太阳能光伏技术的基础培训

1、太阳能光伏技术应用概述 主要内容 太阳能电池的基本原理及其分类 太阳能电池的电学特性 太阳能电池的主要技术参数 薄膜太阳能电池 电池板的连接与封装 太阳能光伏系统的基本概述 光伏系统的设计 提高太阳能组件效率的措施 太阳能电池的基本原理及其分类 半导体物理基本概念 PN结与光电效应 光生伏特效应的基本原理 用于太阳能电池的标准光源 太阳能电池的光谱特性和温度特性 太阳能电池的测量 满带：填满电子的能带。 空带：没有电子占据的能带。 不满带：未填满电子的能带。 禁带：不能填充电子的能区。 价带：和价电子能级相应的能带， 对半导体，价带通常是满带。 即最高的充有电子的能带。 几个概念 满带 E 不

2、满带 禁带 禁带 价带 空带 不满带或满带以上最低的空带， 称为导带。 能带中电子的导电性 满带不导电： 电子交换能态并不 改变能量状态，所以 满带不导电。 电子在电场作用下作定向运动， 得到附加能量，电子能量发生变化。 导带导电： 导带中电子才能改变能量。 导电性 ： E p 价带(满带) 空带(导带) 不满带(导带) E E p m p E 2 2 导带导电： 导体和绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的 能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为 导体 m10 8 半导体 m1010 74 绝缘体 m108 导体的能带结构 空带 导带 E 某些一价 金属， 如:Li 满带 空带 E

3、某些二价金属， 如:Be, Ca, Mg, Zn, Ba 导带 空带 E 如:Na, K, Cu, Al, Ag 导体在外电场的作用下，大量共有化电子 从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。 E 很易获得能量，集体定向流动形成电流。 绝缘体的能带结构 E 空带 空带 满带 禁带 Eg=36eV 从能级图来看，是因为满带 绝缘体在外电场的作用下， 当外电场足够强时，共有化电子还是能越过 共有化电子很难从低能级 （满带）跃迁到高能级（空带）上去。 的能量，所以形不成电流。 （ Eg ：36 eV）， 与空带间有一个较宽的禁带 禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿 。

4、共有化电子很难接受外电场 半导体的导电机构 一. 本征半导体（semiconductor） 本征半导体是指纯净的半导体。 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。 1.本征半导体的能带结构 Eg=0.1 2eV E 空带（导带） 满带 禁带 本征半导体 所以加热、光照、加电场 都能把电子从满带激到发 空带中去，同时在满带中 形成 “空穴”（hole）。 半导体的禁带宽度Eg 很窄（0.1 2eV）， 例如半导体 Cd S： 满 带 空 带 h Eg=2.42eV 满带上的一个电 子跃迁到空带后， 满带中出现一个带 正电的空位，称为 “空穴”。 电子和空穴总是 成对出现的。 电子和空穴叫本征载流

5、子，它们形成半导 体的本征导电性。 当光照 h Eg 时， 可 发 生本征吸收，形成本征光电导。 2. 两种导电机构 （1）电子导电 半导体的主要载流子是电子 解 max min hc hEg nm514 106 . 142. 2 1031063. 6 19 834 max g E hc 【例】要使半导体 CdS产生本征光电导，求激 发电子的光波的波长最大多长？ 在外电场作用 下，电子可以跃 迁到空穴上来， 这相当于 空穴反 向跃迁。 空穴跃迁也形 成电流， 这称为 空穴导电。 空带 满带 Eg （2） 空穴导电 半导体的主要载流子是空穴 当外电场足够强时，共有化电子还是能越 半导体导体 击穿

6、 过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿。 杂质（impurity）半导体 1. n型半导体 又称 n 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能 级在禁带中紧靠空带处， ED10-2eV，极易 形成电子导电。 本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四 个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质 元素（如P、As等）时， 就形成了电子型半导体， n 型半导体 空 带 满 带 施主能级 ED Eg SiSiSiSi Si Si Si P 这种靠近空带的附加能级称为施主（donor） 能级。如下图示： 2. p型半导体 四价的本征半导体Si、e等掺入少量三 价的杂质元素（如、Ga、In等

