太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電技術(shù)太陽電池的基本原理和發(fā)展概況化學與環(huán)境科學學院主要內(nèi)容太陽輻射能目前太陽能發(fā)電的形式光電效應簡介太陽電池原理結(jié)構(gòu)光伏效應的基本原理太陽電池的發(fā)展歷程(類型)太陽電池的應用和未來展望并網(wǎng)光伏電站發(fā)電過程1、太陽輻射（1）太陽輻射概述太陽輻射：是指太陽向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。

致力于為全球提供先進的新能源解決方案

到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位于日地平均距離處時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量，稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的常用單位為瓦/米2

。因觀測方法和技術(shù)不同，得到的太陽常數(shù)值不同。1976年，美國宇航局根據(jù)高空平臺的觀測結(jié)果，發(fā)布的太陽常數(shù)值為1353瓦/米2。世界氣象組織(WMO)1981年公布的太陽常數(shù)值是1368瓦/米2

。還人類地球碧海藍天

地球大氣上界的太陽輻射光譜的99％以上在波長0.15～4.0微米之間。大約50％的太陽輻射能量在可見光譜（波長0.4～0.76微米），7％在紫外光譜區(qū)，43％在紅外光譜區(qū)，最大能量在波長0.475微米處。太陽輻射通過大氣后，其強度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減至40%，而在紅外光譜區(qū)增至60%。

2.太陽能發(fā)電的形式太陽能的量子物量基礎(chǔ)

當太陽光線照射到某種物質(zhì)上時可能被反射、傳輸或吸收，其中吸收的含義是入射光中光子的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量。光子被吸收的結(jié)果之一是將其攜帶的能量轉(zhuǎn)移到吸收物質(zhì)中原子的電子上，這種轉(zhuǎn)換遵循動量守恒定律和能量守恒定律。2.太陽能發(fā)電的形式聚光熱發(fā)電碟式聚光熱發(fā)電槽式聚光熱發(fā)電線性菲涅爾

聚光熱發(fā)電塔式聚光熱發(fā)電3.光電效應簡介光電效應和外光電效應光電效應：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應。

§1887年愛因斯坦在實驗中發(fā)現(xiàn)了光電效應，愛因斯坦因采用光量子(photon)的概念成功的解釋了光電效應而獲得了1921年諾貝爾物理獎?！旄鶕?jù)電子吸收光子能量后的不同行為，光電效應可分為外光電效應和內(nèi)光電效應。外光電效應：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象?！炱渲饕獞糜泄怆姽芎凸怆姳对龉堋?.光電效應簡介內(nèi)光電效應及其應用內(nèi)光電效應：光照射到半導體材料上激發(fā)出電子-空穴對而使半導體產(chǎn)了產(chǎn)生的電效應。內(nèi)光電效應可分為光電導效應、光生伏特效應。

§光電導效應是指光照射下半導體材料的電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。其應用為光敏電阻。

§光生伏特效應是指光照射下物體內(nèi)產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。其應用主要有光伏電池、光(電)敏二極管、光(電)敏三極管等。太陽電池的開發(fā)背景2011-2020年我國能源科學學科發(fā)展戰(zhàn)略報告全人類共同的挑戰(zhàn)化石能源的大量使用導致了全球氣候變化。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的綜合評估結(jié)果表明：近50年全球大部分增暖，非?？赡?90%以上)是人類活動的結(jié)果，特別是源于化石燃料使用導致的人為溫室氣體排放?；茉吹拈_發(fā)利用造成環(huán)境污染。我國每年排入大氣的污染物中，有約80%的煙塵、87%的SO2和67%的NOx來源于煤的燃燒。這些污染物會形成硫酸煙霧、酸雨以及其它光化學煙霧等?；茉葱袑⒖萁邘Ыo人類巨大的挑戰(zhàn)。按照2008年的開采速度計算，全球石油剩余探明儲量可供開采42年，天然氣和煤炭分別可供應60年和122年。2008年我國煤炭儲采比約為41年，天然氣和石油儲采比分別約為32年和11年。必須加強替代能源包括核能、風能、太陽能、水能、地熱和海洋能等的開發(fā)利用。太陽電池的開發(fā)背景太陽能的優(yōu)點和缺點太陽能的優(yōu)點：太陽能是人類可利用的最直接的清潔能源，它分布廣闊，獲取方便；不會污染環(huán)境，沒有廢水、廢渣、廢氣的排放；可以就地開發(fā)利用，不存在運輸問題。太陽表面釋放的能量換算成電能的功率約為3.8×1023KW左右，其中約22億分之一到達地球，約1.2×1014KW(1.35KW/m2,太陽常數(shù))，這相當于現(xiàn)在地球上消耗能量的約1萬倍。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是取自不盡，用之不竭的。

