太阳能建筑一体化 第一节

第1章光伏发电系统简介教学目的：了解光伏发电基本原理，掌握光伏发电及太阳能电池输出性能基本知识。教学重难点：1.光伏发电基本原理

2.太阳能电池输出特性

一、光伏发电基本原理光伏效应：在光照条件下，光伏材料吸收光能后在材料两端产生电动势的现象。1.光吸收与电的产生光吸收：材料对入射光吸收

光子能量

其中光吸收系数α并非常数，对于光子能量接近导带底更容易吸收，而带隙Eg也会随着温度、材料、杂质及其他因素变化而变化。电产生：任意一点产生的电子-空穴对数量

三种情况：（1）Ep<Eg不能吸收，透射（2）Ep=Eg有效的吸收，无能量损失（3）Ep>Eg强烈的吸收并有热量产生(a)金属(b)半导体(c)绝缘体金属、半导体、绝缘体的能带

金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（>Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低。2.电能的产生（1）载流子的输运当太阳光入射太阳能电池时，会在价带留下空穴，在导带上会跃迁电子，形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。载流子的运输方式有两种：漂移运动和扩散运动。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差的引起的。（2）p-n结晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)—N型硅：自由电子数量多—多数载流子（多子）；空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导体或n型半导体。掺杂少量的三价元素硼(B)—P型硅：空穴数量多—多数载流子（多子）；自由电子数量很少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半导体。n型和p型硅晶体结构n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结—内建电场E—电势差UD—电势能电势能=电荷×电势=(q)(UD)=qUDqUD通常称作势垒高度。

内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增强“少子”漂移运动，最终达到平衡状态。(a)n区电子往P区(b)p区空穴往N区(c)p-n结电场扩散在n区形成带扩散在p区形成带正电的薄层A负电的薄层B

p-n结电子与空穴的扩散(a)形成p-n结前载流子的扩散过程(b)空间电荷区和内建电场p-n结漂移运动当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通过p-n结的电流（称为正向电流），较大；当p-n结加上反向偏压，构成p-n结的反向电流，很小。p-n结单向导电特性

（3）光伏效应当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别产生电子-空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区。p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。

当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。3.常见的太阳能电池及生产工艺材料化学组分：无机、有机材料：硅基、砷化镓、铟镓磷、碲化镉、铜铟镓硒内部材料体型：大块晶片、薄膜材料晶体结构：单晶硅、多晶硅、非晶硅

太阳能电池内部与外部结构：普通太阳能电池、聚光型太阳能电池、级联太阳能电池内部结构的p-n结多少：单结、双结、三结、多结生产技术方法：网板印刷电极、激光刻槽电极

p-n结结构：同质结太阳能电池、异质结太阳能电池光吸收层材料体系：有硅基薄膜太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池硅材料的制备制造太阳电池的硅材料以石英砂（SiO2）为原料，先把石英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅，较好的纯度为98%~99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法（Fz法）制成单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。石英砂冶金硅多晶硅单晶硅从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致是：硅砂硅锭硅片电池片电池组件（1）多晶硅制备：（1）硅砂冶金硅（MG-Si）：SiO2+2C→Si+2CO（2）冶金硅高纯多晶硅：

电子级硅(EG-Si)，9N(99.9999999%)以上纯度；

太阳能级硅(SG-Si)，7N以上纯度。

①四氯化硅法：SiCl4+2H2→Si+4HCl↑

②三氯氢硅法（改良西门子法）

：

SiO2+2C→Si+2CO2↑Si+3HCl→SiHCl3+H2↑SiHCl3+H2→Si+3HCl↑改良西门子法工艺流程③硅烷法硅烷（SiH4）生产的工艺是基于化学反应2Mg+Si→MgSi，然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应:MgSi+4NH4Cl→SiH4+2MgCl2+4NH3↑从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气体，要用高纯氮气或氢气稀释到3%～5%后充入钢瓶中使用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行纯化，化学反应式为SiH4→Si+2H2↑

单晶硅的制备直拉单晶法（Cz）直拉单晶炉区熔法（Fz）内热式区熔炉结构示意图硅片的加工硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。（2）单晶硅电池硅棒切片成型表面处理掺杂扩散制结组件封装性能测试印刷电极制作减反膜去边性能测试2成品包装1.硅片的选择硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为0.18~0.4mm。2.硅片的表面处理

（1）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。（2）硅片的表面腐蚀去除30~50m表面厚的损伤层。①酸性腐蚀浓硝酸与氢氟酸的配比为（10:1）~（2:1）；硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为5:3:3或5:1:1或6:1:1

。②碱性腐蚀氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液。

3.绒面制备单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐蚀(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔结构。绒面结构，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于减少光的反射，增加光的吸收，提高电池效率。4.扩散制结制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层。

制结方法：热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。

热扩散法制结：采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为950~l000℃，扩散时间为15~30min，氮气流量为2L/min。5.去除背结

在扩散过程中，硅片的背面也形成了p-n结，所以在制作电极前需要去除背结。去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。6.制备减反射膜硅表面对光的反射损失率高达35%左右。减反射膜作用：减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。制备方法：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方法等，在已制好的电池正面蒸镀一层或多层二氧化硅或二氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌减反射膜。技术要求：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简单、价格低廉。二氧化硅膜，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少到10%左右，镀两层则可将反射率减少到4%以下。7.制作上、下电极