7、）时，就 形成空穴型半导体，又称 p 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能 级在禁带中紧靠满带处， EA 10 -1eV，极 易产生空穴导电。 p -n 结 p - n 结的形成 在 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的 面附近产生了一个内建 内内 E 。 内内 E 阻止电子和空穴进一步扩散。 内内 E 电子和空穴的扩散， 在p型和n型半导体交界 p型半导体(补偿作用)。 受主杂质， （电）场 该区就成为 n型p型 内建场大到一定 程度，不再有净电 荷的流动，达到了 新的平衡。 在p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结 构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约 为0.1 m。 p

8、-n结 内内 E p型n型 U0 0 eU 电势 电子电势能 p-n结 np 由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势 这使电子能带出现弯曲： 空带 空带 p-n结 0 eU 施主能级 受主能级 满带 满带 垒带来的附加势能。 p - n结的单向导电性 1. 正向偏压 p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压。 向p区运动， 阻挡层势垒降 低、变窄， 有利于空穴 向n区运动， 也有利于电子 外外 E 内内 E 和反向， 这些都形成正向电流（m级）。 外外 E p型n型 I 内内 E + 外加正向电压越大， 形成的正向电流也越大， 且呈非线性的伏安特性。 U（伏） 30 20 10 （毫安） 正向

9、 0 0.2 1.0 I 锗管的伏安特性曲线 2. 反向偏压 p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。 也不利于电 阻挡层势垒升 高、变宽， 不利于空穴向n 区运动， 外外 E 内内 E 和同向， 会形成很弱的反向电流，称漏电流（ 级）。 I 无正向电流 外外 E p型n型 内内 E + 子向p区运动。但是由于少数载流子的存在， 当外电场很强，反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大 反向击穿。 V (伏) I -10 -20 -30 （微安） 反向 -20-30 用p n结的单向导电性， 击穿电压 用p n结的光生伏特效应，可制成光电池。 p - n结的应用： 做整流、开关用。 加反向偏

10、压时，p n结的伏安特性曲 线如左图。 可制成晶体二极管（diode）， 当有适当波长的光照射到这个pn结太阳 能电池上后，由于光伏效应而在势垒区两边 产生了电动势。因而光伏效应是半导体电池 实现光电转换的理论基础，也是某些光电器 件赖以工作的最重要的物理效应。因此，我 们将来仔细分析一下pn结的光伏效应。 太阳能光生伏特效应 太阳能电池的基本原理 原理：光生伏特效应（内光电效应hvEg） VIDIL RL qVD qVD -qV qV hv hv （a）无光照 （b）光照下 太阳能光生伏特效应 由于pnpn结势垒区内存在较强的内建电场（自n n区指向p p区），结两 边的光生少数载流子受该场

11、的作用，各自向相反方向运动：p p区的电子 穿过p-np-n结进入n n区；n n区的空穴进入p p区，使p p端电势升高，n n端电势降 低，于是在p-np-n结两端形成了光生电动势，这就是p-np-n结的光生伏特效 应。由于光照在p-np-n结两端产生光生电动势，相当于在p-np-n结两端加正 向电压V V，使势垒降低为qVqVD D-qV-qV，产生正向电流I.I. 太阳能电池的基本原理 在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p-n结两端建立起稳 定的电势差Voc，（p区相对于n区是正的），这就是光电池的开路电压。如将 pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通

12、过电路，p-n 结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。 太阳能电池的分类 1.按照基材分： 单晶硅：单晶硅：16%16%18%18% 多晶硅多晶硅: 15%: 15%17%17% 1 1）硅太阳能电池）硅太阳能电池 非晶硅非晶硅: 5%: 5%8%(21.8%)8%(21.8%) 微晶硅微晶硅: : 尚未商业化（尚未商业化（14%14%） HTCHTC：内禀薄层质结（：内禀薄层质结（21.8%21.8%） 双面太阳能电池双面太阳能电池 单晶化合物太阳能电池（单晶化合物太阳能电池（GaAsGaAs） 2)2)化合物太阳能电池化合物太阳能电池 多晶化合太阳能电池（多晶化合太阳能电池（CdTeC