太陽能的缺點：能源密度較低，并且具有間歇性，使其大規(guī)模使用的成本和技術(shù)難度均很高，目前太陽能所提供的能源占世界商業(yè)能源總量不足1%。4.光伏效應的基本原理金屬、導體和絕緣體金屬半導體絕緣體金屬的價帶是半滿的，所以金屬能夠?qū)щ?；絕緣體的價帶是全滿的，并且具有較大的禁帶寬度，所以不能導電；半導體的價帶也是全滿的，但由于其具有較窄的禁帶寬度，所以在一定的條件下能夠?qū)щ姟Ｆ潆妼试?0-4到1010歐姆厘米之間。電子能帶結(jié)構(gòu)圖絕對零度。。。。。。溫度升高滿帶價帶禁帶導帶能級E半導體P—N結(jié)的形成光伏效應的基本原理本征半導體和摻雜半導體化學與環(huán)境科學學院本征半導體：沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。其原子的排列處于非常整齊的狀態(tài)，在一定條件下少數(shù)電子可能掙脫束縛而形成電子載流子n0，同時留下帶正電的空位(空穴hole)p0，且濃度n0=p0。在本征半導體中載流子的總數(shù)仍然不能滿足導電性的需要，所以本征半導體實際用處不大。常見的本征半導體有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等。摻雜半導體：為了提高半導體的導電性能，可以通過添加雜質(zhì)的辦法降低其電阻率，提高其導電性。例如對本征半導體硅摻入百萬分之一的雜質(zhì)，其電阻率就會從105下降到只有幾個歐姆厘米。

§p-型半導體：positive,通過摻雜增加半導體內(nèi)的空穴載流子的濃度，使空穴(正電子)成為多數(shù)載流子(多子)；

§n-型半導體：negative,通過摻雜增加半導體內(nèi)的電子載流子的濃度，是電子稱為多數(shù)載流子。光伏效應的基本原理p-型半導體和n-型半導體化學與環(huán)境科學學院以硅為例，理想的硅原子結(jié)構(gòu)示意圖：添加3價元素硼后的示意圖：黃色表示B元素，藍色點表示空穴?？昭ㄈ菀孜针娮佣泻?，就像空穴在流動一樣。摻雜5價元素磷后的示意圖：黃色表示P元素，紅色點表示多余的電子，它非?；钴S，容易流動形成電流。光伏效應的基本原理p-n結(jié)和內(nèi)建電場當p-型和n-型半導體結(jié)合在一起時，由于p-型半導體多空穴，n-型半導體多自由電子，在界面處出現(xiàn)了濃度差。n-區(qū)的電子會擴散到p-區(qū)，p-區(qū)的空穴會擴散到n-區(qū)，這樣會在交界面區(qū)域形成一個特殊的薄層，即空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)存在一個從n-區(qū)指向p-區(qū)的內(nèi)建電場阻止擴散進行，內(nèi)建電場與半導體內(nèi)的擴散達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，這就是p-n結(jié)。光伏效應的基本原理光伏效應photovoltaic化學與環(huán)境科學學院

