太阳电池和组件

太阳电池和组件技术及应用1.发展太阳电池的意义1.1保护气候，保护环境1.2分布式发电，节省空间，同时提升能源安全1.3提供偏远地区电力供应，进而提供全电力服务2.太阳电池原理大面积半导体pn结光生伏打效应太阳能转换成电能2.太阳电池原理太阳电池效率测试标准条件：温度25℃，光谱分布AM1.5,辐照强度是1000W/m2太阳电池效率：填充因子：3.太阳电池发展简史●

1839年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。●1954年，

贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的单晶硅太阳能电池的发现，几个月后效率达到6%。●

1955年西部电工（WesternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳能电池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。●

1959年Hoffman电子实现可商业化单晶硅电池效率达到10%，并通过用网栅电极来显著减少光伏电池串联电阻●

1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。●

1977年世界光伏电池超过500KW；D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅(a-Si)太阳能电池。●

1985年单晶硅太阳能电池售价10USD/W；澳大利亚新南威尔土大学MartinGreen研制单晶硅的太阳能电池效率达到20%。3.太阳电池发展简史●

1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW；多晶硅太阳能电池产量首次超过单晶硅太阳能电池。●

1999年世界太阳能电池年产量超过201.3MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡（CIS）太阳能电池效率达到18.8%；非晶硅太阳能电池占市场份额12.3%。UNSW单晶硅电池效率达到24.7％.●2002年世界太阳能电池年产量超过540MW；多晶硅太阳能电池售价约为2.2USD/W。●

2003年世界太阳能电池年产量超过760MW；德国FraunhoferISE的LFC（Laserfired-contact）晶体硅太阳能电池效率达到20%。●

2004年世界太阳能电池年产量超过1200MW；德国FraunhoferISE多晶硅太阳能电池效率达到20.3%；非晶硅太阳能电池占市场份额4.4%，降为1999年的1/3，CdTe占1.1%；而CIS占0.4%。●2006年世界太阳能电池年产量超过2GW；2007年太阳能电池年产量超过4GW光伏产业突飞猛进。电池技术不断革新，电池效率继续提升。3.太阳电池的发展简史1）第一代太阳电池晶体硅太阳电池：晶体硅太阳电池占整个太阳电池产量的90％以上，是最重要也是技术最成熟的太阳电池。2）第二代太阳电池薄膜太阳电池：薄膜技术所需的材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，是一种有效降低成本的方法。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、碲化镉、铜铟硒以及多晶硅薄膜电池。3）第三代太阳电池聚光、叠层、中间带吸收、热载流子利用和光子上下转换。2007年8月，美国的delaware大学利用叠层技术制备得到了效率为42.8%的太阳电池，是目前太阳电池的最高效率；2009年8月，美国波音Spectrolab实验室制备出了聚光比240个太阳效率为41.6%的聚光太阳电池。

1、按所用材料的不同，太阳电池也可分为：硅太阳电池砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒多元化合物为材料的太阳电池功能高分子材料制备的大阳电池纳米晶太阳能电池等。2、按照材料的制程形态又可以分为体材料和薄膜型。体材料包括晶硅电池：单晶硅，多晶硅、化合物太阳电池，薄膜电池包括a-Si，CIGS，CdTe，Grātzel染料敏化电池、有机电池，有机/无机混和太阳电池等。4.太阳电池分类5.太阳电池现有技术硅料多晶硅锭

单晶硅棒切割单晶硅电池片太阳能电池板单晶硅电池工艺多晶硅电池工艺5.1晶硅太阳电池5.太阳电池现有技术5.1晶硅太阳电池常规产业化技术5.太阳电池现有技术5.1晶硅太阳电池优点：硅原料丰富效率高，产业化效率>17%，国际领先>20％技术成熟基本无衰退，寿命长，>25年缺点：生产过程高耗能，成本贵电池面积小，脆性大，易破碎方向：低成本的太阳级硅材料制备工艺，物理法提纯降低材料消耗的薄片化工艺，切片工艺与相应的电池工艺实现>20%高效率的低成本电池的结构设计与制备技术

5.太阳电池现有技术5.2硅薄膜太阳电池

5.太阳电池现有技术5.2薄膜硅太阳电池薄膜硅电池结构1－单结电池

5.太阳电池现有技术5.2薄膜硅太阳电池薄膜硅电池结构2－叠层电池

5.太阳电池现有技术5.2薄膜硅太阳电池优点：硅原料丰富技术比较成熟生产耗能较少，硅材料用量少适用于廉价衬底，比如玻璃，不锈钢，聚合物等，可以大面积生产 常见尺寸635mm×1245mm，美国AM：2.2米X2.6米5.弱光响应好，寿命也较长。缺点：电池效率低，衰退较明显生产设备相当昂贵硅烷原料价格也不便宜方向：生产设备国产化，低成本工艺设备开发。材料制备与器件结构设计，提高转换效率，提高电池稳定性。

