新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 4.4 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

4.4太陽能光伏發(fā)電技術(shù)任課老師：2018年06月30日目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1839年——發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1883年——第一個光伏器件1974年——第一個具有實用價值的單晶硅太陽能電池，效率6%1985年——能量轉(zhuǎn)化效率第一次超過20%1990年——太陽能電池與建筑物結(jié)合，BIPV4.4.1太陽能電池目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2.1

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體-能帶理論單個原子中的電子在繞核運動時，在各個軌道上的電子都各自具有特定的能量越靠近核的軌道，電子能量越低根據(jù)能量最小原理電子總是優(yōu)先占有最低能級價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶價帶的上面有一個禁帶，禁帶中不存在為電子所占據(jù)的能級禁帶之上則為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的能級就是價電子掙脫共價鍵束縛而成為自由電子所能占據(jù)的能級禁帶寬度用Eg表示，其值與半導(dǎo)體的材料及其所處的溫度等因素有關(guān)。T=300K時，硅的Eg=1.1eV；鍺的Eg=0.72eV。

4.4.2.1

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體-形成原理N型P型4.4.2.2

p-n節(jié)的形成電子、空穴濃度擴(kuò)散電子、空穴耗盡3、5價原子留在原地形成內(nèi)建電場摻雜濃度大，內(nèi)建電場強(qiáng)4.4.2.3光生伏特效應(yīng)光照時價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶p-n兩側(cè)都會出現(xiàn)電子空穴對電子空穴對被內(nèi)建電場分離p-n結(jié)兩側(cè)形成了正負(fù)電荷的積累——光生電壓外接負(fù)載形成電流——光生伏特效應(yīng)短路電流、開路電壓目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.3.1太陽能電池的工作特性-輸出特性I0：飽和電流密度；q：電子電荷；T：熱力學(xué)溫度；K：波爾茨曼常數(shù)；IL：光生電流（理想情況的短路電流）太陽能電池的電流-電壓特性的關(guān)系式：光生電流計算公式：A：橫截面積；q：電子電荷；G：電子-空穴對產(chǎn)生率；W：耗盡區(qū)長度；Le、Lh：p型區(qū)、n型區(qū)擴(kuò)散長度4.4.3.1太陽能電池的工作特性-輸出特性令I(lǐng)=0，得到理想情況下開路電壓VOC：

填充因子FF：Vmp、Imp太陽能電池輸出功率最大時的工作電壓和工作電流能量轉(zhuǎn)換效率η：目前商用單晶硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率在18%~24%4.4.3.2極限效率和效率損失-極限效率

FF為Voc的函數(shù)，Voc越大，η越大

由要得到較大的開路電壓

Voc，I0需盡可能小，故要計算Voc的最大值，需要求得

I0的最小值。對于硅，最大Voc約為700mV，相應(yīng)的最高填充因子FF為0.84，再結(jié)合最大短路電流

Isc，可得到最高轉(zhuǎn)換效率約為

29.1%

4.4.3.2極限效率和效率損失-效率損失1.短路電流損失

（1）裸露的硅的表面反射率很高。可以使用減反射膜來減少這種表面反射損失；（2）在太陽能電池p型和n型兩端制作的電極會遮住5%~15%的光照；（3）電池不夠厚，有些強(qiáng)烈的光線將直接穿出太陽能電池板，變成熱量使電池升溫。4.4.3.2極限效率和效率損失-效率損失2.開路電壓損失

決定開路電壓Voc的主要因素是半導(dǎo)體中的復(fù)合。復(fù)合過程釋放能量，不利于光電轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體中的復(fù)合速度越高，開路電壓就越小。然而在內(nèi)建電場的作用下，p-n節(jié)耗盡區(qū)的復(fù)合速度很大，會造成開路電壓的損失4.4.3.2極限效率和效率損失-損失3.溫度影響

隨溫度升高，VOC近似線性地減小，光電轉(zhuǎn)換效率隨著溫度的升高而降低對于硅太陽能電池來說，溫度每升高1℃，輸出功率將減少0.4%~0.5%。目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.4幾種典型的太陽能電池晶體硅太陽能電池

目前主流應(yīng)用分為單晶硅、多晶硅單晶硅要求濃度高摻雜濃度大，內(nèi)建電場強(qiáng)多晶硅效率低、生產(chǎn)簡單多個封裝組成組件4.4.4幾種典型的太陽能電池硅薄膜太陽能電池

非晶硅排列無序pin結(jié)構(gòu)（添加i層）

大規(guī)模生產(chǎn)成本低效率比較低輕薄可扭曲4.4.4幾種典型的太陽能電池

帶隙寬度好轉(zhuǎn)化效率高

多種方法生產(chǎn)電流沉積法生產(chǎn)較經(jīng)濟(jì)碲化鎘（CdTe）太陽能電池4.4.4幾種典型的太陽能電池

銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池成本低轉(zhuǎn)化效率高

可通過改變配比適應(yīng)光照條件外觀美觀稀有金屬限制產(chǎn)量目錄Contents4.4.1太陽能電池4.4.2太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性4.4.3太陽能電池的工作特性

4.4.4幾種典型的太陽能電池4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)-系統(tǒng)組成

太陽能電池儲能電池

逆變器系統(tǒng)保護(hù)4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)-分類

將電網(wǎng)視為儲能電池

多電上網(wǎng)，少電從網(wǎng)上取成本低、技術(shù)成熟獨立型并網(wǎng)型借助儲能電池

設(shè)計壽命較短仍需進(jìn)一步研究4.4.5太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)-光