當光照射p-n結(jié)上時，如果入射電子的能量大于半導體材料的禁帶寬度(Eg)，就會在半導體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由載流子-空穴和電子。它們在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴往p-區(qū)移動，使p-區(qū)獲得附加正電荷；而電子往n-型區(qū)移動，n-區(qū)獲得負電荷，產(chǎn)生一個光生電動勢，這就是光伏效應(光生伏打效應)。當用導線連接p-型區(qū)和n-型區(qū)時，就會形成電流.3.光伏效應的基本原理光電效應與光伏效應化學與環(huán)境科學學院關(guān)于光電效應和光伏效應的關(guān)系，有以下兩種觀點：光伏效應是光電效應的一種：基于這種觀點的光電效應是指物體吸收光能后引起電性能變化的效應，包括內(nèi)、外光電效應。光電效應和光伏效應是不同的兩個概念：可以從兩個方面理解：①這種觀點中的光電效應是狹義上的光電效應，僅指外光電效應。②這種觀點中的光電效應定義不同，即photoemission非photoelectric，其對應的材料僅指的是金屬。“利用金屬的光電效應也可以制備太陽電池，有光照的金屬其化學勢會稍微大于沒有光照的金屬的化學勢，從而產(chǎn)生光伏電壓”，而“光生伏特效應是指光子入射到半導體的p-n

結(jié)后，從p-n

結(jié)的二端電極產(chǎn)生可輸出功率的電壓伏特值”。這篇文章中還指出：并不是能夠轉(zhuǎn)換入射光子能量而直接產(chǎn)生輸出電壓的器件都叫光生伏特效應。例如Dember效應，指半導體吸收光子后產(chǎn)生能自由移動的電子和空穴，由于電子和空穴的擴散系數(shù)不一樣，因此會在分布不均的電子和空穴間產(chǎn)生內(nèi)建電場。又如基于光電化學效應的染料敏化太陽電池，因為要用到電解質(zhì)且涉及到了化學反應，也不屬于光生伏特效應。蔡進譯.超高效率太陽電池-從愛因斯坦的光電效應談起.物理雙月刊,2005，27(5):701-7193.光伏效應的基本原理光伏電池與光敏(電)二極管化學與環(huán)境科學學院光伏電池和光電二極管都是基于光伏效應的光電器件。其主要區(qū)別在于：①光伏電池在零偏置下工作，而光電二極管在反向偏置下工作②光伏電池的摻雜濃度較高1016-19從而具有較強的光伏效應，而光電二極管摻雜濃度較低1012-13③光伏電池的電阻率較低0.1-0.01Ω/cm，而光電二極管則為1000Ω/cm④光伏電池的光敏面積要比光電二極管大得多，因此光電二極管的光電流小得多，一般在uA級。3.光伏效應的基本原理光伏電池與發(fā)光二極管(LED)化學與環(huán)境科學學院發(fā)光二極管：LightEmittingDiode，在電場作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入，空穴和電子在發(fā)光層中相遇、復合形成激子，激子經(jīng)過馳豫、擴散、遷移等過程復合而產(chǎn)生光子。ITO陽極玻璃襯底活性層金屬陰極復合光能量anodecathode光禁帶(HOMO)導帶(LUMO)Egφaφce-h+VITO陽極玻璃襯底活性層金屬陰極V光照能量anodecathode光禁帶(HOMO)導帶(LUMO)Egφaφce-h+3.光伏效應的基本原理光伏電池的性能參數(shù)化學與環(huán)境科學學院光伏電池的主要性能參數(shù)有開路電壓VOC、短路電流ISC、最大輸出功率Pm、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效率PCE等。

①開路電壓open-circuitvoltage：太陽電池處于開路狀態(tài)時兩端的電壓，可用高內(nèi)阻的直流毫伏計測量。

②短路電流short-circuitcurrent：太陽電池處于短路狀態(tài)時流過的電流，常用短路電流密度JSC代替，用內(nèi)阻小于1Ω的電流表測量。