5.太阳电池现有技术5.3CIGS薄膜太阳电池优点： 是已知吸收系数最大的半导体材料，光吸收大。转换效率高。制备方法多样，工艺成本低。缺点： 需要稀有金属In方向：高质量材料制备，电池结构设计，界面优化。引入其它元素进行带隙调节， 发展叠层电池

5.太阳电池现有技术5.4CdTe/CdS薄膜太阳电池优点： 直接带隙，带隙1.45eV，与太阳光谱匹配最佳，光吸收大。高效率，理论效率27%。稳定性好。制备方法多样，工艺成本低。缺点： 材料环境不友好方向：高质量材料制备，电池结构设计，界面优化。引入其它II-VI族元素进行带隙调节，发展叠层电池

5.太阳电池现有技术5.5纳米TiO2染料敏化太阳电池

染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、对电极以及电解质等几部分。优点： 成本低，制作工艺简单。缺点： 电池效率不高，稳定性也比较差，可以利用的染料种类不多。方向：提高效率和稳定性开发与太阳光谱更加匹配的染料更加合适的固体电介质

5.太阳电池现有技术光电阳极:Dye+hν→Dye*(染料激发)

Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流)

Dye++1.5Ｉ－→Dye+0.5I3-(染料还原)

阳极发生的净反应为:1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)对电极:0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原)整个电池的反应结果为:

ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)

由于TiO2的禁带宽度较大(3.2eV)，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于TiO2的导带，所以电子可以快速注入TiO2；电子在导带基底上富集，通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随后被电解质中的I-还原而得以再生，而氧化态的电解质(I3-)在Pt对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电化学反应循环。5.5纳米TiO2染料敏化太阳电池

5.太阳电池现有技术5.6有机薄膜太阳电池ITO/MEH-PPV:CN-PPV/AlVoc＝0.6Vη＝6％优点：工艺成本低聚(2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基)-1,4-对苯乙炔)聚苯撑乙烯撑类5.太阳电池现有技术晶硅太阳电池效率：常规工艺制备的单晶太阳电池的效率17.0%-17.5%，多晶硅太阳电池的效率可达到16.0%-16.7%；新工艺单晶硅太阳电池的效率：尚德的选择性发射极但晶硅太阳电池（Pluto）平均效率18.5%;英利开发的熊猫系列N型单晶硅太阳电池效率也达到18.5%;Sunpower的背接触电池的效率可达到22%，组件效率高达三洋的HIT电池的效率可高达23%日本Sharp的高效黑电池效率达到20%薄膜太阳电池效率：非晶硅薄膜太阳电池的主流工艺是非晶微晶叠层，商业化的稳定效率是6-8%，CdTe薄膜太阳电池的商业化效率9-11%，CIGS薄膜太阳电池的商业化效率12%，Sharp宣称其非晶硅薄膜太阳电池商业化效率可达12%5.太阳电池前沿技术发展方向：薄片化或者薄膜化，叠层化，柔性化，提高效率，降低成 本，扩大应用范围。量子点太阳电池量子阱太阳电池中间带光伏电池热载流子太阳电池等实现途径：开发新的光伏材料构筑新型电池结构第三代太阳电池前沿技术：6.太阳电池发展前景最近几年太阳电池产量6.太阳电池发展前景

7.晶体硅太阳电池组件技术晶体硅太阳电池组件的结构为什么进行封装？？？防止太阳电池破损；防止太阳电池被腐蚀失效；满足负载要求，串联或并联成一个能够独立作为电源使用的最小单元。

7.晶体硅太阳电池组件技术晶体硅呈脆性硅太阳电池面积大硅太阳电池厚度小太阳电池非常易碎！

7.晶体硅太阳电池组件技术太阳电池的自然抗性差:太阳电池长期暴露在空气中会出现效率的衰减太阳电池对紫外线的抵抗能力较差太阳电池不能抵御冰雹等外力引起的过度机械应力所造成的破坏太阳电池表面的金属化层容易受到腐蚀太阳电池表面堆积灰尘后难以清除

7.晶体硅太阳电池组件技术太阳电池封装的历史:第一代室温硫化硅橡胶封装第二代聚乙烯醇缩丁醛（PVB）封装第三代乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）封装