13、dTe，CIGSCIGS） 2.按照结构 同质结，异质结，肖特基，复合结等 3.按照用途 空间，地面， 光敏 太阳能电池的电学特性 ID IL RP RS V，I 基本参数包括： 1）伏安特性曲线 R（0 ） 2）最大功率点 3）开路电压Voc 4）短路电流Isc 5）填充因子FF=VmIm/VocIsc 6）转换效率=FFIscVoc/Pin 7）电流温度系数 8）电压温度系数 9）功率温度系数 10）串联电阻，并联电阻 11）太阳能电池的光谱特性 电流， 功率 I L Imp P=UI ISCPmp 光 照 VOC 无光照 太阳能电池的测试条件 太阳能电池光照时候产生的电能的影响因素包括：

14、 1、光源的辐照度 2、电池的温度 3、照射光的光谱分部等 在测试太阳能电池的功率时候，必须规定标准测试条件。目前国际上统一规定的 地面太阳能电池的标准格式条件为： 光源的辐照度：1000W/m2 测试温度：25 AM1.5地面太阳光谱辐照度 薄膜太阳能电池 近年，薄膜太阳能电池所占市场份额增加，特别是类似于非晶硅电 池的化合物电池以CdTe和CIGS电池为代表的化合物电池的增量明显增加。 非晶硅/微晶硅太阳能电(单结，双结，三结） 硅系薄膜太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池 硅薄膜/单晶硅太阳能电池 化合物太阳能电池 铜铟（镓）硒（GIGSGIGS，GISGIS） 碲化镉，硫化镉 非晶硅太阳能

15、电池 制造方法：借助于TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器） 产业 设备技术，提高到7.58.0%，材料结构和工 艺工程，处于积极发展阶段。 主要生产厂商：Uni-Solar（美国）；Kaneka（日本） 等 非晶硅太阳电池的基本结构：MIS，SB，PIN（单结） 玻 璃 T C O PI N 太阳光 顶电极 非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池的优点 1、材料用量少 2、制造工艺简单。大面积自动化生产 3、制造过程能量消耗小、 4、基板种类可选择 5、集成互联技术成熟，避免了封装互联引起的可靠性 6、原材料丰富，污染少 7、不同带隙叠层，拓展光谱响应范围，提高光伏特性 8、温度系数低 缺点

16、：光致衰减 稳定性问题 碲化镉太阳能电池 特点：从碲化镉太阳能能带特点看，非常适合做薄膜太阳能电池，理论转 换效率30%，成本低 制备方法：升华法、电沉积、丝网印刷等简单加工技术，较低温可沉积出 12%以上的CdTe，First Solar、NREl均在高温真空升华法制得高效 CdTe电池 缺点：对潮气敏感，生产过程中Cd对环境和操作者危害（First Solar领跑 者、Solar Fields AVA Tech等，公司） 电池板的连接与封装 太阳能电池板的串并联方式：混合式连接及旁路二极管 要求：工作电压相同，功率相近 防反冲二极管：防止夜间或阴雨天太阳能电池方阵工作电压低于其供电的 直流

17、母线电压，防止蓄电池反过来给太阳能方阵送电，起单项导通作用 旁路二极管：当某一个组件出现故障时候，实现电流旁路，不影响其它正 常组件的发电。 混合式连接及旁路二极管 电池组件的封装 封装材料： 上盖板:超白钢化玻璃34mm，90%的透光率，减反射工艺处理 粘接剂：EVA胶膜中加入聚合物（紫外吸收剂，热稳定剂）；90%的透光 率，交联度：7010%，玻璃强度：玻璃/EVA30N/cm； 背面材料，边框等其它材料 电池组件的封装 封装工艺: 激光划片电池分选组合焊接 压层封装安装边框和接线盒性能测试 导体和绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的 能带结构不同。 固体按导电性能的高低可以分为 导体

18、 m10 8 半导体 m1010 74 绝缘体 m108 绝缘体的能带结构 E 空带 空带 满带 禁带 Eg=36eV 从能级图来看，是因为满带 绝缘体在外电场的作用下， 当外电场足够强时，共有化电子还是能越过 共有化电子很难从低能级 （满带）跃迁到高能级（空带）上去。 的能量，所以形不成电流。 （ Eg ：36 eV）， 与空带间有一个较宽的禁带 禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿 。 共有化电子很难接受外电场 p - n结的单向导电性 1. 正向偏压 p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压。 向p区运动， 阻挡层势垒降 低、变窄， 有利于空穴 向n区运动， 也有利于电子 外外 E 内内 E 和