③最大輸出功率：太陽電池的輸出功率隨負載電阻而變化，其最大值成為最大輸出功率，Pm=Vm×Im。④填充因子FillFactor：最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比，始終小于1，代表太陽能電池在最佳負載時能輸出的最大功率的特性。⑤能量轉(zhuǎn)換效率PowerConversionEfficiency：太陽電池的最大輸出功率和入射光的功率之比。3.光伏效應的基本原理太陽電池的伏安曲線化學與環(huán)境科學學院太陽能電池輸出特性測量電路示意圖。當負載從0變化到無窮大時，輸出電壓V則從0變到VOC，同時輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。AV太陽電池電壓計電流計可變電阻除了以上5個主要參數(shù)，有些文獻上還提到了其它參數(shù)，如光電轉(zhuǎn)換效率IPCE(mono-chromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency)、外量子效率EQE(externalquantumefficiency)及內(nèi)量子效率IQE(InternalQuantumEfficiency)。3.光伏效應的基本原理光伏電池的等效電路化學與環(huán)境科學學院理想太陽電池的等效電路：在恒定光照下，光電流是恒定的，它一部分流經(jīng)負載，在負載兩端建立起端電壓；另一部分作用于p-n結(jié)，形成正向偏置，引起一股與光電流方向相反的暗電流。實際太陽電池的等效電路：實際工作的太陽電池由于電極的接觸和材料本身的電阻率，存在著串聯(lián)電阻的損耗；電池邊沿的漏電和電池的微裂紋、劃痕等造成的金屬橋漏電，相當于并聯(lián)電阻的損耗。3.光伏效應的基本原理單晶硅太陽電池生產(chǎn)簡易流程化學與環(huán)境科學學院單晶硅太陽電池的制作過程：

①砂子還原成冶金級硅：石英砂(SiO2)在電弧爐中用C還原為Si和CO，純度一般95-99%，雜質(zhì)為Fe、Al、Ga、Mg等。②冶金級硅提純?yōu)榘雽w級硅：由工業(yè)硅制成硅的鹵化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通過還原劑還原成為元素硅，最后長成棒狀(或針狀、塊狀)多晶硅。③半導體級硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵憾嗑Ч杞?jīng)過區(qū)熔法(Fz)和坩堝直拉法(CG)制成單晶硅棒。④硅片制成太陽電池：主要包括表面準備（化學處理和表面腐蝕）、擴散制(P-N)結(jié)、去邊、去除背結(jié)、制作上下電極、制作減反射膜等。⑤太陽電池封裝成電池組件：將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴密封裝成組件，主要有上蓋板、粘接劑、底板、邊框等部分。4.太陽電池的發(fā)展歷程(類型)太陽電池的類型化學與環(huán)境科學學院太陽能電池單晶硅太陽電池塊狀多晶硅太陽電池第一代太陽電池Siliconbased多晶硅薄膜太陽電池薄膜多元化合物太陽電池單層結(jié)構(gòu)雙層異質(zhì)結(jié)本體異質(zhì)結(jié)無機/有機雜化太陽電池非晶硅薄膜太陽電池疊層太陽電池染料敏化太陽電池量子點太陽電池熱載流子太陽電池多能帶太陽電池熱光伏太陽電池有機化合物太陽電池第二代太陽電池thinfilms第三代太陽電池newconcept4.太陽電池的發(fā)展歷程(類型)硅材料太陽電池化學與環(huán)境科學學院硅材料太陽電池：

①單晶硅太陽電池：

以純度為99.999%的單晶硅棒為原料制作而成，工藝復雜，電耗很大。目前單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實驗室可達25%，其理論最高效率為32%左右。

②多晶硅太陽電池：按結(jié)構(gòu)可分為兩種，一種是塊狀(bulk)，多半是用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。制作工藝與單晶硅太陽電池相似，但材料制造簡便，成本較低。另一種是薄膜狀(thin-film),多采用化學氣相沉積法(CVD)和液相外延法(LPPE)、濺射沉積法制備。多晶硅薄膜電池成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。多晶硅太陽電池目前光電轉(zhuǎn)換效率12%左右，實驗室可達19.8%。

③非晶硅太陽電池：于1976年出現(xiàn)，硅材料消耗少，電耗低，常用輝光放電法、反應濺射法、化學氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法制備。其光電轉(zhuǎn)換效率較低，為10%左右，實驗室可達14.5%。4.太陽電池的發(fā)展歷程(類型)多元化合物薄膜電池化學與環(huán)境科學學院多元化合物薄膜電池：①砷化鎵(GaAs)化合物薄膜太陽電池：砷化鎵屬于Ⅲ-Ⅴ化合物半導體材料，能隙(bandgap，又叫禁帶寬度forbiddenbandwidth)為1.4eV，并且耐高溫性強，最高轉(zhuǎn)換效率可達30%。砷化鎵系列太陽能電池包括單晶GaAs、多晶GaAs、鎵鋁砷-GaAs異質(zhì)結(jié)、金屬-半導體GaAs、金屬-絕緣體-半導體GaAs、GaSb（銻化鎵）、GaInP等。