7.晶体硅太阳电池组件技术封装材料——1——钢化玻璃：（1）厚度3.2mm±0.3；（2）钢化性能应符合国际GB9963-88标准；（3）透光率应高于90%；（4）清洁度高，对于钢化后没有被污染的玻璃，可用无纺布片擦净玻璃表面，如已受到污染的玻璃应用中性洗剂或者有机溶剂清洗表面，用于封装的玻璃不得有水汽、灰尘、油迹或者其他污物，操作过程中不得用手接触玻璃表面。

（5）毛面玻璃

7.晶体硅太阳电池组件技术封装材料——2——EVA

厚度0.3-0.6mm，表面平整，厚度均匀，内含胶联剂，能在150℃固化温度下胶联，形成稳定的胶层。——TPT

厚度0.17mm，纵向收缩率不大于1.5%，用于封装的TPT至少应有三层结构：外层保护侧层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚酯薄膜具有良好的绝缘性能，内层的Tedlar必须保持清洁，不得沾污或者受潮，特别是内层不得应手指接触，以免影响EVA的粘结强度。

7.晶体硅太阳电池组件技术封装材料——3

——接线盒接线盒应由ABS或PPO工程塑料注塑制成，并加有防老化和抗紫外辐射剂，能确保组件在室外25年以上不出现老化破裂现象。接线柱由外镀镍层的高导电解铜制成能确保电气导通及电气连接的可靠。接线盒应用硅橡胶粘结在TPT表面，并用螺钉固定在铝边框上，具有水密封性能。

——互连条互连条由高导电解铜制成并覆盖有一层均匀光亮的铅锡焊剂，用于串联的互联条规格为2mmⅹ0.1mm，汇流条规格为5mmⅹ0.15mm。

7.晶体硅太阳电池组件技术封装材料——4

——铝合金边框边框采用LD31硬质合金制成，表面氧化层厚度大于10μm，用于封装的边框应无变形，表面无划伤。

——其他零件：用于固定铝边框、接线盒的自功螺钉，表面均应镀锌或者镀铬保护，特殊情况下，应采用不锈钢螺钉。

7.晶体硅太阳电池组件技术太阳电池封装工艺流程

7.晶体硅太阳电池组件技术乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）封装结构示意图

7.晶体硅太阳电池组件技术性能指标组件参数标准测试条件下峰值功率（Wp）230最佳工作电流（Imp）7.8最佳工作电压（Vmp）29.5短路电流（Isc）8.4开路电压（Voc）37最大系统电压（V）1000组件效率（%）14.1填充因子0.74短路电流温度系数（%/K）0.06开路电压温度系数（%/K）-0.37峰值功率温度系数（%/K）-0.45输出功率公差±3%组件尺寸（mm）1650×990×50重量（kg）19.8

7.晶体硅太阳电池组件技术

7.晶体硅太阳电池组件技术太阳电池组件的I-V特性曲线8.光伏发电系统光伏发电系统分类8.光伏发电系统并网光伏发电系统的设计步骤：1、在考察的基础上进行预可行性研究（RetSchreen）；2、方案确定和设备选型（太阳电池、逆变器、监控、其它设备、运行方式等）；3、工程设计：与建筑结合、土建施工方案、抗风能力、防雷接地、电网接入系统；4、特殊设计：

1)对于BIPV和BAPV：并网方式、遮挡计算、专用BIPV组件的安装设计、造型和美观等;2)对于大型光伏电站：占地计算、场地、基础、机房、围栏、自动跟踪系统等。8.光伏发电系统光伏组件的选型：目前晶硅太阳电池占据了市场绝大部分份额，而且电池效率高，性能稳定，是目前大型光伏发电系统的首选。低效片价格低，但是性能不稳定，为了保证系统的稳定运行，首先还是要选择高效组件。硅薄膜太阳电池的生产成本低，耗能回收期短，而且该电池弱光响应好，在光照不强的情况下也有较好的发电效率，也成为一个不错的选择。另外薄膜电池组件可以制备成半透明，可以与建筑很好的结合，所以薄膜组件在BIPV有独特的优势。

CIGS薄膜太阳电池和CdTe薄膜太阳电池也已经进入了产业化，规模逐渐变大，尤其是CdTe薄膜太阳电池，其产量已经超过硅薄膜太阳电池。8.光伏发电系统组件类型单晶HIT多晶非晶非晶/微晶叠层CIS耗GJ/kW38.130.427.532.424.522.8EPT/年3.62.82.63.02.32.1不同类型太阳电池组件的能量回收期组件的倾角：对于一个光伏发电系统，要获得更多的发电量，首先要做到正确安装，主要光伏方阵的倾角的选择，即保证组件获得最大的太阳辐照量。固定式光伏方阵，应尽可能朝向赤道倾斜安装，这样可以增加全年接收到的太阳辐照量。

