電池端電壓U、靜止電動勢Ej隨放電時間而變化的規(guī)律。端電壓U＝E－IfR0

，R0是蓄電池的內(nèi)阻，If是放電電流。T/hVoabcdeI