②

硫化鎘(CdS)和碲化鎘(CdTe)化合物薄膜電池：效率在10%以上。

③銅銦硒(CuInSe2，CIS)和銅銦鎵硒(CuInxGa1-xSe2，CIGS)化合物薄膜電池：CIS材料的能降為1.1eV，是良好的太陽能電池半導體材料，價格低廉、性能良好，目前光電轉(zhuǎn)換效率約在15%左右。2005-2015年太陽電池種類、轉(zhuǎn)換效率和成本預測.太陽能,2007,11:34光伏類型晶硅SI非晶薄膜(50nm)聚光HCPV冶金能耗1200度電/千瓦850度電/千瓦20度電/千瓦純化能耗3500度電/千瓦1200度電/千瓦24度電/千瓦鑄料能耗1000度電/千瓦08度電/千瓦電池成品10度電/千瓦25度電/千瓦10度電/千瓦總能耗6510度電/千瓦2075度電/千瓦63度電/千瓦能量平衡點6.51年2.08年0.5年生產(chǎn)過程能耗高從工業(yè)硅到多晶硅提純到鑄錠、切片都是高耗能、高排放CdTe中的Cd在特定情況下會對土地造成嚴重污染；HCPV的半導體材料為多晶硅的1/1000-1/2000，污染可以忽略。工業(yè)硅的生產(chǎn)

致力于為全球提供先進的新能源解決方案6.太陽電池的應用和未來展望太陽能電池的應用化學與環(huán)境科學學院

6.太陽電池的應用和未來展望我國近期光伏發(fā)電的支持重點我國近期太陽能光伏發(fā)電方面的支持重點：①提高太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率的新概念、新機制研究。②光伏材料開發(fā)與性能改善。③光伏器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。④光伏材料和器件的制備與表征技術(shù)。⑤光伏系統(tǒng)及規(guī)模化利用相關(guān)的原理性、基礎(chǔ)性、前瞻性問題。我國將建設(shè)較大規(guī)模的太陽能光伏電站和太陽能發(fā)電電站，到2010年，建成大型并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘?萬千瓦，太陽能熱發(fā)電總?cè)萘窟_到5萬千瓦。到2020年，建成大型并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘?0萬千瓦，太陽能熱發(fā)電總?cè)萘窟_到20萬千瓦。5、光伏電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電氣部分主要包括：（1）智能接線盒（2）防雷匯流箱（4）并網(wǎng)逆變器（5）升壓箱變（3）直流配電柜

致力于為全球提供先進的新能源解決方案（1）智能接線盒電源線從模組引出后進入智能接線盒，串聯(lián)的20個模組正負極按設(shè)定的線序分成4組后進入1個智能接線盒，各模組在控制系統(tǒng)中被賦予唯一的識別碼，運行中一旦發(fā)生故障，可迅速定位至每個模組。該智能接線盒還具有最大功率點跟蹤功能。

致力于為全球提供先進的新能源解決方案（1）智能接線盒智能接線盒外觀圖

致力于為全球提供先進的新能源解決方案（2）防雷匯流箱

RPV-XX系列智能防雷光伏匯流箱主要作用是對光伏模組陣列的輸入進行一級匯流，用于減少模組陣列接入到逆變器的連線，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和可維護性，RPV-XX系列智能防雷光伏匯流箱在提供匯防雷流功能的同時，還提供了模組電流測量、監(jiān)測模組陣列中電池板運行狀態(tài)、匯流后電池電壓、匯流總功率、支路功率、匯流箱防雷器狀態(tài)采集、直流斷路器狀態(tài)采集等，裝置標配有RS485接口，可以把測量和采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。

致力于為全球提供先進的新能源解決方案（2）防雷匯流箱

光伏電池串開路報警，狀態(tài)檢測帶開關(guān)量輸入，用于采集直流斷路器、

防雷器等輸出空接點狀態(tài)可輸出DC24V電源給外部傳感器供電就地數(shù)碼管循環(huán)顯示每通道的輸入電流，

并具有自動關(guān)閉節(jié)能顯示模式主要功能