HT=HbT+HdT+HrT

目前在光伏系统的设计中，很多都是采用软件RETScreen的气象数据做参考，软件可以直接计算不同倾斜面的光辐射量，方便比较选择，算法采用的是Klein提出的模型。8.光伏发电系统8.光伏发电系统跟踪系统：为了进一步增加光伏组件接收的辐照量，可在光伏系统安装跟踪系统，向日跟踪系统分为地平坐标系和赤道坐标系。1）地平坐标跟踪系统以地平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳高度角（太阳射线与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正南方向的夹角）。地平坐标跟踪分为：方位角跟踪和全跟踪2）赤道坐标跟踪系统以赤道平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳赤纬角（太阳射线与赤道平面的夹角）和太阳时角（地球自转的角度，正午为零，上午为正，下午为负）。赤道坐标跟踪分为极轴跟踪、全跟踪和水平轴跟踪。8.光伏发电系统组件支架：若干个太阳电池组件在机械和电气上按一定方式组装到一起，并且有固定的支撑结构而构成的直流单元就是太阳电池方阵，太阳电池方阵要固定在支架上，支架要有足够的强度和刚度，在多盐雾和潮湿地区，支架要采用耐腐蚀的铝合金或不锈钢等材料。整个支架要牢固安装在基座上，特别是沿海台风多发地区，方阵支架和基座要足够牢固。

Q：设计用风压（N/m2）

Aw：受风面积（m2）

设计用风压Q：

Q=Qo

HI

Qo：基准风压

H：高度修正系数

I：

环境系数

I环境系数：

对风无遮挡的空旷地带：1.15

对风有少量遮挡：

0.9

对风有较大遮挡：

0.7H高度修正系数：太阳电池支架抗风能力的设计风压荷载

太阳电池方阵支架结构的设计要考虑风压荷载，防止因强风导致普破坏。

作用于太阳电池阵列的风压荷载由下式计算：

W=Cw

QAwW：风压荷载（N）

Cw：风荷载体型系数

风荷载体型系数顺风方阵倾角逆风0.79150.940.87301.181.06451.43风压高度修正系数距离地面高度地面粗糙度类别（m）ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84

Qo

基准风压：基准高度为10米

Qo=1/2

Vo2：空气密度（NS2/m4）

冬季空气密度取：1.274（NS2/m4）

Vo：地面10米处50年最大风速（m/S）8.光伏发电系统太阳电池支架抗风能力的设计1、受风梁弯曲强度和弯曲度的计算

弯曲力矩M：M=WL2/8（Nm）W：单位长度上的风压（N/m）L：跨距长度（m）弯曲应力P：P=M/Z（N/cm2）Z：角钢的截面系数弯曲度A：A=（5WtL3）/（384E

Im）（cm）Wt：受风梁上的总风压（N）L：跨距长度（m）E：材料的纵向弹性系数（N/cm2）Im：横截面二次力矩(cm4)2、支撑臂的压曲荷载（顺风时）

欧拉公式计算支架所能承受的压曲荷载：Pk=n

2

（E

Im）/L2(N)n：有支撑条件决定的系数，紧密无松动为1；Im：截面轴向二次力矩(cm4)；E：材料的纵向弹性系数（N/cm2）L：轴长（cm）总荷重（W+G）/2应小于Pk。3、支撑臂的拉伸强度（逆风时）拉伸张力B（N/cm2）:B=W/AW：每根支撑梁所承受的风压（N）A：支撑臂的截面积（cm2）4、安装螺栓的强度（逆风时）

虽然有4只螺栓，但受理最大的是后面2根。所以有：螺栓最大折断力：

=1/2W/A（N/cm2）W：总的逆向风压（N）A：螺栓截面积（cm2）8.光伏发电系统太阳电池方阵间距计算：计算当太阳电池子阵前后安装时的最小间距D。一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。8.光伏发电系统根据国家标准公式计算：当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高达建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。组件间距计算公式如下：D=cosβ×L，L=H/tan，

=arcsin(sin

sin+cos

cos

cos)太阳高度角的公式：sin=sin

sin+cos

cos

cos太阳方位角的公式：sinβ=cos

sin/cos式中：为当地纬度；为太阳赤纬，冬至日为-23.5

度，为时角，上午9:00的时角为45度。

8.光伏发电系统光伏发电系统的年发电量估算8.光伏发电系统年理论发电量：峰值日照小时数乘以光伏电站的装机容量即为光伏电站的年理论发电量。年上网发电量预测：

An=年理论发电量×η1×η2其中η1是太阳电池老化系数，是指太阳电池由于老化等因素引起光伏系统运行期发电效率逐年衰减。

η2

是系统老化综合效率，是指太阳电池方阵组合的损