所谓电极，就是与电池p-n结形成紧密欧姆接触的导电材料。通常对电极的要求有：①接触电阻小；②收集效率高；③遮蔽面积小；④能与硅形成牢固的接触；⑤稳定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引线，可焊性强；⑨体电阻小；⑩污染小。

制作方法：真空蒸镀法、化学镀镍法、银/铝浆印刷烧结法等。所用金属材料：铝、钛、银、镍等。

电池光照面的电极称为上电极（窄细的栅线状，有利于收集光生电流，并保持较大受光面积

），制作在电池背面的电极称为下电极或背电极（全部或部分布满背面，减小电池的串联电阻

）。

n+/p型电池上电极是负极，下电极是正极；p+/n型电池上电极是正极，下电极是负极。8.检验测试太阳电池制作经过上述工艺完成后，在作为成品电池入库前，必须通过测试仪器测量其性能参数，以检验其质量是否合格。一般需要测量的参数有最佳工作电压、最佳工作电流、最大功率(也称峰值功率)、转换效率、开路电压、短路电流、填充因子等，通常还要画出太阳电池的伏安（I-U）特性曲线。现代测试方法：

（2）非晶硅电池导电玻璃刻划清洗预热p-i-n结沉积冷却热老化电性能测试激光刻划镀铝激光刻划

电性能测试2封装成品测试成品包装

非晶硅的优点①有较高的光学吸收系数，在0.315~0.75m的可见光波长范围内，其吸收系数比单晶硅高一个数量级，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可见光，制备材料成本也低；②禁带宽度为1.5~2.0eV，比晶体硅的1.l2eV大，与太阳光谱有更好的匹配；③制备工艺和所需设备简单，沉积温度低(300~400℃)，耗能少；④可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温塑料等，可做成能弯曲的柔性电池。二、太阳能电池输出特性及性能模拟1.太阳能电池特性（1）基本定义短路电流：如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。短路电流的大小取决于以下几个因素：太阳能电池的表面积。要消除太阳能电池对表面积的依赖，通常需改变短路电流强度（JSC单位为mA/cm2）而不是短路电流。光子的数量（即入射光的强度）。电池输出的短路电流ISC的大小直接取决于光照强度。入射光的光谱。测量太阳能电池是通常使用标准的1.5大气质量光谱。电池的光学特性（吸收和反射）（光学损耗一节已讨论过）电池的收集概率，主要取决于电池表面钝化和基区的少数载流子寿命。

开路电压：受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。上述方程显示了VOC取决于太阳能电池的饱和电流和光生电流。由于短路电流的变化很小，而饱和电流的大小可以改变几个数量级，所以主要影响是饱和电流。饱和电流I0主要取决于电池的复合效应。即可以通过测量开路电压来算出电池的复合效应。实验室测得的硅太阳能电池在AM1.5光谱下的最大开路电压能达到720mV，而商业用太阳能电池通常为600mV。最大输出功率：把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流（I），也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压(U)。太阳电池的输出功率P=UI。太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太阳电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率（Pm）。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压（Um）和最佳工作电流（Im），Pm=UmIm。填充因子：太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。FF是对伏安曲线的矩形面积的测量，则电压高的太阳能电池，其FF值也可能比较大，因为伏安曲线中剩余部分的面积会更小。要计算电池的FF可以对电池的功率进行求导，令其值为零，便可找出功率最大时的电压电流值了。即：

d（IV）/dV=0

并给出：

然而，单从上面的步骤并不能得出一个简单或近似的方程。上面的方程只与VOC和Vmp，所以还需要额外的能求出Imp和FF的方程。一个比较常使用的经验方程是：光电转换效率太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比：（2）影响因素光强和光照方式：ISC与光强成正比，Voc与光强成对数关系增大。电子-空穴对产生的位置越接近于p-n结，就越有机会被p-n结收集。光谱响应：表明：理想状态下，光谱响应随着光波长的增大而增大。温度：温度上升，I-V特性曲线特性变差，短路电流增大，开路电压减小，填充因子减小，最大输出功率减小。

短路电流ISC提高幅度很小温度较高的电池开路电压Voc下降幅度大聚光对太阳能电池的伏安特性的影响。短路电流ISC随着聚光呈线性上升FF可能会因串联电阻的上升而下降开路电压随光强呈对数上升寄生电阻：电池的电阻效应以在电阻上消耗能量的形式降低了电池的发电效率。其中最常见的寄生电阻为串联电阻和并联电阻。从下面的电池等效电路便可看出串联和并联电阻。串联电阻：太阳能电池中，引起串联电阻的因素有三种：第一，穿过电池发射区和基区的电流流动；第二，金属电极与硅之间的接触电阻；第三便是顶部和背部的金属电阻。串联电阻对电池的主要影响是减小填充因子，此外，当阻值过大时还会减小短路电流。我们假设开路电压和短路电流没有受到串联电阻的影响，则可以算出串联电阻对填充因子的影响：

在上述方程中，我们把没有受串联电阻影响的填充因子用符号FF0表示，而FF‘则用FFs代替。则方程改为：

而下面以实验为基础的方程能更加精确地表示FF0与FFS之间的关系：FFs=FF0[（1-1.1rs）+r2s/5.4]此式在rs<0.4及VOC>10时有效。并联电阻：RSH造成的显著的功率损失通常是由于制造缺陷引起的，而不是糟糕的电池设计。小